WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 2 04;05;11;12 Получение и свойства композиционных покрытий на основе металл–углерод с нанокристаллической структурой © С.А. Ширяев, М.В. Атаманов, М.И. Гусева, Ю.В. Мартыненко, А.В. Митин, В.С. Митин, П.Г. Московкин Российский научный центр ”Курчатовский институт”, 123182 Москва, Россия e-mail: martyn@nfi.kiae.ru (Поступило в Редакцию 4 мая 2001 г.) Предложен метод получения композитных металл-углеродных покрытий, основанный на магнетронном распылении мозаичных катодов. В качестве катода использованы металлы IV, V и VI групп. Для каждого случая проведена компьютерная оптимизация мозаичных элементов катода. Электронная дифракция на отражение показала, что покрытия имеют аморфную и нанокристаллическую структуру. Эти структуры термически стабильны, а покрытия характеризуются особыми физическими свойствами, в особенности низким коэффициентом трения и высокой твердостью.

Введение лов вначале происходит с разной скоростью. В результате материалы с большим коэффициентом распыления Современные методы модификации поверхности твер- оказываются заглубленными, т. е. дальше от плазмы, дых тел, такие как ионная имплантация и нанесение чем материалы с меньшим коэффициентом распыления.

покрытий методом магнетронного распыления, и их со- Плотность ионного тока на катод равна числу ионов, четание позволяют в широких пределах целенаправленно падающих на единицу поверхности катода в единицу модифицировать поверхностные свойства конструкцивремени, и дается выражением онных материалов. Особый интерес представляет поj = nvT /4, (1) лучение покрытий из карбидов переходных металлов групп IVA–VIA, имеющих гранецентрированную кубигде vT — тепловая скорость ионов, n — плотность ческую (ГЦК) решетку, типичную для металлов, хаплазмы.

рактеризующихся высокой твердостью, исключительной На заглубленных частях катода, т. е. на материалах термопрочностью и хорошей коррозионной стойкостью.

с большим коэффициентом распыления, ионный ток В настоящей работе синтез покрытий из карбидов меньше. Действительно, граница плазмы находится на переходных металлов TiC, Ta2C, Ta3C2, CrC, NbC и уровне самой высокой вдоль магнитной силовой линии Mo2C, а также покрытий (TiC)N(Mo2C)N осуществлен точки катода. Вниз, т. е. в направлении катода, плотность путем одновременного распыления мозаичных катодов, плазмы n быстро убывает, поскольку электроны плазмы состоящих из смеси соответствующих металлов с гразамагничены и могут отклоняться от границы лишь на фитом, ионами Ar+ или смеси Ar+ и N+ в плазме величину порядка ларморовского радиуса магнетрона.

rL = mve/eB, Метод магнитронного распыления широко используется для нанесения покрытий самого различного назнагде m — масса, ve —скорость, e — заряд электрона, чения [1]. Для получения композитных покрытий также B — магнитное поле.

используется магнетронное распыление, при этом обычИоны могут ”отрываться” от электронов лишь на но изготавливается катод из сплава нужного состава, величину дебаевского радиуса который и распыляется в магнетроне [2].

rd =(T /4ne2)1/2, В предлагаемой работе для получения композитного покрытия используется мозаичный катод. Мозаигде T — температура плазмы.

ка распыляемого катода-мишени рассчитывалась таким Поэтому характерное расстояние убывания плотности образом, чтобы создать на поверхности покрытие необплазмы может быть оценено как ходимого и равномерного состава.

r0 = rL + rd.

Расчет напыления пленки В результате процесс эрозии различных материалов катода приобретает одинаковую скорость. При этом скопри магнетронном распылении рость движения поверхности материала за счет эрозии мозаичного катода равна u = Yj/N, (2) Если части (основная матрица, вставки) катода состоят из разных материалов, то вследствие различия где Y — коэффициент распыления, N — число атомов в коэффициентов распыления эрозия различных материа- единице объема материала.

