Введение 10
1 Применение, основные характеристики и методы получения
многокомпонентных износостойких покрытий TiAlSiN 12
1.1 Назначение и область применения пленок состава TiAlSiN 13
1.2 Способы и оборудование для формирования многокомпонентных
износостойких покрытий на различные материалы 15
1.3 Свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий на основе системы
TiAlSiN 21
1.4 Особенности исследования физико-механических характеристик тонких
нанокристаллических покрытий 24
1.5 Цель работы и постановка задачи 24
2 Материалы, методы и экспериментальное оборудование, использованные в
настоящей работе 26
2.1 Обоснования выбора и характеристика параметров исходных образцов 26
2.2 Экспериментальное оборудование для получения функциональных
покрытий в плазме дуговых разрядов низкого давления 28
2.3 Методы и приборы для исследования свойств тонких поверхностных
слоев и покрытий 32
2.3.1 Определение шероховатости поверхности и толщины слоистых
структур 33
2.3.2 Методы изучения физико-механических характеристик 34
2.3.3 Оценка функциональной пригодности поверхностей с покрытиями . 38
3 Закономерности формирования твердых износостойких покрытий в
системе TiAlSiN, осаждаемых в плазме дуговых разрядов с использованием композиционного порошкового электрода состава Ti-Al-Si 42
3.1 Основные особенности параметров процесса получения покрытий из
прямого плазменного потока дугового испарителя 42
3.2 Основные особенности параметров процесса получения покрытий из
плазменного потока дугового испарителя с использованием плазменного фильтра в виде криволинейного плазмовода 50
3.3 Сопоставление скорости роста покрытия и шероховатости поверхности от условий транспортировки плазменного потока вакуумно-дугового разряда 53
4 Сравнительный анализ основных физико-механических свойств покрытий
TiAlSiN 58
4.1 Микротвердость поверхности образцов с покрытием TiAlSiN в
зависимости от параметров напыления, толщины пленки и материала подложки 58
4.2 Механические и упругие свойства пленочных покрытий, выявленные
при малых испытательных нагрузках в результате динамического индентирования поверхностей 65
4.3. Адгезионная прочность покрытий в сопоставлении с их параметрическими данными и характеристиками материалов подложек ... 68
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективности и ресурсосбережение .. 74
5.1 Предпроектный анализ 74
5. 1. 1 Потенциальные потребители результатов исследования 74
5. 1. 2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 76
5. 1. 3 SWOT-анализ 78
5. 1. 4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 80
5. 1. 5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 81
5. 2 Инициация проекта 82
5.2.1 Цель и результат проекта 82
5. 2. 2 Организационная структура проекта 83
5. 2.3 Ограничения и допущения проекта 84
5. 3 Планирование управления научно-техническим проектом 85
5. 3.1 Иерархическая структура работ проекта 85
5. 3.2 Контрольные события проекта 86
5. 3.3 План проекта 87
5. 3.4 Бюджет научного исследования 89
5.3.4.1 Отчисления на социальные нужды 91
5.3.4.2 Накладные расходы 91
5.3.4.3 Затраты на электроэнергию 91
5.3.4.4 Затраты на водоснабжение 92
5. 3.5 Матрица ответственности 93
5. 3.6 Реестр рисков проекта 93
5. 3.7 Оценка сравнительной эффективности исследования 94
6 Социальная ответственность 97
6.1.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 97
6.1.2 Метеоусловия 98
6.1.3 Вредные вещества 99
6.1.4 Производственный шум 100
6.1.5 Расчет уровня шума 102
6.1.6 Освещенность 103
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной среды 107
6.2.1 Факторы электрической природы 107
6.2.2 Факторы пожарной и взрывной природы 109
6.3 Охрана окружающей среды 112
6.4 Защита в ЧС 114
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 117
Заключение 119
Приложение А 125
