Введение
Глава 1 Обзор литературы 6
1.1 Углеродные покрытия: особенности структуры и свойств 6
1.2 Импульсный вакуумно-дуговой метод получения углеродных покрытий 12
1.3. Магнетронное распыление импульсами высокой мощности
(HIPIMS) 14
1.4 Методы исследования твердости тонких покрытий 16
1.4.1 Микроиндентирование 16
1.4.2 Метод скрайбирования (царапания) 19
1.4.3 Метод инструментального индентирования 20
1.4.4 Наноиндентирование 22
1.4.5 Определение истинной твердости покрытия по результатам
измерения микротвердости системы «покрытие - подложка» 24
1.4.6 Методы динамического определения твердости 29
1.5 Микротвердость углеродных покрытий и методы ее измерения 30
1.6 Постановка задачи исследования 37
Глава 2 Материал и методики исследования 38
2.1 Материал исследования 38
2.2 Методика подготовки образцов 38
2.3 Методики получения покрытий 39
2.4 Методика измерения микротвердости 40
2.5 Методика исследования структуры покрытий 40
Глава 3 Результаты исследований и их обсуждение 42
3.1 Результаты исследования микротвердости углеродных покрытий, полученных импульсным вакуумно-дуговым методом и методом HiPIMS 42
3.2 Результаты исследования структуры углеродных покрытий, полученных
импульсным вакуумно-дуговым методом и методом HiPIMS 46
3.3 Экономическое обоснование внедрения разработки 54
Глава 4 Технологическая часть 51
4.1 Процесс нанесения покрытия 51
4.2 Маршрутная карта нанесения и измерения микротвердости
алмазоподобных углеродных покрытий 52
4.3 Правила безопасности и охраны труда
Заключение 57
Список использованной литературы 59
В течение последних двух десятилетий пленки (покрытия) алмазоподобного углерода (АПП) или в иностранной литературе diamond-like carbon films (DLC) представляют огромный интерес. Благодаря уникальному сочетанию физических, химических и механических свойств АПП находят широкое практическое применение, в частности, в оптике, микроэлектронике, медицине и других областях в качестве многофункциональных, защитных и биофункциональных покрытий. По мере развития методов получения алмазоподобных покрытий, а также становления таких новых направлений как экстремальная электроника, наноэлектроника и физика наноструктур, области возможных применений этих материалов вышли за рамки традиционных, а их нанокластерная структура стала объектом интенсивных исследований фундаментального плана. Вот почему до сих пор сохраняется устойчивый и повышенный интерес к этим материалам.
Свойства твердых покрытий на основе аморфного углерода (а-С покрытия), наносимых методом физического вакуумного осаждения (PVD), напрямую зависят от соотношения атомов углерода с sp3- и sp2- гибридизацией электронов.
Экспериментальные исследования методов получения углеродных покрытий показали преимущество импульсного вакуумно-дугового метода перед другими технологиями по многим показателям, в том числе, многократное превосходство по скорости осаждения покрытий . А именно, он позволяет получать существенно большие плотности плазмы и, кроме того, регулировать величину энергии ионов и температуру подложки. Основными параметрами процесса, обеспечивающими формирование углеродного алмазоподобного покрытия, являются температура подложки (не выше 200 °С) и средняя энергия ионов углерода (порядка 40 - 100 эВ). Углеродные покрытия, полученные вышеуказанным методом, обладают высокой твердостью, достигающей значений, соответствующих натуральному алмазу (до 60-120 ГПа). Однако этот метод имеет свои ограничения, которые связаны с наличием макрочастиц в продуктах эрозии катода, что ухудшает качество поверхности покрытия.
Используемый ранее магнетронный метод распыления материалов позволяет получать углеродные покрытия с более высоким качеством поверхности (меньшей степенью шероховатости), однако степень ионизации материала катода недостаточна для получения покрытий с высокой адгезией. В настоящее время широкое распространение получает импульсный метод магнетронного распыления высокой мощности (HiPIMS), который позволяет частично исключить этот недостаток магнетронного метода.
Определение микротвердости тонких покрытий вследствие их малой толщины, является сложной технической задачей, которая требует применения современного оборудования для анализа поверхности и большого объема исследований.
Таким образом, целью работы является выбор оптимальной методики исследования микротвердости алмазоподобного углеродного покрытия, полученного импульсным вакуумно-дуговым методом и методом HiPIMS .
1. Получены результаты исследования микротвердости твердого сплава и системы «твердый сплав - углеродное покрытие» с использованием метода по Виккерсу и метода «инструментального индентирования».
2. Установлено, что для каждого выбранного значения нагрузки на индентор наибольшее значение твердости соответствует твердому сплаву с углеродным покрытием (образец 3).
3. При нагрузке на индентор 50 и 100 г для системы «твердый сплав - углеродное покрытие» (образец 3) с использованием метода по Виккерсу отпечаток получить не удалось; значение твердости было зафиксировано при начальной нагрузке на индентор 200 г.
4. В случае использования метода «инструментального индентирования» удалось зафиксировать величину микротвердости при всех нагрузках.
5. При максимальной нагрузке на индентор (500 г) наблюдается, что покрытие позволяет повысить микротвердость твердого сплава в 1,6 раза (61 %) в случае использования метода по Виккерсу и в 1,4 раза (72 %) при использовании метода «инструментального индентирования».
6. Наиболее целесообразно использовать для исследования микротвердости системы «основа + покрытие» метод «инструментального индентирования», который позволяет измерять ее величину и при малых нагрузках на индентор, а также позволяет получить более достоверные результаты.
