MICROSTRUCTURE AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF MULTILAYER ION-PLASMA COATINGS CrN-TIN

МИКРОСТРУКТУРА И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ CrN-TiN

Научная статья

Терюкалова Н.В.^1, *, Новицкая О.С.², Сизова О.В³

¹ ORCID: 0000-0001-6547-7676;

² ORCID: 0000-0003-1043-4489;

³ ORCID: 0000-0001-9177-6602;

^{1, 2, 3} Институт физики прочности и материаловедения СO РАН, Томск, Россия

* Корреспондирующий автор (natali.t.v[at]ispms.tsc.ru)

Аннотация

Представлены результаты исследования структуры и триботехнических свойств многослойных наноструктурных покрытий из чередующихся слоев CrN и TiN, полученных методом вакуумно-дугового плазменно-ассистированного осаждения нитрида хрома и нитрида титана при температуре 320¸390⁰С на медь марки С11000 и состаренный медно-бериллиевый сплав С17200. Анализируется структура покрытий и их поведение в процессе трибологических испытаний. Анализ показал, что характер износа на меди неравномерный: наряду с незначительным износом поверхностного слоя встречаются участки отслаивания покрытия.

Ключевые слова: трение скольжения, ионно-плазменные покрытия, медно-бериллиевый сплав, медь.

MICROSTRUCTURE AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF MULTILAYER ION-PLASMA COATINGS CrN-TIN

Research article

Teryukalova N.V.^1, *, Novitskaya O.S.², Sizova O.V.³

¹ ORCID: 0000-0001-6547-7676;

² ORCID: 0000-0003-1043-4489;

³ ORCID: 0000-0001-9177-6602;

^{1, 2, 3} Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Division of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia

* Corresponding author (natali.t.v[at]ispms.tsc.ru)

Abstract

The current article presents the results of a study of the structure and tribotechnical properties of multilayer nanostructured coatings made of alternating layers of CrN and TiN obtained by vacuum-arc plasma-assisted deposition of chromium nitride and titanium nitride at a temperature of 320 ¸390 ⁰ C for C11000 grade copper and aged copper-beryllium alloy C17200. The study also conducts an analysis of the structure of coatings and their behavior during tribological tests.

Keywords: sliding friction, ion-plasma coatings, copper-beryllium alloy, copper.

Введение

Поиск нового класса материалов, обладающими широкими функциональными возможностями свидетельствует о том, наиболее перспективным направлением является создание на их поверхности металлических покрытий различного состава с многофазной архитектурой [1], [3], [5]. Среди разнообразных способов получения таких покрытий особое место занимают ионно-плазменные методы нанесения покрытий с внутренними граничными промежуточными слоями нанометровой толщины, состоящими из высокопрочных нитридов и карбидов переходных металлов [6], [7].

Из существующих современных технологий нанесения многослойных покрытий наиболее распространенными способами являются плазменное магнетронное напыление [8] и напыление из вакуумно-дуговой плазмы с использованием электродуговых испарителей металлов [9], [10]. Магнетронное распыление является наиболее предпочтительным методом из-за эффективности осаждения элементов и возможности применения для широкого класса материалов, в том числе и для относительно мягких, например, меди и ее сплавов.

В данной работе обсуждаются результаты исследования структуры и трибологических свойств многослойных покрытий состава CrN/TiN с внутренними граничными промежуточными подслоями нанометровой толщины, нанесенными на медь и бериллиевую бронзу вакуумно-дуговым плазменно-ассистированным методом в газо-металлической плазме разрядов низкого давления.

Материалы и методы исследования

Многослойные покрытия состава TiN/CrN и CrN/TiN были получены на образцах медно-бериллиевого сплава С17200 и меди С11000, изготовленных из горячекатаных прутков диаметром 20,0 и 18,0 мм соответственно. Источник газовой плазмы использовался для предварительной очистки поверхности изделий от оставшихся диэлектрических, в том числе оксидных, пленок, нагрева подложки, а также для дополнительной ионизации газа и ассистирования при напылении покрытий. Для получения требуемого элементного состава покрытия подбиралось соотношение токов разряда дуговых испарителей. Образцы размещались в центре вакуумной камеры на держателе на уровне выходных апертур источников плазмы. Многослойные покрытия (32 слоя) наносились путем предварительного нанесения хрома или титана в атмосфере аргона в качестве подложки и последующим нанесением чередующихся слоев хрома и титана в среде азота, (см. таблицу 1). Микротвердость многослойного покрытия, измеренная при нагрузке 0,2 Н, оказалась равной 14 ГПа.