Осаждаемые на поверхность деталей твердые защитные покрытия на основе химических соединений переходных металлов находят широкое применение для улучшения эксплуатационных свойств режущего и обрабатывающего инструмента, а также различных пар трения в механических устройствах изделий машиностроения и медицинской техники. Наибольшее распространение в промышленности получили покрытия на основе нитрида титана TiN. Однако в последнее время интенсивно разрабатываются многокомпонентные покрытия на основе данного материала. Это обусловлено тем, что в связи с резким расширением ассортимента используемых материалов и условий их эксплуатации произошла переоценка требований к параметрам износостойких покрытий. В частности, обязательным становится обеспечение совокупности параметров, объединенных в одном материале: механическая, тепловая и коррозионная стойкость, низкая механическая и термохимическая усталость и др. Из литературных источников известно, что введение в качестве легирующих добавок алюминия, хрома, бора и кремния в состав TiN позволяет значительно расширить диапазон его применения. Так, например, большая заинтересованность в применении покрытий системы Ti-Al-Si-N вызвана, прежде всего, их термической стабильностью и стойкостью к окислению при температурах до 800-900 °С. При этом материал покрытий данного состава обладает высокими значениями твердости и сопротивлением абразивному износу. Функциональные свойства многокомпонентных покрытий в большинстве случаев определяются методами и режимами их получения. Для нанесения твердых износостойких покрытий сегодня используют химическое осаждение из газовой фазы - CVD и физическое осаждение из плазмы в вакууме - PVD. Для CVD - метода требуется высокая температура (900 - 1000 °C), что не всегда приемлемо. PVD - метод более универсальнее, особенно для многокомпонентных покрытий, поскольку можно получать более широкий спектр покрытий по составу и при достаточно низких температурах (300 - 600 °C). Одним из наиболее перспективных PVD - методов синтеза наряду с магнетронным распылением является вакуумнодуговой. Поток плазмы, получаемый в электродуговом источнике, является сильно ионизованным. Плазма содержит значительное количество двух- и трехкратно ионизованных частиц. Этот метод считается наиболее производительным из всех существующих и позволяет достаточно гибко управлять структурой и составом покрытий, их физико-механическими свойствами.
Несмотря на определенные успехи в плане получения экспериментальных покрытий системы Ti-Al-Si-N и выявления их уникальных свойств, вопрос об использование таких материалов на практике так же широко, как, например, TiN, пока остается открытым. Для успешного продвижения покрытий указанной системы на промышленное производство необходимы комплексные исследования, устанавливающие взаимосвязь между функциональными свойствами пленок определенного состава и их толщиной, количеством слоев, параметрами процесса синтеза, подготовкой поверхности подложки перед осаждением и т.д.
Все выше перечисленные задачи являются, безусловно, актуальными. В настоящей работе предпринята попытка получить, используя несколько режимов технологического процесса, а за тем изучить и сопоставить физико - механические свойства вакуумно-дуговых покрытий системы Ti-Al-Si-N с использованием современных методов исследования.
В ходе проделанной работы были изучены физико-механические свойства образцов из сплава ВК8 и стали 12Х18Н10Т с покрытием TiAlSiN, полученные вакуумно-дуговым методом, по 8 режимам формирования. Проведенные исследования дают возможность сделать следующие выводы:
1. Получены покрытия системы Ti-Al-Si-N вакуумно-дуговым методом с одного композиционного катода.
2. Покрытия указанного состава при определенных режимах конденсации, могут иметь плотную однородную структуру с низким уровнем шероховатости поверхности.
3. Абсолютная твердость покрытий, полученных с помощью катода предлагаемого состава, заметно выше, чем у обычного TiN (H~20ГПа) и имеет значение H-30-32 ГПа.
4. Экспериментально подтверждено, что механические свойства поверхности с покрытие существенно зависят от толщины пленки.
5. Адгезионные характеристики покрытия имеют немонотонную зависимость от толщины пленки. С ростом покрытия адгезия ухудшается.
6. В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» определили перспективность научных исследований и оценки коммерческого потенциала, ресурсной, финансовой, бюджетной, экономической эффективности исследования.
7. В разделе «Социальная ответственность» рассмотрены вопросы, связанные с организацией рабочего места в соответствии с нормами производственной санитарии, техники производственной безопасности и охраны окружающей среды.
1. Veprek S., Argon A.S. Towards the understanding of mechanical properties of super- and ultrahard nanocomposites // J. Vac. Sci. Technol. 2002. V.
20. №2. P. 650-664.
