WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 

«Достижение высокой адгезии при высокоскоростном осаждении. УДК 621.01 И. Ф. Прогальский, Б. Г. Вендлер, В. В. Тимофеев, Д. А. Филиппов ДОСТИЖЕНИЕ ВЫСОКОЙ АДГЕЗИИ ПРИ ...»

Достижение высокой адгезии при высокоскоростном осаждении …

УДК 621.01

И. Ф. Прогальский, Б. Г. Вендлер, В. В. Тимофеев, Д. А. Филиппов

ДОСТИЖЕНИЕ ВЫСОКОЙ АДГЕЗИИ

ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ОСАЖДЕНИИ

СВЕРХТВЕРДЫХ ПОКРЫТИЙ НА БЫСТРОРЕЖУЩУЮ СТАЛЬ

Иван Федорович Прогальский

Новгородский Государственный Университет им. Ярослава

Мудрого, Великий Новгород, Россия

Лодзинский Университет Технологий, Лодзь, Польша.

Тел.: (8162)62-6429, E-mail: progalskiy@gmail.com.

Богдан Вендлер, профессор, Лодзинский Университет Технологий, Лодзь, Польша.

Тел.: (4842)631-2265, E-mail: bowe@p.lodz.pl Владимир Владимирович Тимофеев д.т.н., профессор Новгородский Государственный Университет им. Ярослава Мудрого, Великий Новгород, Россия Тел.: (8162)62-6429, E-mail: Vladimir.Timofeev@novsu.ru Дмитрий Александрович Филиппов д. ф.-м.н., профессор Новгородский Государственный Университет им. Ярослава Мудрого, Великий Новгород, Россия Тел.: (8162)62-6429, E-mail: Vladimir.Timofeev@novsu.ru Аннотация В работе описывается создание износостойкого инструмента путем высокоскоростного нанесения сверхтвердого покрытия nc-TiN/a-Si3N4 на быстрорежущую сталь. Основное внимание уделяется достижению высокой адгезии между покрытием и подложкой, путем осаждения промежуточного градиентного слоя, постепенно меняющего свой химический состав от Cr к TiSiN.

Ключевые слова: сверхтвердые покрытия, высокоскоростное осаждение, aдгезия.

И. Ф. Прогальский, Б. Г. Вендлер, В. В. Тимофеев, Д. А. Филиппов I.F. Progalskiy, B. Wendler, V.V. Timofeev, D. A. Filippov

ACHIEVEMENT OF A HIGH ADHESION COEFFICIENT DURING

HIGH SPEED DEPOSITION OF SUPERHARD COATINGS ONTO

HIGH SPEED STEEL

MSc. Ivan F. Progalskiy1,2, e-mail: progalskiy@gmail.com;

Prof. Bogdan Wendler2, e-mail: bowe@p.lodz.pl;

Prof. Vladimir V. Timofeev1, e-mail: Vladimir.Timofeev@novsu.ru Prof. Dmitri A. Filippov1.

Yaroslav-the-Wise Novgorod State University (NovSU), Russia, Lodz University of Technology, Poland.

Abstract The article describes how to create durable cutting tool by means of high speed deposition of a superhard nanocomposite coating nc-TiN/a-Si3N4 onto high speed steel substrate. The main attention is focused to achievement of a high adhesion coefficient of the coating to the substrate by deposition of an interlayer gradually changing its chemical composition from Cr to TiSiN.

Key words: superhard coatings, highspeed deposition, adhesion.

Создание износостойкого и дешевого режущего инструмента является актуальной задачей в машиностроении. Качество изделия напрямую связано с качеством применяемого инструмента, а его срок службы напрямую связан с себестоимостью продукта. Для создания износостойкого и относительно недорогого инструмента было принято решение использовать широко распространенный и не дорогой материал – быстрорежущую сталь. Другим решением, увеличивающим срок службы режущей кромки инструмента, стало использование сверхтвердого нанокомпозитного покрытия nc-TiN/a-Si3N4. Данное покрытие отличается высоким сопротивлением к распространению трещин, а также обладает сверхтвердостью выше 40 GPa [1,2]. Описанные выше характеристики объясняются особенной структурой покрытия, где нанокристаллиты нитрида титана распределены в аморфной матрице нитрида кремния, причем важным условием является наноскопический размер зерен нитрида титана, стремящийся к 2-3nm, а так же чрезвычайно тонкий слой нитрида кремния, стремящийся к толщине одного атомного слоя [2,3,4].

Согласно Вепрку [2,3], при условии зарождения трещины в нанокристалле нитрида титана, ее распространение будет остановлено барьером из нитрида кремния. С другой стороны, если трещина получит свое распространение в нитриде кремния, то она будет остановлена первым встреченным на пути зерном нитрида титана [3]. Другой важной характеристикой покрытия является высокая устойчивость к темДостижение высокой адгезии при высокоскоростном осаждении … пературной коррозии - до 1100С. Это объясняется чрезвычайно высокой плотностью оксида кремния, образовавшегося под воздействием высокой температуры и окружающей атмосферы в поверхностных слоях покрытия, что блокирует дальнейшее проникновение кислорода глубже в покрытие.

