Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ PVD-ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА

Кононов Д.М. 1 Жданов А.В. 1 Королев А.Н. 2
1 Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
2 НПФ «Элан-Практик»
В статье представлены результаты экспериментов по изучению физико-механических свойств наноструктурированных композитных антифрикционных PVD-покрытий на основе углерода, полученных методом магнетронного распыления. Испытания проводились с помощью индентирования, скратч-тестирования и трибоиспытаний на оборудовании фирмы CSM (Швейцария). В статье приводится методика проведения экспериментов, и сравниваются результаты для трех наноструктурированных покрытий (AlSiCr)C:H; (AlSiTi)C:H и СrN/CNx. В ходе исследований показано, что исследуемые покрытия имеют физико-механические свойства, уступающие свойствам традиционных покрытий по модулю упругости и твердости, однако обладают высокими трибометрическими характеристиками и низким коэффициентом трения от 0,02 до 0,06 у покрытий на основе C:H. Даются рекомендации по использованию данных покрытий на практике для пар трения и исполнительных механизмов с фрикционным характером зацеплений.
PVD-покрытия
нанострукутрированные покрытия
экспериментальные исследования
физико-механические свойства
скратч-тестирование
индентирование
трибоиспытания
1. Левашов Е.А. Обеспечение единства измерений физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей // URL: http://www.galvanicworld.com/netcat_files/899/750/h_9e07867a656af04723527438d4d9c9c5.
2. Лунёв В.М., Немашкало О.В. Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения // ФІП ФИП PSE, 2010. Т. 8, № 1. С.64-71.
3. Морозов В.В., Сысоев Э.П. Нанотехнологии в керамике: монография: В 2 ч. Ч.2. Нанопленки, нанопокрытия, наномембраны, нанотрубки, наностержни, нановолокна / Владим. гос.ун-т. Владимир: Изд-во Владим. гос.ун-та, 2011. 167 с.
4. Сутягин В.В., Сайкин С.А. Повышение ресурса концевого инструмента за счет применения нанокомпозитных PVD-покрытий при обработке титановых сплавов в авиастроении // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. №5. С.41-44.
5. Veprek S., Veprek-Heijman M.G.J, Karvankova P., Prochazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposites. Thin Solid Films 2005;476. P.1-29.
Наноструктурированные покрытия на основе углерода представляют особый интерес в плане практического использования в инструментах для высокоскоростной обработки, в парах трения исполнительных механизмов и подвижных опор, в эндопротезах и изделиях медицинской техники [1], В литературе встречаются противоречивые сведения о физико-механических характеристиках таких покрытий, что делает невозможным их полноценное индустриальное использование в готовых изделиях [1-5], поэтому экспериментальные исследования таких покрытий с использованием зарубежных стандартов являются актуальными и практически значимыми. Свойства, структуру и адгезию PVD-покрытий определяет целый ряд факторов: степень ионизации, скорости и плотности потока напыляемых частиц, оптимизация температуры нанесения покрытий, применение ионной очистки подложки, ускоряющих напряжений, смещения и др. Само по себе наличие в составе покрытия твердого химического элемента (углерода С) не может являться гарантией повышения износостойкости. Различные режимы нанесения, конфигурация технологической оснастки, проведение предварительного ионного травления или легирования и многие другие особенности определяют структуру самих покрытий и строение межфазной границы «покрытие-подложка» и свойства покрытий.

Для сравнительных экспериментов были использованы наноструктурированные покрытия на основе углерода (AlSiCr)C:H; (AlSiTi)C:H; СrN/CNx, полученные НПФ «Элан-Практик» (г. Дзержинск), нанесенные на диск (Ø 20 х 5 мм) из стали 40 Х. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании CSM (Швейцария) методами индентирования, скратч-тестирования и трибоиспытания. Ниже приводятся основные результаты.

Испытания по индентированию проводились на наноиндентометре «CSM Микро скратч-тестер» с применением алмазного индентора Виккерса. Испытания проходили по следующей методике: 1) закрепление испытуемого образца на приборе; 2) задание основных настроек режима индентирования; 3) проведение индентирования; 4) получение фотографий следа индентирования; 5) анализ результатов. Эксперименты проводились при различных уровнях нагрузки для каждого образца от 50 до 100 мН. Приложение нагрузки осуществлялось до определенного уровня (50 мН), далее выполнялась выдержка в течение ограниченного периода времени при этом уровне нагрузки и разгрузка (рис.1). Для каждого образца выполнялась серия испытаний с целью определения следующих параметров: инденторная твердость (Hit), твердость по Виккерсу (HV), приведенный модуль упругости (E*), инденторный модуль упругости (Eit). Программное обеспечение позволило в автоматическом режиме обрабатывать результаты и строить по методике Оливера - Фарра диаграммы «нагрузка - глубина проникновения». Количественная оценка исследуемых покрытий проводилась на основе этих кривых (рис. 1) и отпечатков индентирования. На рис. 2 представлен пример отпечатка размером 3 х3 мкм, в табл.1 приведены средние значения физико-механических характеристик для исследуемых образцов.