 

Таблица 1 – Параметры режимов напыления покрытий

Режим	Ток испарителя 1 (Cr)	Ток испарителя 2 (Ti)	Ток источника газовой плазмы	Напря-жение смещения в процессе напыления	Темпер. обработки	Рабочий газ	Время осаждения
	I1, A	I2, A	IGAS, А	Uсм, В	T, ºC		t, мин
чистка, нагрев	0	0	45	-700	20-360	Ar 0,3Па	30
чистка, нагрев	0	80	50	-900	360	Ar 0,3Па	2
напы-ление подслоя Ti	0	80	60	-50	400	Ar 0,3Па	3
Слой TiN	0	80	60	-150	400	Ar/N2 =10/90% 0,6Па	4,5¸9
Слой CrN	90	0	60	-150	400	Ar/N2 =10/90% 0,6Па	5,5¸11

 

Фазовый состав, морфологию и микроструктуру покрытий анализировали методами оптической и растровой электронной микроскопии на лазерном конфокальном микроскопе LEXT OLS4000 в оптическом и лазерном режимах, на сканирующем электронном микроскопе Philips SEM 515 с энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором «Genesis» и сканирующем электронном микроскопе «LEO EVO 50». Трибологические испытания образцов проводили на триботестере фирмы «TRIBOtechnic» (Франция) при нагрузке P – 5 Н и скорости скольжения V – 0,01 м/с в течение 2 часов. Скольжение осуществляли в воздушной среде при комнатной температуре с граничной смазкой по схеме «шарик-диск», контртелом служил твердый сплав ВК8 и оксид алюминия.

Основные результаты

На рисунке 1 представлены РЭМ-изображения поперечных сечений образцов меди и бронзы с нанесенными многослойными покрытиями. Металлографические исследования образцов меди и бронзы показали, что покрытия представляют собой многослойную структуру с четкими распределениями слоев и хорошо видимыми границами раздела, что свидетельствует о хорошем качестве осажденных покрытий. Общая толщина покрытий составляла 4,0 – 5,0 мкм, толщина монослоев варьировалась от 300 до 400 нм.

Рис. 1 – РЭМ-изображения поперечного сечения покрытий CrN/TiN (32 слоя) на меди (а) и на медно-бериллиевом сплаве (б)

 

По результатам рентгенофазового анализа покрытий установлено, что осаждаемые элементы формируют на поверхности медного образца многофазную структуру, состоящую из меди, титана и соединений TiN и CuTi₃, (см. рисунок 2). Общая толщина покрытий не препятствовала прохождению рентгеновских лучей в материал основы, поэтому рефлекс меди мог состоять как из отражений подложки, так и чистой меди, содержащейся в покрытии.

 

Рис. 2 – Рентгенограммы многослойных покрытий CrN/TiN (32 слоя), полученных на меди (а) и медно-бериллиевом сплаве (б)

 

Значение микротвердости меди и состаренного медно-бериллиевого сплава составило 90 HV _0,02 и 350 HV _0,02 соответственно. Послойное нанесение титана и хрома, а также наличие соединений нитридов титана и хрома, привело к повышению твердости поверхностного слоя медного образца до 1100 HV _0,02 и до 1400 HV _0,02 у бронзы или, соответственно, 11 и 14 ГПа. Следует отметить, что твердость многослойных покрытий на основе TiN и CrN, как правило, значительно выше, чем у однослойных покрытий того же или близкого состава, что обусловлено наличием границ раздела между слоями с мелкозернистой структурой и высоким уровнем остаточных напряжений [11], [12].

Трибологические испытания показали, что коэффициент трения медного образца с покрытием из 32 слоев резко возрастает в первые минуты трения до значения 0,15, что отражает время приработки, затем опускается до значения 0,11 и колеблется во время всего периода испытания около этого значения, (см. рисунок 3, а).

 

Рис. 3 – Коэффициент трения (а) и дорожка трения (б) медного образца (С11000) с покрытием CrN/TiN из 32 слоев

 

Коэффициент трения образца медно-бериллиевого сплава с покрытием из 32 слоев аналогично медному образцу в период приработки увеличивается до 0,15, а после приработки ведет себя стабильно, незначительно колеблясь около значения 0,10, (см. рисунок 4, а).

 

Рис. 4 – Коэффициент трения (а) и дорожка трения (б) образца медно-бериллиевого сплава (С17200) с покрытием CrN/TiN из 32 слоев

 

На отдельных участках дорожки трения многослойного покрытия на меди наблюдаются видимые следы износа, (см. рисунок 3, б). Предположительно, это связано с адгезионным взаимодействием контртела и покрытия. При трибологических испытаниях многослойных покрытий на сплаве С17200 в качестве контртела применяли шарик из Al₂O₃, твердость которого выше твердости нитридов. Изнашивание покрытия происходило по абразивному механизму, для которого характерно царапающее действие, что отчетливо проявляется на дорожке трения, (см. рисунок 4, б).