7 100 С.А. Ширяев, М.В. Атаманов, М.И. Гусева, Ю.В. Мартыненко, А.В. Митин, В.С. Митин, П.Г. Московкин Таким образом, полагая, что скорости ионов не зависят от расстояния до катода, можно получить следующее соотношение для условия эрозии двух материалов:

S1n(x1)/N1 = S2n(x2)/N2, (3) где x1 и x2 — координаты поверхности первого и второго материала по оси нормальной к поверхности.

Зная зависимость n(x), можно из (3) вычислить величину смещения уровней поверхностей этих двух материалов при одинаковой их эрозии x = |x1 - x2|.

Если для напыления многокомпонентных мишеней использовать сложные мишени, изготовленные так, что Рис. 2. Концентрация в покрытии одного компонента при обращенные к плазме поверхности разных материалов расстоянии между покрытием и катодом h = 2 cm.

находятся в одной плоскости, то на начальном этапе напыления соотношения напыляемых компонент будет пропорционально произведению площади распыляемых материалов на коэффициент распыления. Но потом установится стационарный процесс эрозии, когда скорости эрозии всех компонент равны, и тогда соотношение напыляемых компонент станет пропорционально площади распыляемых материалов на катоде. Время установления стационарного процесса эрозии равно =x/u, (4) где u = |u1 - u2| — разность скоростей поверхности распыляемых реальности < 1 mm.

Поэтому практически для нанесения покрытия заданного состава следует производить расчет катода исходя Рис. 3. Концентрация в покрытии компонента, распыляемого из одинаковой скорости эрозии всех компонент, но попри расстоянии между покрытием и катодом h = 6 cm.

крытие, наносимое в течение начального времени, следует выбраковывать. В дальнейшем, когда уже экспериментально точно определены значения x заглубления компонент с большим коэффициентом распыления, при Для определения содержания каждого компонента в изготовлении катода вставки из компонент с большим покрытии вычислялся вклад от каждой составной части коэффициентом распыления можно сразу заглублять на мишени, а затем эти вклады суммировались. Расчеты, величину x. Для наших условий r0 10-4 m и проведенные с использованием нескольких функций рас =x/u 103 s.

пределения распыленных частиц по углам, показали, Для расчета процентного состава осаждаемой пленки что распределение осадков слабо зависит от функции и ее толщины был разработан вычислительный код, пораспределения и поэтому в дальнейшем использовалась зволяющий рассчитывать напыление пленок при испольфункция распределения f () = cos.

зовании мишеней с различной геометрией и различными Распределение компонент в осаждаемой пленке завидополнительными вставками.

сит от расстояния h между распыляемой мишенью и Использованная в расчетах мозаичная мишень состоит плоскостью осаждения. Поэтому расчеты проводились из основы, выполненной из материала 1 и мозаичных для разных значений h. Результаты расчетов приведевставок, расположенных на этой основе. Вставки сделаны ны на рис. 2, 3. На рисунках показано распределение из материалов 2 и 3 (рис. 1). Однако модель позволяодной из компонент в пленке. Хорошо видно, что при ет рассчитывать напыление с использованием мишени, малом расстоянии от мишени компоненты напыляются состоящей из произвольного количества компонентов.

на пластинку неоднородно. Это происходит из-за того, что распыленный материал от каждой вставки при малом расстоянии до пластинки оседает преимущественно прямо над ней. При увеличении расстояния однородность распределения возрастает. Однако с увеличением расстояния уменьшается количество материала, попадающего на пленку, поэтому для получения покрытия с нужной толщиной необходимо увеличивать время экспозиции.

Рис. 1. Геометрия составной мишени, использованной в расчетах. Из геометрических соображений можно сказать, распреЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. Получение и свойства композиционных покрытий на основе металл–углерод... деление материалов в напыленной пленке становится микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа на однородным при расстоянии от мишени до пленки R, РЭМ; оптической микроскопии.

большем, чем расстояние между вставками. В то же вре- Толщину покрытий оценивали по результатам измеремя плотность осажденного материала пропорциональна ний в изломе на сканирующем электронном микроскопе, отношению площади напыляемой пленки S к величи- на профилометре.

не R2. Поэтому для минимизации времени осаждения Оценка адгезии покрытия к подложке выполнялась пленки следует раполагать ближе к мишени.