а) (AlSiCr)C:H

б) (AlSiTi)C:H

в) СrN/CNx

Рис. 1. Кривые индентирования при максимальной нагрузке 50мН

Рис. 2. Отпечаток следа индентирования (х50)

Таблица 1. Результаты измерений по индентированию

Покрытие

Физико-механические характеристики

Hit, ГПа

Eit, ГПа

E*, ГПа

HV

(AlSiCr)C:H

23.94

221.62

243.5

2263.3

(AlSiTi)C:H

19.12

145.70

160.4

1802.8

СrN/CNx

22.27

283.04

311.0

2102.4

Испытания по методу скратч-тестирования проводились на наноиндентометре «CSM Микро скратч-тестер» с применением алмазного индентора Роквелла и линейного царапания. По результатам делается вывод о критической нагрузке, при которой покрытие начинает откалываться от подложки. Испытания проходили по следующей методике: 1) закрепление испытуемого образца на приборе; 2) предварительное сканирование поверхности и определение ее профиля; 3) задание параметров скратч-тестирования в настройках; 4) проведение скратч-теста; 5) построение панорамного снимка следа царапины; 6) анализ результатов. Программное позволило в автоматическом режиме обрабатывать полученные диаграммы «нагрузка - глубина проникновения - сигнал акустической эмиссии». Параметры скратч-тестирования были одинаковыми для всех образцов: начальная нагрузка 0,1 Н, конечная нагрузка - 15 Н; скорость нагрузки - 8.94 Н/мин; сканирующая нагрузка - 0,03 Н; скорость сканирующей нагрузки - 2 мм/мин; длина измерения  - 5 мм; радиус индентора - 100 мкм. На рис. 3 представлены результаты скратч-тестирования. Числовые значения скратч-тестов показаны в табл. 2.

следы царапания

Графики нагрузки при скратч-тестировании

а) (AlSiCr)C:H

б) (AlSiTi)C:H

в) СrN/CNx

Рис. 3. Результаты скратч-тестирования

Таблица 2. Результаты скратч-тестирования и трибометрирования

№ опыта

Нагрузка, при которой образуется первый скол, Н

Значение коэффициента трения

(AlSiCr)C:H

5,83

0.02

(AlSiTi)C:H

6,64

0.06

СrN/CNx

3,85

0.46

Испытания по трибологии проводились по следующей методике: 1) закрепление испытуемого образца на подвижном столике; 2) наладка подвижной штанги и закрепление на ней вращающегося шарика-индентора; 3) установка параметров испытания (материал, скорость движения образца, усилие прижатия шарика, температура окружающей среды, время испытания и т.д.); 4) проведение испытаний; 5) получение графиков нагрузки, глубины истирания и коэффициента трения; 6) исследование дорожки износа и анализ полученных результатов. Испытания всех трех покрытий проходили при следующих одинаковых параметрах: диаметр дорожки - 11 мм, нагрузка на образец - 10 Н, скорость образца - 20 смсек, пройденный путь - 300 м, материал контртела - сталь ШХ 15, геометрия контртела - шар диаметром 6 мм. Графики изменения коэффициента трения для исследуемых покрытий представлены на рис. 4, средние значения коэффициента трения - в табл.2.

а) (AlSiCr)C:H

б) (AlSiTi)C:H

в) СrN/CNx

Рис.4. Графики изменения коэффициента трения, полученные в результате трибологических испытаний

Анализ экспериментальных результатов показывает, что твердость исследуемых покрытий не высока, составляет от 1802 до 2263 единиц по шкале HV, и уступает известным покрытиям, даже не содержащим углерод (например, традиционные покрытия TiN - 2900, TiAlN - 3200). Модуль упругости у исследуемых покрытий составляет невысокие значения: (AlSiCr)C:H - 243.5 ГПа, (AlSiTi)C:H - 160.4 ГПа, СrN/CNx - 311.0 ГПа (для сравнения: TiN - 361 ГПа, TiAlN - 650 ГПа). Для исследуемых углеродосодержащих покрытий выявлена хорошая адгезия. Наилучшая адгезия наблюдается у исследуемых покрытий на основе С: Н. Так у покрытия (AlSiCr)C:H нагрузка, при которой образуется первый скол выше, чем у покрытия СrN/CNx в 1,51 раза, а для покрытия  (AlSiTi)C:H  - в 1,72 раза. Проведенные трибологические испытания обнаружили низкие значения коэффициента трения для покрытий на основе С: Н. Так для покрытия (AlSiCr)C:H коэффициент трения - 0,02, а для (AlSiTi)C:H - 0,06 (для сравнения TiN, TiAlN на порядок больше). Именно низкие значения коэффициентов трения позволяют предложить использовать покрытия (AlSiCr)C:H (AlSiTi)C:H в трущихся парах трения и исполнительных механизмах.

Рецензенты:

  • Гоц А.Н., д.т.н., профессор, профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир.
  • Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, заместитель главного конструктора по испытаниям ООО «ВМТЗ». г. Владимир.

Библиографическая ссылка

Кононов Д.М., Жданов А.В., Королев А.Н. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ PVD-ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=5252 (дата обращения: 27.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074