2. Shtansky D.V., SheveikoA.N., PetrzhikM.I., Kiryukhantsev- KorneevF.V., LevashovE.A., Leyland A., Yerokhin A.L., Matthews A.. Hard tribological Ti-B-N, Ti-Cr-B-N, Ti-Si-B-N and Ti-Al-Si-B-N coatings //Surf. And Coat. Technol. - 2005. - Vol. 200. - P. 208-212.
3. Левашов Е.А., Штанский Д.В. Многофункциональные наноструктурные пленки // Успехи химии. - 2007. - Т. 76. № 5. - С. 501-509.
4. Holubar P., Jilek M., Sima M. Nanocomposite nc-TiAlSiN and nc- TiN-BN coatings: their applications on substrates made of cemented carbide and results of cutting tests // Surf. Coat. Techn. - 1999. V. 120-121. - P. 184-188.
5. Mannling H.-D., Patil D.S., Moto K. et al. Thermal stability of superhard nanocomposite coating consisting of immiscible nitrides // Surf. Coat. Techn. 2001. V. 146-147. P. 263-267.
6. Martin P.J., Bendavid A., Cairney J.M., Hoffman M. Nanocomposite Ti-Si-N, Zr-Si-N, Ti-Al-Si-N, Ti-Al-V-Si-N thin film coatings deposited by vacuum arc deposition. // Surf. Coat. Technol. 2005. V.200. P. 2228-2235.
7. Погребняк А.Д., Шпак А.П., Азаренков Н.А., Береснев В.М. Структура и свойства твёрдых и сверхтвёрдых нанокомпозитных покрытий// Успехи физических наук. - 2009. - Т.179. - №1. - С.35 - 64.
8. J.Musil. Hard and superhard nanocomposite coatings. // Surface and Coating Technology 125 (2000) 322-330.
9. Штанский Д.В., Кулинич С.А., Левашов Е.А., Moore J.J. Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких плёнок // Физика твёрдого тела. - 2003. - Т.45, вып.6. - С.1122 - 1129
10. Левашов Е.А. Физико-химические и технологические основы само распространяющегося высокотемпературного синтеза [Текст] / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.И. Юхвид, И.П. Боровинская. - М.: Бином, 1999. - 176 с.
11. Левашов, Е.А. Перспективные материалы и технологии само распространяющегося высокотемпературного синтеза [Текст] / Е.А. Левашов,
А.С.Рогачев, В.В. Курбаткина, Ю.М. Максимов, В.И. Юхвид// М.: Изд. Дом МИ СиС, 2011. - 377 с.
12. Левашов, Е.А. Макрокинетика процессов горения СВС-смесей в системе Ti-Al-B. Фазо- и структурообразование компактных мишеней на основе диборида и алюминида титана для ионно-плазменного распыления [Текст] / Е.А. Левашов, Р.Г. Рахбари, А.Н. Иванов, Б.Р. Сенатулин.// Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2000. - № 2. - С. 55-61.
13. Fedotov A. F. Fabrication of vacuum-arc Ti-Al-N Coatings Using Multicomponent compacted Cathodes [Text]/ A.F. Fedotov, A.A. Ermoshkin,
A. P.Amosov, V.N. Lavro, S.I. Altukhov, E.I. Latukhin, .S. Smetanin // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2013/ Vol. 54. No.6. PP.548-554.
14. Amosov, A. P. Producing Multicomponent SHS-Compacted Cathodes Based on Refractory Titanium Compounds for Vacuum-Arc Coatings [Text] / A. P.Amosov, E. I. Latukhin, A. F. Fedotov, A. A. Ermoshkin and S. I. Altukhov// Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2012, Vol. 53, No. 5, pp. 415-419.
15. Амосов, А.П. Получение и исследование свойств ионно плазменных покрытий с использованием многокомпонентных СВС прессованнных катодов на основе тугоплавких соединений титана [Текст] /
А.П. Амосов, В.Н. Лавро, А.Ф. Федотов, С.И. Алтухов, А.А. Ермошкин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т.
13. № 4 (3). Приложение. С. 16-18.
16. Werner, Z. New types of multi-component hard coatings deposited by ARC PVD on steel pre-treated by pulsed plasma beams ^ext] / Z. Werner, J. Stanislawski, J. Pukoszewski, E.A. Levashov, W.Szywczyk // Vacuum. 2003. V. 70. № 2 - 3. P. 263-267.