Для осаждения покрытия был выбран новый метод [5,6] Магнетронного Распыления Газо-импульсной Плазмой, отличающийся высокой производительностью (6-10 m/h), в условиях высокой ионизации атмосферы, которая запускает сложные химико-физические процессы, трудно реализуемые при использовании стандартных методов PVD [7-9]. Высокая производительность метода, как и дешевизна основного элемента (генератора импульсов), значительно удешевляет стоимость продукции, в сравнении, например, с технологиeй HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering [10,11]).

Высокая производительность метода является и основной проблемой при нанесении покрытий, именно она ведет к плохой адгезии между покрытием и подложкой.

В настоящей статье описано решение данной проблемы путем применения градиентного промежуточного слоя, постепенно меняющего свой химический состав, от подложки к основному покрытию, который имеет хорошую адгезию к соответствующим поверхностям.

В эксперименте использовался PVD аппарат, отличительными чертами которого являлись наличие замкнутого магнитного поля в камере создаваемого 4 прямоугольными несбалансированными магнетронами c размерами 264x111 мм. [12]. Другим важным отличием было наличие источника газовых импульсов, создающего магнетронные разряды с плазмой высокой плотности.

–  –  –

В качестве образцов были использованы диски 25 мм диаметром и 5 мм толщиной изготовленные из закаленной быстрорежущей стали Vanadis 23.

Для распыления применялись 2 мишени, сделанные из спеченных порошков титана и кремния (Ti+5.48 wt. % Si), а так же одна мишень из чистого Cr (4N).

В качестве газов, использовались аргон и азот, подаваемые короткими порциями, согласно заявкам на патент [5, 6].

Образец устанавливался в держателе, который нагревался до 450 С.

Данная температура поддерживалась постоянной в течение всего процесса.

Перед процессом нанесения покрытия из камеры откачивался воздух до 10 -4 Pa.

Так же перед процессом нанесения покрытия поверхность образцов отчищалась с помощью газового разряда с поляризацией до – 1000 В.

Целью первого эксперимента была проверка адгезии между нанокомпозитным покрытием nc-TiN/a-Si3N4 и подложкой из быстрорежущей стали.

Процесс нанесения покрытия протекал при следующих параметрах:

Поляризация подложки Bias -50V.

Давление процесса P = 0.1– 0.9 Pa Мощность, подводимая к магнетронам 4 kW Температура подложки T = 450 С Время процесса t = 1 час Целью второго эксперимента было улучшение адгезии между покрытием nc-TiN/a-Si3N4 и быстрорежущей сталью, за счет использования промежуточного покрытия, постепенно меняющего свой химический состав, начиная от чистого Cr, постепенно переходя в CrTiN и затем постепенно переходя в TiSiN. Описанные переходы осуществлялись за счет изДостижение высокой адгезии при высокоскоростном осаждении … менения интенсивности распыления соответствующих мишеней.

Процесс нанесения покрытия протекал при следующих параметрах:

Поляризация подложки Bias -50V Давление процесса P = 0.1– 0.9 Pa Мощность, подводимая к магнетронам 0- 4 kW Температура подложки T = 450 С Время процесса t = 1 час Характеризация покрытий осуществлялась при помощи оптического микроскопа, SEM микроскопа, тестирование царапанием с использованием индентора Роквелла С стиля.

Результатами тестирования первого покрытия с использованием теста царапанием:

Рис. 3. Морфология поверхности образца вблизи царапины.

Покрытие начинает отслаиваться при нагрузке 36.01N Рис. 4. Морфология поверхности образца вблизи царапины.

И. Ф. Прогальский, Б. Г. Вендлер, В. В. Тимофеев, Д. А. Филиппов Адгезия покрытия к быстрорежущей стали плохая. В большинстве случаев покрытие самопроизвольно отслаивается от подложки.

Результаты тестирования второго покрытия (с использованием промежуточного покрытия). Тест царапанием:

Рис. 5. График коэффициента трения f и акустической эмиссия AE как функции нормального нагружения F. Адгезия составляет 116 N Рис. 6. Морфология поверхности шлифованного поперечного сечения образца из быстрорежущей стали с сверхтвердым покрытием nc-TiN/a-Si3N4 и промежуточным покрытием Cr/CrN/CrN+TiN Достижение высокой адгезии при высокоскоростном осаждении … Рис. 7. Морфология поперечного сечения подложки из быстро режущей стали Vanadis 23 с сверхтвердым nc-TiN/Si3N4 нанокомпозитным покрытием и соответствующее ему SEM SE изображение системы покрытие/ подложка в направлении профиля линейного сканирования.

