ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ 13
1.1 Классификация износостойких покрытий 13
1.2 Свойства износостойких покрытий 15
1.3 Методы модификации поверхностного слоя перед нанесением износостойких
покрытий 22
1.3.1 Азотирование в плазме дугового разряда 22
1.3.2 Ионная имплантация 24
1.4 Методы получения износостойких покрытий 25
1.4.1Методы химического осаждения покрытий из парогазовой фазы 26
1.4.2Методы физического осаждения покрытий 27
1.5 Постановка задачи и цели работы 30
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТА 31
2.1 Материалы исследования 31
2.2 Оборудование и методы легирования подложки 32
2.2.1 Конструкция и параметры имплантера 32
2.2.2 Конструкция и параметры генератора газоразрядной плазмы «ПИНК» 34
2.3 Состав оборудования для вакуумно-дугового метода получения износостойких
покрытий и особенности его рабочих параметров 35
2.3.1. Экспериментальная установка для создания нитридных износостойких покрытий,
включая многокомпонентные, методом вакуумно-дугового распыления 35
2.3.2. Конструкция катодного узла дугового испарителя с криволинейным устройством
для фильтрации капельной составляющей плазменного потока и его характеристики 37
2.3.3. Параметры катодов испарителя для получения покрытий 39
2.4 Метод исследования состава поверхностных слоев экспериментальных образцов 40
2.5 Методы исследования физико-механических свойств покрытий 42
2.5.1 Методики определения твердости 42
2.5.1.1. Статический метод определение твердости по Кнупу 42
2.5.1.2 Динамический метод определение твердости 43
2.5.2 Методика определения толщины покрытия методом Calotest 46
2.5.3 Определения адгезионной прочности методом Scratch-test 47
Выводы ко второму разделу 48
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА ВК8 49
3.1 Легирование поверхности инструментального сплава ВК8 высокоэнергетичными
ионами и в газоразрядной плазме 49
3.1.1. Особенности процессов легирования экспериментальных подложек в вакууме с
помощью ионных пучков 49
3.1.2. Этапы и параметры легирования поверхности экспериментальных образцов в
низкотемпературной плазме азота 51
3.1.3. Глубина и химический состав легированных слоев сплава ВК8 после ионной
обработки 52
3.1.4. Результаты исследования параметрических и физико-механических свойств
поверхности сплава ВК8 до и после легирования 56
3.1.5. Эволюция твердости приповерхностных слоев сплава ВК8 после ионной обработки
61
3.2. Формирование износостойких нитридных пленок на легированных подложках 61
3.2.1. Основные этапы и технологические параметры вакуумно-дуговых процессов при формировании покрытий многокомпонентных систем на основе титана 61
3.3. Эволюция твердости приповерхностных слоев сплава ВК8 после нанесения покрытий
64
Глава 4. МОРФОЛОГИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ TiN, nc-TiN И TiAlN 65
4.1 Морфология поверхности образцов покрытием TiN, nc-TiN и TiAlN 65
4.2 Тестирование адгезионной прочности покрытий с помощью скретч-теста 68
4.3 Физико-механические свойства покрытий 74
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 79
5.1 Предпроектный анализ. Потенциальные потребители результатов исследования 79
5.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения 80
5.1.2 SWOT-анализ 82
5.1.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 84
5.1.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 85
5.2 Инициация проекта 85
5.3 Планирование управления научно-техническим проектом 88
5.3.1 Иерархическая структура работ проекта 88
5.3.2 Контрольные события проекта 88
5.3.3 План проекта 89
5.3.4 Бюджет научного исследования 91
5.3.5 Матрица ответственности 93
5.3.6 Реестр рисков проекта 94
5.3.7 Оценка сравнительной эффективности исследования 95
Вывод к пятому разделу 96
ГЛАВА 6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 99
6.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой производственной среды 100
6.1.1 Метеоусловия 100
6.1.2 Вредные вещества 102
6.1.3 Производственный шум 103
6.1.4 Расчет уровня шума 105
6.2 Освещенность 106
6.3 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной среды 110
6.3.1 Факторы электрической природы 110
6.3.2 Электробезопасность 111
6.4 Давление 114
6.5 Факторы пожарной и взрывной природы 118
6.6 Охрана окружающей среды 124
6.7 Защита в ЧС 124
