*111741*

Д.т.н. Дзюба В.Л., к.ф.-м.н. Василенко Н.П.*, к.т.н. Васецька Л.О.^*

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Україна

^* Інститут хімічних технологій Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Рубіжне), Україна

Модифікування поверхні дрібнорозмірного волочильного інструменту іонами титану, хрому і азоту

Загальновідомо, що нітридні модифіковані покриття володіють низкою цінних властивостей, перспективних у ряді галузей техніки [1]. Проте, більш широке впровадження захисних нітридних покриттів стримується їх невисокою надійністю в процесі експлуатації деталей, тому вивчення зносостійкості, твердості і адгезійно-когезійного звязку нітридних покриттів, отриманих методом іонної імплантації (ІІ) є актуальним.

У даній статті досліджуються отримані модифіковані захисні покриття нітриду титану і хрому методом ІІ на підкладках конструкційних легованих сталей. Вивчається структура, кінетика зростання, властивості, а також використання цих покриттів в якості захисних на дрібнорозмірному волочильному інструменті.

Для отримання захисних покриттів на дрібнорозмірному волочильному інструменті в підкладку імплантувалися іони титану, хрому і азоту. В якості підкладки були використані зразки сталі 40Х. Імплантація азоту углиб сталевих підкладок проводилася при кімнатній температурі і робочому тиску 3,32·10^-2 Па. Використовувалися мішені титану і хрому. Підкладки були зважені до і після імплантації на аналітичних вагах моделі ВЛР-200Г.

Щоб отримати якісні тверді та зносостійкі покриття, важливо правильно підібрати режими імплантації. У літературних даних [2] вказано, що зносостійкість покриттів максимальна при дозі впроваджуваних іонів D=10¹⁷ іон/см². Оскільки D безпосередньо залежить від часу, то для імплантації було взято зразки сталі 40Х в кількості 30 штук і проведено ІІ при режимах: U_p = 400 B, I_p = 0,5 A, U_m = 2 кВ, I_m= 50 мА, U_підкл. = 25 кВ, I_підкл. = 35 мA. Час імплантації варіювався від 10 до 90 хв. Доза іонів, упроваджених в підкладку складала 2·10¹⁶ - 6,02·10¹⁷ іон/см².

На рисунках 1–2 показана структура сталі 40Х до і після імплантації нітриду титану. Перед імплантацією зразки протравлювалися розчином 4% HNO₃ в етиловому спирті.

Візуально видно, що в процесі модифікації зерно зменшується і структура сталі стає більш дрібнозернистою, із збільшенням часу модифікації (20 хв, рис.1) на поверхні сталі спостерігається утворення нітридної плівки. Далі при імплантації спостерігається структура сталі, але з плином часу ІІ (60 хв., рис. 2) знову чітко видно нітридну плівку, що утворилася. Цей цикл повторюється із збільшенням часу імплантації.

а б

Рис. 1 Структура сталі 40Х: а- до імплантації; б - після 20 хв. імплантації х 1320

а б

Рис. 2 Структура сталі 40Х: а- до імплантації, б - після 60 хв. імплантації х 1320

Це пов'язано з наступними ефектами. На початкових етапах імплантації при енергії 25 кВ іони Ti і N проникають углиб сталі на певну глибину і дроблять зерно сталі - спостерігається дрібнозерниста структура. Із збільшенням часу ІІ, коли глибина проникнення углиб сталі стає максимальною, вони починають взаємодіяти один з одним і утворюють нітрид титану на поверхні зразка. Далі за рахунок термічної і радіаційно-стимулюючої дифузії нітрид титану диффундує углиб сталевої підкладки, на поверхні з'являються зерна сталі. З приходом нових атомів цей процес циклічно повторюється (до 90 хв. імплантації).

При використанні хромової мішені на конструкційних легованих підкладках (сталь 40Х) відбувається зростання фази нітриду хрому і зерно укрупнюється (рис.3). Проте в даному випадку це не призводить до зниження твердості, зносостійкості й адгезійно-когезійного зв’язку, оскільки фаза нітриду хрому має високу твердість.

Як показали вимірювання товщини модифікованих покриттів, кінетика зростання покриття на підкладці 40Х описується лінійним законом до 50 хв. ІІ нітриду титану, що означає протікання на цих часах імплантації твердофазних реакцій і утворення хімічних сполук, а після 50 хв. імплантації спостерігається параболічна залежність зростання шару - фази, що утворилися, дифундують углиб сталевих грат (рис.4).

а б

Рис. 3 Структура сталі 40Х: а - після 10 хв., б - після 50 хв. імплантації х 500

Рис. 4. Графік залежності товщини модифікованого покриття на підкладки сталі 40Х від часу імплантації нітриду титану

Максимальний модифікований шар, отриманий на підкладках сталі 40Х, складає 0,63 мкм (рис. 5, а).

На рис. 6 приведена тимчасова залежність товщини модифікованого покриття СrN на підкладці сталі 40Х. На графіку ми спостерігаємо змішаний закон зростання шару, як і на рис 6. Але в даному випадку при використанні хромової мішені і імплантації іонів хрому в підкладку сталі, легованої хромом, відбувається інтенсивне зростання фази нітриду хрому. За даних умов утворюється шар товщиною 0,9 мкм (рис.5, б).