Заключение

Металлографические исследования показали, что покрытия толщиной 4,0 … 5,0 мкм имеют многослойную структуру с хорошо видимыми границами между слоями, толщина которых варьировалась от 150 до 300 нм. Микротвердость многослойных покрытий CrN/TiN, измеренная при нагрузке 0,2 Н, составила 11 ГПА для медных образцов с покрытиям и 14 ГПА для покрытий на сплаве С17200.

Анализ трибологических испытаний при нагрузке 5 Н показал, что характер износа на меди неравномерный: наряду с незначительным износом поверхностного слоя встречаются участки отслаивания покрытия. Покрытие на сплаве С17200 при трении с нагрузкой 5 Н постепенно изнашивается в результате микроабразивного истирания.

Финансирование Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-58-00048 Бел_а). Исследование выполнено рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, проект FWRW-2021-0006.	Funding This work was supported by a grant from the Russian Foundation for Basic Research (project No. 20-58-00048 Bel_a).The work was performed under the government statement of work for ISPMS SB RAS, Project No. FWRW-2021-0006.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Fan Zhao. Tribological and mechanical properties of hardness-modulated TiAlSiN multilayer coatings fabricated by plasma immersion ion implantation and deposition / Fan Zhao, Yugiang Ge, Langping Wang et al. //Surface and Coatings Technology (2020), 402. P.126475;
2. Lomello F. Temperature dependence of the restidual stresses and mechanical properties in TiN/CrN nanolayerdet coating processed by cathodic arc deposition / F. Lomello, M. Arab Pour Yazardi, P. Sanchette et al. // Surface and Coatings Technology, 238 (2014), 216-222.
3. Liu L. Wear resistance of TiN(Ti2N)/Ti composite layer by plasma surface Ti-alloying and nitriding / L. Liu, H.H. Chen, X.Z. Liu et al. // Applied Surface Science (2016), 388. P.103-108.
4. Yan M.F. Combining thermos-diffusing titanium and plasma nitriding to modify C61900 Cu-Al alloy / M.F. Yan, Y.D. Zhu, Y.X. Zhang et al. //Vakuum (2016), 126. P.41-44.
5. Yan M.F. Microstructure and mechanical properties of copper-nitrogen multiphase layers produced by a duplex treatment on C17200 copper-beryllium alloy / M.F. Yan, Y.D. Zhu, C.S. Zhang et al. // Materials and Design (2015), 84. P.10-17.
6. Athmani M. Microstructural, mechanical, thermal stability and oxidation behavior of TiSiN/CrVxN multilayer coatings deposited by D.C. reactive magnetron sputtering / Athmani, A. AL-Rjoub, D. Cavaleiro et al. // Surface & Coatings Technology 405 (2021) 126593.
7. Fan Zhao. Tribological and mechanical properties of hardness-modulated TiAlSiN multilayer coatings fabricated by plasma immersion ion implantation and deposition / Fan Zhao, Yugiang Ge, Langping Wang et al. // Surface and Coatings Technology (2020), 402. P.126475.
8. Dinesh Kumar D. Wear resistant super-hard multilayer transition metal-nitride coatings / D. Dinesh Kumar, N. Kumar, Kalaiselvam et al.// Surface and Interface (2017), 7, p.74-82
9. Vereschaka A. A. Study of cracking mechanisms in multi-layered composite nano-structured coatings / Alexey A. Vereschaka, Sergey N. Grigoriev // Wear 378-379 (2017) 43–57
10. Lomello F. Temperature dependence of the restidual stresses and mechanical properties in TiN/CrN nanolayerdet coating processed by cathodic arc deposition / F. Lomello, M. Arab Pour Yazardi, P. Sanchette et al. // Surface and Coatings Technology, 238 (2014), 216-222.
11. Kolubaev A V. Multi-phase ion-plasma Cu-Ti coatings deposited on copper and copper-beryllium alloy / A V Kolubaev, O V Sizova, Yu A Denisova et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1100 (2021) 012050
12. Zhu Y.D. Surface modification of C17200 copper-beryllium alloy by plasma nitriding of Cu-Ti gradient film / Y.D. Zhu, M.F. Yan, Y.X. Zhang et al. // Journal of Materials Engineering and Performance (2018), 27, issue 3, P. 961-969.