6.8 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 125
Вывод к шестому разделу 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
Список публикаций студента 129
Список литературы 130
Приложение А 135
В современной технике существует большое количество составов и способов организации защитных покрытий. Защитные покрытия наносят на функциональные поверхности режущего инструмента и разнообразные конструктивные элементы взаимодействующих деталей машин. Суть заключается в том, что на рабочие поверхности деталей, подвергающихся повышенным нагрузкам, в частности, режущего инструмента, наносят покрытия толщиной несколько микрометров определенного состава, которые обеспечивают их более долгую службу, чем мог бы служить исходный инструментальный материал. Таким образом, инструментальный материал с износостойким покрытием следует рассматривать как композиционный. В нем должны одновременно сочетаться высокая твердость, тепло- и коррозионная стойкость и другие полезные качества поверхностного слоя с прочностью, ударной вязкостью, трещиностойкостью и др. параметрами, присущими формообразующему объемному телу.
Качество, производительность и стоимость получения тонкопленочных структур зависят от способов и устройств нанесения покрытий. По этому вопросу ведутся углубленные исследования как за рубежом, так в отечественных отраслевых институтах, университетах и академических учреждениях. Сегодня разработаны несколько таких методов и приборов, которые различаются по типу источников генерации атомарного потока вещества для синтеза покрытий. Как правило, все они основаны на применении, так называемых, концентрированных источников энергии. Это может быть плазма, электрическая дуга, лазер или электронный пучок. В этих источниках из-за высокой плотности энергии, достигающей 10 Вт/см , очень быстро происходят процессы нагрева, плавления, испарения, химического синтеза и разнообразных фазовых превращений в материалах. Благодаря этим уникальным процессам удается легко наносить покрытия и синтезировать материалы такие, которые или не существуют в природе, или их невозможно сформировать другими методами.
В этом направлении особый интерес представляют вакуумные ионноплазменные покрытия на основе химических соединений металлов с реактивными газами. Одним из наиболее перспективных методов синтеза наряду с магнетронным распылением является вакуумно-дуговой. Этот метод позволяет достаточно легко управлять структурой, составом покрытий, физико-механическими свойствами, за счет изменения температуры подложки, напряжения смещения и парциального давления реакционного газа. Поток плазмы, получаемый в электродуговом источнике, является сильно ионизованным. Степень ионизации для ряда материалов приближается к 100%. Плазма содержит значительное количество двух- и трехкратно ионизованных частиц. Это существенное преимущество перед источниками, основанными на явлениях распыления (в том числе магнетронного) и испарения (электронным или лазерным лучом и т.д.) материала, где потоки вещества имеют малую степень ионизации. Кроме того, этот метод считается наиболее производительным из всех существующих.
Однако, не смотря на достигнутые успехи в плане поиска перспективных составов и методов нанесения функциональных покрытий, существуют определенные ограничения в случае практической реализации результатов теоретического материаловедения. Использование таких материалов на практике, когда с одновременно резким расширением их ассортимента произошла переоценка требований к их параметрам, сопряжено с необходимостью исследования их теплофизических, механических, химических и других свойств, поскольку они могут существенно отличаться от свойств материалов реальных изделий, на которые их наносят. На сегодняшний день в области получения надежных износостойких систем с большим ресурсом работоспособности остаются открытыми вопросы выбора материала покрытия и подложки, их кристаллохимической и термомеханической совместимости, толщины и количества слоев упрочняющей пленки, подготовки поверхности подложки перед осаждением.
Для успешного применения той или иной технологии получения покрытия определенного состава необходимы разработки, нацеленные на установление взаимосвязи между параметрами осаждения, составом и свойствами материалов, как покрытия, так и подложки.