17. Левашов, Е.А. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [Текст] / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.В. Курбаткина, Ю.М. Максимов, В.И. Юхвид// М.: Изд. Дом МИ СиС, 2011. - 377 с.
18. Патент № 2305717 РФ. МПК C23C14/36, B22F3/105. Мишень для получения функциональных покрытий и способ ее изготовления [Текст] / Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Штанский Д.В., Сенатулин Б.Р. Приоритет от 14.11.2005. Заявка 2005135023/02. Опубл. 10.09.2007 г. Бюлл. № 25.
19. Патент № 1785144 РФ. МПК B22F7/04, C22C1/04. Способ получения многослойных композиционных изделий [Текст] / Богатов Ю.В., Левашов Е.Л., Питюлин А.Н., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. приоритет от 14.11.1990. Заявка 4882361/02. Опубл. 27.02.1995 г. Бюлл. № 26.
20. А.А. Андреев, С.Н. Григорьев Износостойкие вакуумно-дуговые покрытия на основе титана в инструментальном производстве [Текст] // СТИН (Станки Инструмент). - 2006. - №2. - С. 19-24.
21. Шулаев В.М., Андреев А.А. Сверхтвердые наноструктурные покрытия в ННЦ ХФТИ [Текст] / // Физическая инженерия поверхности. -
2008. - Т. 6. - № 1-2. - С. 4-19.
22. Федотов, А.П. Амосов, А.А. Ермошкин, В.Н. Лавро, Е.И. Латухин, К.С. Сметанин, С.И. Алтухов Получение вакуумно-дуговых Ti-Al- N-покрытий c использованием многокомпонентных СВС-прессованных катодов // Известия ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2012. - №1 С. 58-65.
23. Ермошкин, А.А. Вакуумно-дуговые покрытия, полученные из многокомпонентных СВС-прессованных катодов системы Ti-C-Al-Si [Текст] / А.А. Ермошкин, А.Ф. Федотов, В.Н. Лавро, К.С. Сметанин // 13-й Международная научно-практическая конференция «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», С.Петербург, 2011, С. 122-127.
24. Амосов, А.П. Получение и исследование свойств ионно - плазменных покрытий с использованием многокомпонентных СВС - прессованных катодов на основе тугоплавких соединений титана [Текст] /
A. П. Амосов, В.Н. Лавро, А.Ф.Федотов, С.И. Алтухов, А.А. Ермошкин // Известия Самарского научного центра РАН: Самара, 2011, №4(3) - Приложение, Т.13,С.16-18.
25. . Погребняк, А.Д. Структура и свойства твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий [Текст] / А.Д. Погребняк, А.П. Шпак, Н.А. Азаренков, В.М. Береснев // Успехи физических наук. 2009. - Т. 179. - № 1. - С. 35-64.
26. . Андреев, А.А. Свойства, применение и особенности получения наноструктурных покрытий методами физического осаждения в вакууме [Текст]. А.А. Андреев, В.М. Шулаев, С.Н. Григорьев // Вестник машиностроения. -2005. - № 9. - С. 38-42.
27. Левашов, Е.А. Многофункциональные наноструктурные покрытия: получение, структура и обеспечение единства измерений механических и трибологических свойств [Текст] / Е.А. Левашов, Д.В. Штанский, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев и др. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 112. С. 19-36.
28. Rogachev, A. S. Phase evolution in the Ti-Al-B and Ti-Al-C systems during combustion synthesis: Time resolved study by synchrotron radiation diffractionanalysis [Text] / A. S. Rogachev, J.-C. Gachon, H. E. Grigoryan et al. // Journal of Materials Science - 2005. - V. 40. - P. 2689 - 2691.
29. Питюлин, А.Н. СВС - прессование инструментальных твердых сплавов и функционально - градиентных материалов [Текст] // Автореф. доктор. дисс.: Черноголовка. - 1996. - 43 с.
30. Shtansky, D.V. Hard tribologica lTi-B-N, Ti-Cr-B-N, Ti-Si-B-N and Ti-Al-Si-B-N coatings [rext] / Shtansky D.V., SheveikoA.N., PetrzhikM.I., Kiryukhantsev-KorneevF.V., LevashovE.A., Leyland A., Yerokhin A.L., Matthews A. //Surf. And Coat. Technol. - 2005. - Vol. 200. - P. 208-212.