с помощью стандартного измерителя REVETEST Отметим также меньшую толщину пленки вблизи Automatic Tester, фирмы LSRH, использующий краев, что необходимо учитывать при расположении Rockwell C индентер. Скорость изменения нагрузки напыляемых образцов. Проведенные вычисления показысоставляла 100 N/min, скорость движения индентера вают следующее: 1) с помощью магнетронного распыле10 mm/min. Микротвердость покрытий определяли с ния мозаичной мишени возможно создавать однородные помощью прибора ПМТ-3 и микроскопа МИ-7 при пленки; 2) для создания пленки с однородно распренагрузке 0.2-2N.

деленными по поверхности концентрацией компонент Износостойкость покрытий определяли при трении о поверхность, на которую напыляют пленку необходимо полузакрепленный абразив (алмазная паста на плотной устанавливать на расстоянии, существенно (практически бумаге) гранулометрического состава 10-15 · 10-6 m в 3 раза) превышающим расстояние между вставками;

на машине трения при постоянной удельной нагрузке 3) с ростом расстояния уменьшается доля распыленных 26 Pa. Толщина покрытий составляла 3-25 · 10-6 m.

атомов мишени, попадающих на пленку, что приводит Износостойкость оценивали по интенсивности линейк тому, что для получения пленки нужной толщины ного изнашивания покрытия и цветового окрашивания приходится увеличивать время экспозиции.

дорожки трения.

Исследования коэффициента трения проводились на машине трения скольжения по схеме: трение скольжения Методика эксперимента вращающейся шайбы с покрытием по неподвижному шарику без покрытия в условиях сухого трения на воздухе.

Эксперименты проводились в ионном ускорителе ”Вита”, в комплект которого входят источник высоко- Химический состав покрытий — содержание металла энергетичных ионов, плазменный ускоритель и магне- и углерода в связанном и свободном состояниях опредетрон. Составляющие компоненты катода металл и гра- ляли по специально разработанным методикам с испольфит. В данной работе использовали следующие металлы: зованием анализатора С-212 фирмы ”Леко”, АН-7529.

тантал, молибден, ниобий, ванадий, хром, цирконий, Термоокислительную стойкость на воздухе и токе титан и медь. Использовали тугоплавкие металлы ваку- чистого кислорода определяли методом термогравиметумной плавки, медь бескислородную. Применяли высо- рического окисления на приборе ”Setaram” (Франция).

кочистый графит, имеющий мелкозернистую структуру, Коррозионная стойкость покрытий оценивалась элекплотность 1.81-1.86 · 103 kg/m3, легко поддающийся трохимическим методом на потенциостате ”PS4”, путем механической обработке и полировке.

построения анодных потенциодинамических поляризациДля проведения комплексных исследований покрытие онных кривых в растворах H2SO4 и HCl при комнатной наносили на различные образцы из металла, стекла, температуре со скоростью 7.8 V/h.

керамики, твердого сплава в виде фольги, пластин, штабиков с полированной поверхностью. Покрытия TiC и Результаты эксперимента TiCN, NbC, WC, CrC, MoC и MoCN были синтезированы путем распыления катодов соответствующих металлов с В диапазоне исследованных плотностей мощности разграфитовыми вставками ионами Ar+ или смесью ионов ряда 5.0·105 до 11.0·105 W/m2 на разных подложках полуAr+ и N+.

чали гладкие однородные конденсаты, имеющие светлый В зависимости от распыляемого материала напряметаллический цвет. На полированных и стеклянных поджение на катоде варьировалось от 400 до 600 V, ток ложках конденсат имеет зеркальный блеск, характерный изменялся в пределах 5-10 mA.

для покрытий из тугоплавких металлов.

Перед нанесением покрытия подложки очищались Исследование фазового состава и структуры покрыбомбардировкой высокоинтенсивным потоком ионов Ar+ с энергией 300 eV из плазменного ускорителя. После на- тия показывает, что при распылении катода с мозаичнесения покрытий методом обратного резерфордовского ной структурой происходит гомогенное перемешивание рассеяния измерены состав и толщины покрытий. атомов металла и углерода и образуется химическое Фазовый состав и структуру покрытий изучали с по- соединение — карбиды, если металлы взаимодействуют мощью методов дифракции высокоэнергетических элек- с углеродом, или псевдотвердые растворы углерода в тронов на просвечивающем электронном микроско- металле, если они не взаимодействуют друг с другом.