Основной причиной малой эффективности применения нового класса износостойких покрытий является их низкая стойкость и разрушение в результате слабой адгезии с формообразующим телом. Для преодоления этих проблем в данной работе был применен комплексный подход, заключающийся в целенаправленном изменении физико-химических параметров подложек одного состава в результате легирования и последующем нанесении на них вакуумно-дуговым методом нитридных покрытий на основе титана с добавлением меди и алюминия в распыляемый катод. Легирование поверхности подложек различными элементами на небольшую глубину осуществляли с использованием ионных потоков, генерируемых газоразрядной плазмой и высоковольтным ускорителем.
Лабораторный анализ элементного состава и физико-механических свойств поверхностей с тонкими модифицированными слоями является сложной задачей, из-за возникновения большого числа факторов, затрудняющих однозначное толкование измеряемых параметров, находящихся в микро- и нанометровом диапазонах. Для определения и измерения этих свойств требуется современное оборудование, предназначенное для исследования тонкопленочных и слоистых материалов. В настоящей работе с использованием методов Оже-электронной спектроскопии, микро- и наноиндентирования, скретч-тестирования были определены состав легированных слоев и такие свойства покрытий, как толщина, твердость, модуль упругости, упругое восстановление и адгезия. Особое внимание в работе уделяется сопоставлению адгезионной стойкости покрытий с их упругопластическими характеристиками, сформированными в результате разных условий получения. В этом случае определяющим фактором являются не только электрофизические параметры процесса, обуславливающие различные закономерности формирования эксплуатационных свойств покрытий, получаемых из одного и того же материала распыляемого катода, но и параметры материала подложки в области контакта с конденсирующимся слоем нитридной пленки.
В связи с перечисленными проблемами тематика настоящей работы, направленная на изучение влияния граничных условий при формировании вакуумно-дуговым методом тонкопленочных износостойких покрытий с необходимыми физико-механическими характеристиками, является, безусловно, актуальной.
В данной работе содержится анализ необходимых для понимания механизмов повышения трещиностойкости и функциональной прочности вакуумных ионно-плазменных износостойких покрытий на основе нитрида титана, в зависимости от легирования в поверхностные слои подложки различных элементов. На примере покрытий TiN, nc-TiN и TiAlN, нанесенных вакуумно-дуговым методом получены экспериментальные данные, по которым можно сделать следующие выводы:
1) Предварительно легированные образцы из твердого сплава ВК8 имеют различные физико-механические характеристики и элементный состав поверхностных слоев. Концентрация имплантированных элементов (Ti, Cr, Zr) не превышает 5 ат.% и отслеживается на глубине до 300 нм; предварительное легирование различными элементами, одного и того же материала подложки, изменяет его физико-механические свойства и влияет на формирование характеристик покрытия, получаемых вакуумно-дуговым методом
2) Наибольшие значения микротвердости поверхности образцов из сплава ВК8 было обнаружено после их азотирования и легирования Cr.
3) По данным наноиндентирования образцы имплантированые Ti и Cr имеют наибольшие значения модуля упругости и нанотвердости, что свидетельствует о высоком напряженном состоянии поверхностных слоев. Наихудшей адгезионной прочностью обладают покрытия TiN и nc-TiN.
4) Экспериментальные данные свидетельствуют, что адгезионная прочность пленок на подложках разного состава, тем выше, чем больше величина отношений величин H/E и H /Е .
5) Исходя из визуальных наблюдений, можно сделать вывод, что наихудшею адгезионную прочность имеют покрытия TiN и nc-TiN осажденные в плазме дугового разряда на азотированную подложку твердого сплава.
6) Использование в качестве легирующих элементов Ti и Сг, не привело к значительным улучшениям прочностных и физико-механических свойств исследуемых покрытий. Но явно продемонстрировало, что при выборе состава защитного покрытия следует внимательно подходить к выбору легирующего элемента подложки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
