БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Трибологические свойства вакуумно-плазменных покрытий (Ti,Zr)N, осажденных при различных значениях опорного напряжения
студента 4-го курса
Эйзнера А.Б.
Приходько Ж.Л.
Минск 2002 г.
Аннотация
В работе исследуются структура и механические свойства тройных нитридных покрытий (Ti,Zr)N, сформированных методом конденсации с ионной бомбардировкой при варьировании опорного напряжения на подложке. Методом рентгенографического анализа исследованы структура и фазовый состав покрытий. Изучена морфологии поверхности при помощи растрового электронного микроскопа LEO-1495. Исследованы механические свойства покрытий.
Оглавление
Введение........................................................................................ 4
1. Литературный обзор............................................................... 5
1.1. Методы нанесения износостойких покрытий.............. 5
1.2. Зависимость свойств покрытий от структуры.......... 10
2. Методика эксперимента........................................................ 15
2.1. Объекты исследования............................................... 15
2.2. Рентгеноструктурный анализ.................................... 15
2.3. Измерение микротвердости....................................... 16
2.4. Трибологические исследования................................. 17
3. Результаты и их обсуждения................................................ 19
3.1. Рентгеноструктурный анализ образцов.................... 19
3.2. Исследования механических свойств покрытий....... 23
Выводы....................................................................................... 27
Список литературы.................................................................... 28
Введение
Одними из наиболее важных параметров, определяющих эксплуатационные качества режущего инструмента, являются его работоспособность и производительность. Обеспечить максимизацию этих параметров, значит повысить скорость работы инструмента, сэкономить дорогостоящий материал, энергию и трудовые ресурсы.
Эксплутационные характеристики режущего инструмента могут быть повышены благодаря такому изменению поверхностных свойств инструментального материала, при котором контактная поверхность инструмента будет наиболее эффективно сопротивляться абразивному, адгезионному, коррозийно-окислительному и другим видам износа как при комнатной, так и при повышенной температурах. Так же инструментальный материал должен обладать достаточным запасом прочности при сжатии, изгибе, приложении ударных нагрузок. Большинство инструментальных материалов обладают лишь несколькими из указанных выше свойств, что резко снижает их область применения.
Со временем из большинства методов, применяемых на производстве для упрочнению поверхностных слоев режущего инструмента, на первый план вышли те из них, которые были связаны с нанесением на поверхность инструмента покрытий из твердых соединений.
Первоначально для увеличения производительности и времени работы режущего инструмент использовались твердые покрытия на основе простых бинарных материалов, такие как TiN, CrN, и ZrN. Однако, со временем, изучались и использовались более сложные материалы, включая многослойные покрытия и тройные материалы, в частности Ti(C, N), (Ti, Zr)N и (Ti, Al)N.
1. Литературный обзор
1.1. Методы нанесения износостойких покрытий
Процесс нанесения покрытия на поверхность режущего инструмента определяется как свойствами материала покрытия и инструмента, так и спецификой протекания процессов формирования покрытия. Исходя из выше сказанного, все методы нанесения покрытий можно разделить на две группы.
В первую группу входят методы химического осаждения покрытий из парогазовой фазы (ХОП) [1]. Формирование покрытия осуществляется вследствие химических реакций между парогазовыми смесями, состоящих из соединения металлоносителя и носителя второго компонента, являющегося как газотранспортером, так и восстановителем. В процесс формирования покрытия вносят вклад и структура поверхности инструментального материала, и гетеродиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. Этот метод применяется при нанесении покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов титана, оксида алюминия. Метод ХОП реализуется при температурах 1000-1100 оС, этот факт исключает возможность нанесения покрытий данным методом на инструменты из быстрорежущих сталей, которые были подвергнуты термической обработке [2].
Существует ряд недостатков метода ХОП:
- взрывоопасность и токсичность водорода, как газа-носителя
- наличие большего количества непрореагировавших компонентов
- сложность технологического оборудования
- внутреннее напряжение в слое покрытия
- невозможность нанесения покрытия на инструмент, имеющий острые режущие кромки
Вторая группа – это методы физического осаждения покрытий (ФОП) [1]. К этим методам относятся: метод получения тонких пленок распылением
материалов ионной бомбардировкой (РИБ); метод генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением (МТИ).
Суть метод РИБ состоит в следующем:
1) В вакууме, под действием ионизирующего излучения заданной энергии, осуществляется бомбардировка материала, формирующего покрытие (мишень), что приводит к частичной или полной его ионизации. В качестве данного материала могут выступать металлы (включая тугоплавкие), сплавы (в том числе и многокомпонентные), полупроводники.
2) Происходит ионное распыление, то есть ионы материала падают на рабочую поверхность режущего инструмента (подложку), тем самым, производя процесс формирования покрытия.
Данный метод реализуется при давлениях 1-10 Па и напряжениях 0,3-5 кВ.
Возможны два метода ионного распыления: ионно-лучевое и плазмоионное распыление. При ионно-лучевом распылении выбивание атомов мишени происходит под действием бомбардировки ее поверхности ионными лучами определенной энергии. Тут не требуется подача на мишень отрицательного потенциала.
При плазменном распылении мишень из распыляемого материала находится в сильно ионизированной плазме под отрицательным потенциалом и играет роль катода. Положительные ионы под действием электрического поля вытягиваются и бомбардируют мишень, вызывая ее распыление.
Существуют следующие разновидности плазменного распыления: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельном газовом разряде.
Катодное распыление. Метод осуществляется следующим образом.
Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивается до давления 10-4 Па, после чего производится напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которого является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки.
Данный метод распыления может быть осуществлен и по другой схеме – диодной схеме распыления, отличительным признаком которой является то, что при распылении катод является как источником распыляемого материала, так и источником электронов, поддерживающих разряд, анод также принимает участие в создании заряда, одновременно являясь подложкодержателем.
Преимущества метода катодного распыления в следующем:
- безынерционность процесса
- низкие температуры процесса
- возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)
- сохранение стехиометрического исходного материала при напылении
- возможность получения равномерных по толщине пленок
Метод имеет недостатки:
- низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)
- загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях
- низкая степень ионизации осаждаемого вещества
Магнетронное распыление. Является разновидностью метода нанесения тонких пленок на основе тлеющего разряда. Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распыления диодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхности мишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно Ar), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда.
В магнетронной распылительной системе катод (мишень) помещается в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Магнитное поле позволяет локализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени.
Суть метода состоит в следующем, в систему анод-катод подается постоянный электрический ток (2-5 А), который приводит к возникновению между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) неоднородного электрического поля и возбуждению аномального тлеющего разряда. Электроны, выбитые из катода под действием ионной бомбардировки, подвергаются воздействию магнитного поля, возвращающего их на катод, с одной стороны, с другой – поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Это приводит к тому, что электроны совершают сложное циклическое движение у поверхности катода. При движении электроны многократно сталкиваются с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к возрастанию интенсивности ионной бомбардировки мишени, а следовательно и к возрастанию скорости распыления.