пе, электронографе, дифракции рентгеновских лучей; Все тугоплавкие металлы IVA–VIA подгрупп периодирентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и оже- ческой системы, которые были опробованы в данной электронной спектроскопии, сканирующей электронной работе в качестве модели, вступали во взаимодействие Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 102 С.А. Ширяев, М.В. Атаманов, М.И. Гусева, Ю.В. Мартыненко, А.В. Митин, В.С. Митин, П.Г. Московкин Состав и свойства покрытий № Состав катода, Фазовый состав Тип решетки, Величина Химический Микро(шифр) соотношение покрытия (рентген), параметры, кристаллических состав, wt % твердость Me : C wt % ·10-1 nm блоков, Hv (0.2-1H), % по площади ·10-1 nm GPa 1(ВГ) 50W + 50C WC0.97 - 96.4 ± 0.4 Гексагональная Н.У. 30-40 16.0-27.C - 3.6 ± 0.4 a = 2.907 ( 24) b = 2.2 50Ta + 50C TaC0.97-0.1 - 97.6 ± 0.4 ГЦК 60-80 15.30-27.(7ГTa) C - 3.4 ± 0.4 a = 4.44 (15.7) (13TaГ) 3 (6MoГ) 70Mo + 30C Mo2C - 67.6 ± 0.4 Гексагональная Н.У. Текстура Mo(Об) - 77.6 + 2.3 13.00-30.Mo - 32.4 ± 0.4 a = 3.01 22-50 С(Об) - 2.3 ± 0.Ближе Mo2C c = 4.74 Mo(Св) - 38.6 ± 2.Высокотемпературный 4 50Mo + 50C MoC0.95-1.0 - 95.6 ± 0.4 ГЦК 60-80 Mo(Об) - 82.6 ± 2.6 18.00-31.(18MoГ) C - 4.2 -MoC -84.5 ± 0.(19MoГ) a = 4.27 C(Об) - 15.5 ± 0.-16.2 ± 0.C(Св) - 1.4 ± 1.-5.6 ± 1.5 70Nb + 30C Nb2C Гексагональная Текстура Nb(Об) - 2.6 ± 0.7 23.00-29.(11NbC) a = 3.115, 10-30 C(Об) - 6.07 ± 1.5 (24) c = 4.6 50Nb + 50C NbC0.95-1.0 ГЦК Текстура Nb(Об) - 84.3 ± 3.0 18.90-23.(NbГ) a = 4.436 20-50 С(Об) - 11.45 ± 0.8 (24) 7 50V + 50C VC0.85-0.88 ГЦК 15-50 V(Об) - 84.3 ± 3.0 13.00-26.(10ГV) a = 4.188 C(Об) - 9.5 ± 0.5 (28) 8 50Cr + 50C Cr3C + Cr Ромбическая 80-120 Cr(Об) - 84.3 ± 2.8 17.00-27.(8ГCr) Ближе к фазе Cr6C a = 2.86, C(Об) - 13.4 ± 0.b = 5.58, C(Св) - 0.59 ± 0.c = 11.9 50Ti + 50C TiC0.95-0.98 - 98.5 ± 0.4 Кубическая Н.У. Текстура 21.50-34.(2TiГ) Тип В-1 111 (29.3) 4.330 30-10 80Ti : 20C TiC0.5-0.6 - 68.6 ± 0.4 Кубическая Н.У. 80-120 11.00-22.(3TiГ) Ti - 31.4 ± 0.4 Тип В-4.11 50Zr : 50C ZrC0.9-0.95 - 96.5 ± 0.4 Кубическая Н.У. 50-60 18.50-30.(4ZrГ) Тип В-1 (28.6) 4.12 80Zr : 20C ZrC0.5-0.6 - 76.5 ± 0.4 Кубическая Н.У.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.