7. Нанесение углеродного покрытия на твердый сплав приводит к повышению микротвердости, что расширяет области его применения при повышенных нагрузках.
8. По результатам анализа спектров Рамана структура покрытия, полученного методом HiPIMS, представляет собой промежуточное состояние между nc-G и a-C, с размером sp2 кластеров около 1.3 нм.
9. Структура покрытия, полученного методом PCAD, представляет собой тетраэдрический аморфный углерод (ta-C), в котором доля sp3 -фазы порядка 85%.
10. Высокая твердость углеродных покрытий, получаемых импульсным вакуумно-дуговым методом, связана с высоким содержанием sp3 - гибридизованных атомных орбиталей валентных электронов или sp3 - фазы.
1. Robertson J. Deposition Mechanisms for Promoting sp3 Bonding in Diamond-like Carbon // Diamond and Related Materials - 1993. - №2. - P. 984-989.
2. Тарала В. А. Физические принципы осаждения из газовой фазы аморфных, нанокристаллических и микрокристаллических пленок алмазоподобного углерода и карбида кремния с.16
3. Gupta B.E. Synthesis, Structure and Properties of Nanolayered DLC/DLC Films // A Thesis. Panjab University - 2003.
4. Левин И. С. Исследование структурно-фазовых состояний и физических свойств алмазоподобных покрытий, легированных металлами VI группы - 2016 - с.16-18
5. Dr. Peter M. Martin Superhard Thin Film Coatings
6. Cook R.B., Harvey T.J., Dearnley P.A., Wood R.J.K.. Diamond like carbon coatings for potential application in biological implants—a review, 2013.
7. Hainsworth S.V. Diamond-like Carbon Coatings for Tribology: Production Techniques / S.V. Hainsworth, N.J. Uhure // International Materials Reviews. - 2007. - Vol.52, №3. - P. 153-174.
8. Kelly B.T. Physics of Graphite // Applied Science Publishers. - London, 1981.
9. Gupta B.E. Synthesis, Structure and Properties of Nanolayered DLC/DLC Films // A Thesis. Panjab University - 2003.
10. Колпаков А. Я. , Галкина М. Е. - Тонкие и наноразмерные твердые покрытия. Белгород : ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2014. - 332 с. .
11. Lin J, Sproul WD, Wei R, Chistyakov R. Diamond like carbon films
deposited by HiPIMS using oscillatory voltage pulses. Surf Coatings Technol. - 2014
12. Odivanova A.N., Sochugov N.S., Oskomov K.V., Podkovyrov V.G.
Study of the plasma parameters in a high-current pulsed magnetron sputtering system // Plasma Physics Reports. 2011. Т. 37. № 3. С. 239-243.
13. Пронкин А. А. Экспериментальное исследование процесса образования тонких пленок аллотропных форм углерода и изучение их свойств - 2014- с. 14
14. ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. М.: Издательство стандартов, 1993.
15. Бернштей М. Я., Займовски В. А. Механически свойств металлов. - М., Металлургия, 1979. - 495 с.
16. ГОСТ 21318-75 Измерение микротвердости царапанием алмазными наконечниками.
17. Лалазарова Н. А. Определение твердости тонких покрытий, 2009.
18. ГОСТ Р 8.748-2011(ИСО 14577-1:2002) Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании, 2013.
19. Быков Ю.А., Карпухин С.Д., Полянский В.М.. Определение твердости нанопокрытий. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.
20. Tuck J.R., Korsunsky A.M., Bhat D.G., Bull S.J.. Indentation hardness evaluation of cathodic arc deposited thin hard coatings // Surface and Coatings Technology. - V.139. - 2001.
21. Яровой Г. П Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Том 3, N° 2, 2000, с. 68
22. ИСО 6507:2005 Материалы металлические. Определение твердости по Виккерсу. Часть 3. Калибровка контрольных образцов
23. Усеинов А., Г оголинский К.. Механические свойства сверхтонких углеродных алмазоподобных покрытий
24. Быков Ю.А., Карпухин С.Д. Способ определения твердости субтонких защитных покрытий // Справочник. Инженерный журнал. 2003. № 10. С. 26-28.
25. Суджанская И.В., Галкина М.Е., Гончаров И.Ю., Колпаков А.Я., Поплавский А.И., Сафронова О.В. Влияние ионного облучения и углеродного покрытия толщиной до 100 нм на микротвердость и трещиностойкость кремния // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - №3. - С.29-32.
26. Громилов С.А. Введение в рентгенографию поликристаллов. Учебно-методическое пособие // Издательство НГУ - Новосибирск, 2008.
27. Ferrari A. C., Robertson J. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. N. 20. P. 14095-14107.
28. Тихомиров С., Кимстач Т. // Аналитика. 2011. №.1. С. 28-32.
29. Filik J., Harvey J.N., Allan N.L. et. al. // Phys. Rev. B. 2006. V. 74. N.3. P. 035423.
30. Buntov E.A., Zatsepin A.F., Guseva M.B. et al. // Carbon. 2017. V.117. P. 271-278.
31. Piscaneca S., Maurib F., Ferraria A.C., et al. // Diamond & Related Materials. 2005. V. 14. P. 1078- 1083.
32. Оскомов К.В., Соловьев А.А., Работкин С.В. // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. Вып. 12. С. 73-76.
33. Meidong Huanga, Xueqian Zhanga, Peiling Ke. et al. // Applied Surface Science. 2013. V.283. P. 321-326.