–  –  –

Достигнута хорошая адгезия покрытия к быстрорежущей стали Vanadis23 ( до 116N). Покрытие было осаждено с высокой производительностью – 10µм/ч Рис. 8. Образец сделанный из быстро режущей стали Vanadis 23 со сверхтвердым nc-TiN/Si3N4 нанокомпозитным покрытием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. S.Vepek, A. Niederhofer, K. Moto, P. Nesladek, H. Maennling and T.

Bolom Nanocomposites nc-TiN/a-Si3N4/a- & nc-TiSi2 with hardness exceeding 100 GPa and high fracture toughness // Materials Research Society Symposium - Proceedings 2000. – Vol. 581, p. 321-326 И. Ф. Прогальский, Б. Г. Вендлер, В. В. Тимофеев, Д. А. Филиппов

2. Vepek S., Hausmann M., Reiprich S., Shizi L., Dian J.: Novel thermodynamically stable and oxidation resistant superhard coating materials // Surface and Coatings Technology 1996. – v. 86-87 - 394-401

3. Vepek S., Vepek-Heijman M.G.J., Zhang R.: Chemistry, physics and fracture mechanics in search for superhard materials and the origin of superhardness in nc-TiN/a-Si3N4 and related nanocomposities // J. Physics and Chemistry of Solids 2007. – Vol. 68, p. 1161-1168

4. Huang P.-K., Yeh J.-W.: Inhibition of grain coarsening up to 1000 0C in (AlCrNbSiTiV)N superhard coatings // Scripta Materialias 2010. – Vol.

62. - p. 105-108.

5. B. Wendler, I.F. Progalskiy et al., patent application P-399606 submitted to the Polish Patent Office.

6. B. Wendler, I.F. Progalskiy et al., patent application P-400018 submitted to the Polish Patent Office.

7. Wendler B. et al.: A method of creation of high density gas discharge plasma for substrate cleaning and coatings’ deposition. Patent application No. P-391523 submitted to the Polish Patent Office the 15th of June 2010.

8. B. Wendler, T. Moskalewicz, I.F. Progalskiy, W. Pawlak, M. Makowka,

K. Wlodarczyk, P. Nolbrzak, A. Czyrska-Filemonowicz and A. Rylski:

Hard and superhard nanolaminate and nanocomposite coatings for machine elements based on Ti6Al4V alloy// J. Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2010. – Vol. 43, №. 1 p. 455-462.

9. B. Wendler, I.F. Progalskiy: New type HIPIMS reactive magnetron deposition of superhard nanocomposite nc-TiN/a(nc)-SixNy coatings.

10.V. Kuznetsov, K. Macak, J.M. Schreiber, U. Helmersson, I. Petrov: A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities. Surface and Coatings Technology 122 (1999) 290-293.

11.A.P. Ehiasarian: High-power impulse magnetron sputtering and its applications. Pure and Applied Chemistry Vol. 82 Iss. 6 (2010) 1247-1258.

12.Kim K.H., Choi S.-R., Yoon S.-Y.:Superhard Ti-Si-N coatings by a hybryd system of arc ion plating and sputtering techniques// Surface and

Похожие работы:

«СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО I'•I ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: • очистка • матирование • активация поверхности • создание шероховатости • удаление грата • формообразование • профилирование поверхности • наклеп РУЧНЫЕ...»

«Castelfidardo 2015 “Castle is secret” is not just a traditional nursery rhyme that describes the essence of some of the most important towns of the Marche. Secret because almost hidden among the hills near the Riviera del Conero, a few kilometers away from Loreto, a faith capital and from Recanati, a culture capital. Castelfidardo is the capita...»

«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОНЦЕНТРАТА УГЛЕМ Н. Бэх-Очир Монгольский государственный университет науки и технологии, г. Улан-Батор, Монголия СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ...»

«СОЦИАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА УДК 316.346.32-053.9 И. А. Шмерлина "ЛИБЕРАЛИЗАЦИЯ СТАРЕНИЯ": ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИЛЛЮЗИИ И ЭМПИРИЧЕСКИЕ "АНОМАЛИИ" (Часть II) ШМЕРЛИНА Ирина Анатольевна — кандидат философских наук, ведущий научный сотрудник Центра методологии федеративных исследований РАНХиГС при Президенте РФ; старший научный со...»

«Public Обзор изменений законодательства, реализованных в SAP ERP HCM в 2016 году. Обзор процесса взаимодействия с клиентами Светлана Ряховская, SAP 15.11.2016 Ответственность Информация в данной презентации является конфиденциальной, является собственностью SAP и не может быт...»

«В. Л. Павлов ФИЛОСОФСКАЯ ЦЕННОСТЬ "РУССКОЙ ПРАВДЫ" ПАВЛА ПЕСТЕЛЯ Одной из особенностей декабристского движения в России в первой четверти XIX в. было повышенное внимание его организаторов и руководителей к разработке программных документов тайных декабристских общ...»

«European Journal of Molecular Biotechnology, 2014, Vol.(3), № 1 Copyright © 2014 by Academic Publishing House Researcher Published in the Russian Federation European Journal of Molecular Biotechnology Has been issued s...»









 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.