Характеристики одноэлементных, однослойных покрытий

6.2.2.    Характеристики одноэлементных, однослойных покрытий.

Характеристики однослойных покрытий, создаваемых на основе вышеуказанных соединений, зависят не только от физико-химических свойств данных соединений, но также и от ряда других факторов, к которым относятся: однородность покрытия, его пористость, толщина, метод нанесения на рабочую поверхность. Последний из факторов играет наиболее значимую роль, определяя предшествующие ему факторы (табл.1,2) [3].

Таблица 1

Твердость некоторых карбидовых покрытий, полученных различными способами.

 

Соединение	Метод	Микротвердость, кгс/мм2
TiC	МТИ	2500-3000 3000-5500
	РИБ	2400
	ХОП	3350-3600 4500
Cr7C3	МТИ	2200
	ХОП	1900-2200

 

Таблица 2

Твердость некоторых нитридных покрытий, полученных осаждением из паровой и газовой фазы.

Соединение	Метод	Микротвердость, кгс/мм2
TiN	МТИ	1900-2800
	РИБ	1400-4000 1900
	ХОП	1900-2400
CrN	РИБ	3500

Если рассматривать МТИ, то микроструктура покрытий, получаемых этим методом (Al₂O₃, TiC, ZrC и др.) непосредственно зависит от температуры конденсации. При температуре менее 600-700 ^оС структура состоит из мелкозернистых волокон диаметром ~ 10 нм, разделенных тонкой сеткой пор шириной ~ 1 нм. При 700-1000 ^оС величина зерна достигает в диаметре 1 мкм [3].

Твердость покрытия зависит от парциального давления реактивного газа, температуры подложки и потенциала на подложке. Так например, твердость TiC достигает 3000 кгс/мм² при парциальном давлении реактивного газа ~ (1.1¸1.3)×10^-3 мм рт. ст., температуре подложки 650 ^оС и потенциале на подложке 0¸50 В.

На рис.5 показано влияние парциального давления азота и потенциала на подложке на микротвердость покрытий из TiN и CrN, полученных осаждением в разряде с полым катодом [3].

Если рассматривать метод РИБ, то в [3] отмечается, что в зависимости от параметров процесса при магнетронном распылении покрытие TiN_x (x меняется от 1 до 0.6) может иметь микротвердость от 1400 до 4000 кгс/мм² (при температуре подложки 300-330 ^оС).

Зависимость микротвердости TiN от парциального давления азота так же, как и при МТИ, имеет явно выраженный максимум (рис.6).

Давление реакционного газа непосредственное влияние оказывает и на микротвердость однослойных покрытий типа MN_x и MC в процессе их формирования. Из Рис.7 видно, что с увеличением давления реакционного газа, микротвердость покрытий возрастает, так как поступление большего объема реактивного газа способствует более полному протеканию плазмохимических реакций. Но при дальнейшем увеличении давления микротвердость покрытия снижается, что обусловлено образованием покрытий, имеющих в своем составе повышенную концентрацию химических элементов реакционного газа, приводящих к дефектности структуры и снижению микротвердости [6].

На рис.8 показано влияние давления аргона, в процессе ионного осаждения, на однородность однослойного покрытия (соотношение между толщиной покрытия на передней и задней поверхностях подложки) [3].

Зависимость свойств покрытия от условий его получения можно продемонстрировать и на наибольшее распространенном в качестве

однослойного карбидного покрытия - TiC. На рис.9 приведены данные по

износостойкости хромистой стали и покрытий TiC (покрытие получено вакуумно-дуговым методом), нанесенных при давлениях С₂Н₂ – 0.17 Па (TiC 1) и 0.27 Па (TiC 2) при напряжении на подложке 200 В [9].

Величина К есть удельная скорость изнашивания покрытия,

определяется выражением:

∆V

K = ———— (1)

F × ∆L

В (1), ∆V есть приращение объемного износа покрытия на пути трения ∆L, а F- нагрузка. В [9] установлена зависимость удельной скорости изнашевания от потенциала на подложке (рис.10). Из рисунка видно, что при напряжении 150 В величина К имеет минимум. Это, по-видимому, определяется плотностью покрытия и его адгезионной прочностью.

Микротвердость покрытия непосредственно определяется и концентрацией реактивного газа, учавствующего в процессе его формирования. Так на рис.11 показана зависимость микротвердости покрытий TiN_x от расхода азота при магнетронном распылении, при величине полезной мощности равной 2 кВт [4].

Изменение расход азота влияет не только на микроструктуру осаждаемых пленок TiN_x , но так же и на другие свойства пленок, например, на их удельное сопротивление R_s (рис.12), велечина полезной мощности равна 3 кВт. Из рисунка видно, что величина R_x пленок TiN_x увеличивается при увеличении расхода азота подобно микротвердости. Максимальное значение удельного сопротивления пленок TiN_x приблизительно в пять раз больше, чем для пленок титана [4].  

В табл.3 приведены характеристики различных видов одноэлементных покрытий. Из таблицы видно, что карбидные покрытия по своей сути наиболее твердые и жаростойкие, обладают высокой адгезией с материалом инструмента.

Нитридные покрытия более пластичны и менее хрупкие, чем карбидные. Наименее твердыми и наиболее хрупкими из покрытий являются оксиды, но по своим коррозионным свойствам они превосходят карбидные и нитридные покрытия.

Таблица 3

Физические свойства различных представителей одноэлементных износостойких покрытий.

Свойства	Материал покрытия
	TiC	TiN	Al2O3
Точка плавления, оС Плотность, кг/м3 Микротвердость, Мпа Модуль упругости, Гпа  Коэффициент линейного расширения, град-1 Вязкость разрушения, МПа×м1/2	3140 4930 32000 313.7 7.4×10-6 2.2	2930 5210 21600 250.28 9.4×10-6 3.4	2015 3970 21000 361.29 8.3×10-6 ---