а б

Рис. 5 Оптичний знімок поперечного зрізу модифікованого покриття на підкладці 40Х при: а - 60 хв. імплантації TiN, б - 90 хв. імплантації CrN х 1950

Рис. 6. Графік залежності товщини модифікованого покриття на підкладки сталі 40Х від часу імплантації нітриду хрому

Дані по мікротвердості покриття нітриду титану свідчать про зміну фазового складу і структури покриття із збільшенням ширини модифікованого шару. Максимальна твердість покриття на підкладці сталі 40Х при використанні мішені титану досягає величини 3,58 ГПа (рис. 7). Модифікація шару у разі використання як підкладки конструкційних легованих сталей дає більше значення твердості, ніж на вуглецевих сталях [3]. Це пов'язано з утворенням фази нітриду хрому, яка має високе значення твердості. Характер кривої є нелінійним, що пояснюється утворенням фаз нітриду хрому на поверхні сталі й зростанням модифікованого шару.

Рис. 7. Графік залежності твердості модифікованого покриття сталі 40Х від часу імплантації TiN. 1 - твердість композиції, 2 - твердість підкладки

Тимчасова залежність твердості модифікованого покриття сталі 40Х при імплантації в її підкладку іонів хрому і азоту має максимальне значення при 10 хв. ІІ. При збільшенні часу імплантації (20-60 хв.) твердість покриття однакова і рівна на всіх ділянках часу ~ 4 ГПа. При подальшій модифікації поверхні (70-90 хв.) твердість системи знижується. Це пов'язано із виникненням в поверхневому шарі значної внутрішньої напруги із-за безперервного надходження атомів азоту і хрому углиб підкладки із збільшенням часу опромінювання поверхні (більше 70 хв.). В результаті цього явища грати спотворюються, виникають внутрішні дефекти, що, у свою чергу, призводить до зниження твердості. Мікротвердість на 10-60 хв. імплантації має в 2,4 рази більші значення, ніж у необробленої підкладки. Максимальна твердість рівна 5,41 ГПа (рис. 8).

Вимірювання адгезійно-когезійного зв’язку покриттів з підкладками сталі 40Х, отриманих з використанням мішеней титану і хрому, проводилося по загальноприйнятій методиці. Оцінку величини адгезійно-когезійного зв’язку приведено в таблиці 1.

Для дряпання були взяті зразки, які мали різні значення твердості (рис. 9). З рисунка видно, що із збільшенням часу імплантації ширина канавки стає більш вузькою.

Рис. 8. Графік залежності твердості модифікованого покриття сталі 40Х від часу імплантації CrN. 1 - твердість композиції, 2 - твердість підкладки

Таблиця 1

Оцінка величини адгезійно-когезійного зв’язку модифікованих нітридних покриттів, ГПа, навантаження на індентор 15 г

Підкладка Н, ГПа	Час імплантації, хв.
	Ti та N				Cr та N
	12	30	50	60	10	40	70	90
Сталь 40Х	2,417	2,728	3,563	4,850	1,935	2,156	2,728	3,104

а б

Рис. 9 Результати дряпання поверхні покриттів нітриду титану на сталі 40Х при навантаженні на індентор 15 г після: а - 12 хв., б - 60 хв. імплантації х 800

Отже, величина адгезійно-когезійного зв’язку зростає із збільшенням часу імплантації (рис. 10) й у 6-8 разів перевищує зчеплення з основою у разі ВЧ-магнетронного розпилення [4].

Рис. 10. Графік залежності величини адгезійно-когезійного зв’язку модифікованого покриття сталі 40Х від часу імплантації нітриду титану

Залежність величини адгезійно-когезійного зв’язку від часу імплантації при використанні мішені Cr на підкладці сталі 40Х нагадує залежність, отриману на підкладці сталі ВСт3сп [3]. Проте величина зчеплення з основою в 1,75 разів вище (рис. 11) при використанні підкладки із сталі 40Х. Це пов'язано з тим, що в підкладці, легованій хромом при використанні хромової мішені інтенсивніше формується фаза нітриду хрому в модифікованому шарі.

Рис. 11. Графік залежності величини адгезійно-когезійного зв’язку модифікованого покриття сталі 40Х від часу імплантації нітриду хрому

Як і у разі ІІ з використанням мішені титану покриття повністю не видаляється з поверхні підкладки, що свідчить про хороші пластичні властивості модифікованої поверхні матеріалу (рис. 12).

а б

Рис. 12 Результати дряпання поверхні покриттів нітриду хрому на сталі 40Х при навантаженні на індентор 15 г після: а - 40 хв., б - 70 хв. імплантації х 800

Отже, при використанні мішеней титану і хрому методом ІІ на підкладках конструкційних легованих сталей досягнуто необхідне співвідношення твердості і пластичності, завдяки якому отримані модифіковані шари можна використовувати в якості захисних покриттів на дрібнорозмірному сталевому волочильному інструменті.

Література:

1. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / [под ред. Поута Дж. М., Фоти Г., Джекобсона Д. К. – М.: Машиностроение, 1987. – 424 с.

2. Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы : [cб. статей / науч. ред. Куранский Е. и др.]. – М.: Мир, 1980. – 332 с.

3. Дзюба В. Л. Исследование влияния режимов имплантации ионов на физико-механические свойства стали / В. Л. Дзюба, Н. А. Кляхина, Л. А. Васецкая // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2009. - № 5. – С. 249–253.

4. Коновалов В. А. Кинетика нарастания и свойства наноструктурных пленок диборида гафния / В. А.Коновалов, Д. Н. Терпий // Журнал технической физики. – 2009. – Т. 79, № 7. – с. 96–100.