31. Karvankova, P. Superhard nc-TiN/a-BN and nc-TiN/a-TiBx/a-BN coatings prepared by plasma CVD and PVD: a comparative study of their properties ^ext] / Karvankova P., Veprek-Heijman M.G.J., Zindulka O. e. a. // Surf. Coat. Techn. 2003. - V. 163-164. - P. 149-156.
32. Neidhardt, J. Wear-resistant Ti-B-N nanocomposite coatings synthesized by reactive cathodic arc evaporation ^ext] / J. Neidhardt, Z. Czigany,
B. Sartory, R. Tessadri, C. Mitterer //Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials -2010. - Vol. 28. - P. 23-31.
33. Dobrzanski, L.A. Structure of TiBN coatings deposited onto cemented carbides and sialon tool ceramics ^ext] / Dobrzanski L.A., Staszuk M., Konieczny 176 J., Kwaoeny W., Pawlyta M.//Archives of Materials Science and Engineering -2009. - Vol. 38. -Issue 1. - P. 48-54.
34. Dobrzanski, L.A. Properties of Ti(B,N) coatings deposited onto cemented carbides and sialon tool ceramics [Text] / Dobrzanski L.A., Staszuk M., Golombek K., Pancielejko M.//Archives of Materials Science and Engineering -
2010. -Vol. 41. - Issue 2. - P. 66-73.
35. http://www.pvdcoating.ru/rus/company/index.php.
36. Дадонов А. И., Башков В. М. Описание изобретения к патенту российской федерации.
37. Хрущев М. М.,Беркович Е. С. Микротвердость, определяемая методом вдавливания. Издательство Академии Наук СССР. Москва1943 Ленинград.
38. Глазов В. М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов. Государственное Научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. Москва 1962.
39. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных
наконечников ГОСТ 9450-76. Издание официальное. Издательство стандартов. Москва 1977.
40. Харитонов Л. Г. Определение микротвердости. Издательство металлургия. Москва 1988.
41. Справочник. Инженерный журнал. №11, приложение, 2004, с. 1821 О.А.ГОРЛЕНКО (БГТУ)
42. М.К. Бойченко, Е.В. Булыгина, Ю.А. Быков, С.Д. Карпухин, А.В. Осипов, Ю.В. Панфилов. Исследование твердости сверхтонких пленок. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация
43. Rotshtein V.P., Markov A.B., Ivanov Yu.F., Karlik K.V., Uglov B.V., Kuleshov A.K., Novitskaya M.V., Dub S.N., Pauleau Y., Thiery F., Shulepov I.A. Pulsed Electron-Beams Melting of Cu-Steel 316 System: Evolution of Chemical Composition and Properties// Proc. 7th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk. - 2004. - P.258-262.
44. http: //www.cleandex.ru/print/analytic/2009/01/01/nanocomposite-
market
45. J.Musil. Hard and superhard nanocomposite coatings. // Surface and Coating Technology 125 (2000) 322-330.
46. Anders S., Juttner B., et. al. Investigations of the current density in the cathode spot of a vacuum arc // Contrib. Plasma Phys. - 1985. - Vol. 25, No 5. - P. 467-473.
47. Волкова Л. Методика проведения SWOT-анализа // http://market.narod.ru/S_StrAn/SWOT.html.
48. .Криницына З.В. Ресурсоэффективность отрасли: Учебное пособие /З.В.Криницына. - Томск, издательство Томского политехни- ческого университета, 2013. - 182 с.
49. Методическая поддержка центров коммерциализации технологий /под ред. А.Бретта, О.Лукши. -М.:ЦИПРА РАН, 2006. - 368 с.
50. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для студентов средних профессиональных учебных заведений/С.В.Белов, В.А.Девисилов,
А.Ф.Козьяков и др. Под общ. ред. С.В.Белова.- 6-е издание, стереотипное - М.: Высшая школа, 2008.- 423 с.
51. Девисилов В.А. Охрана труда: учебник / В.А. Девисилов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ФОРУМ, 2009. -496 с.: ил. - (Профессиональное образование).
52. В.А. Акимов. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера: Учебное пособие / В.А. Акимов, Ю.Л. Воробьев, М.И. Фалеев и др. Издание 2-е, переработанное — М.: Высшая школа, 2007. — 592 с: ил.