Береговая О.М., Колтунова Л.Н.

Одесская национальная академия пищевых технологий (ОНАПТ), г. Одесса

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ТИТАНА В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИИ ПРИ ВИБРАЦИИ

При изучении коррозии при вибрации и выборе методов снижения ее интенсивности исследователи обычно сталкиваются с принципиальной трудностью: отсутствием надежного критерия для сравнения результатов, полученных разными авторами. Это объясняется многообразием и качественным различием физико-химических процессов, сопровождающих коррозию при вибрации, что, естественно, затрудняет их количественное описание. Преодолеть указанную выше трудность можно применением комплексных методов исследования, которые включают изучение различных процессов, происходящих при фреттинг-коррозии: определение объемного и линейного повреждения, исследование его характера с помощью электронной микроскопии и профилирования поврежденной поверхности, изучение характера и состава продуктов износа, кинетики изменения коэффициента трения непосредственно в процессе вибрации и т.п.

Формирование поверхностных слоев из тугоплавких нитридов, карбидов и других металлоподобных соединений позволяет сочетать хорошие технологические и эксплуатационные свойства металлической основы с высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью поверхности.

Важным достоинством метода нанесения конденсационных покрытий, использующего вакуумную технологию, помимо его универсальности, является принципиальная возможность полной автоматизации процесса нанесения покрытий. Вакуумная технология позволяет сделать процесс нанесения покрытий «замкнутым» и полностью устранить контакт с окружающей средой. С этой точки зрения ее можно считать экологически чистой. В этом состоит большое преимущество вакуумной технологии перед «открытыми» методами нанесения покрытий (металлизация распылением, электролитическое осаждение и т.п.).

Кратким историческим обзором применения конденсационных покрытий и пленок, получаемых методом ионного осаждения, по состоянию на конец ХХ века является работа [1]. Возможности метода ионного осаждения расширили область применения конденсационных нитридных покрытий, которые характеризуются значительной твердостью и коррозионной стойкостью. Эти покрытия предназначены для повышения износостойкости режущих инструментов, модернизации механической обработки, защиты изделий от коррозии и увеличения срока службы деталей в агрессивных средах и при высоких температурах, для защитно-декоративных целей и пр.

Большой научный и практический интерес представляют покрытия на основе нитрида титана с точки зрения физико-химической механики материалов.

Следует, отметить, что в научной литературе поведение конденсационных покрытий на основе нитридов в условиях вибрации изучено недостаточно. [2, 3].

В настоящей работе проведено комплексное исследование защитных свойств конденсационных покрытий на основе нитрида титана при вибрации в атмосферных условиях. Покрытие наносили на сталь 45; контактирующей поверхностью была незащищенная сталь 45. Исследование коррозии при вибрации проведено при плоском нагруженном кольцевом контакте поверхностей (площадь контакта 0,5 см²). В процессе испытания образцов проводилось непрерывное измерение коэффициента трения в зоне контакта, что позволило определить время приработки контактирующих поверхностей и вычислить удельную работу трения. Для некоторых случаев был определен состав продуктов коррозии и на сканирующем электронном микроскопе исследован рельеф поверхности покрытия до и после испытания.

Для выяснения защитного действия покрытий предварительно проведено исследование коррозии при вибрации незащищенных стальных поверхностей. Условия испытаний следующие: амплитуда скольжения 50 мкм, частота вибрации 50 Гц; удельная нагрузка от 5 до 80 МПа; продолжительность испытания 5 ч. С помощью профилографа — профилометра определяли максимальную и среднюю глубину коррозионно-механического разрушения. Установлено, что средняя глубина повреждения монотонно возрастает при увеличении удельной нагрузки, а для максимальной глубины повреждения характерен максимум при нагрузке 60 МПа. Это объясняется тем, что при удельной нагрузке 80 МПа вынос продуктов коррозии из зоны контакта затруднен, поэтому часть продуктов износа закупоривает образующиеся трещины. В результате максимальная глубина повреждения при удельной нагрузке 80 МПа оказывается меньшей, чем при 60 МПа.

Кинетика коэффициента трения в процессе коррозии в условиях вибрации зависит от величины удельной нагрузки. С увеличением удельной нагрузки продолжительность приработки снижается, причем при нагрузке 80 МПа это снижение постепенное, без резких перепадов. При малой удельной нагрузке наблюдаются резкие скачки в изменении коэффициента трения.

По кривым кинетики коэффициента трения и полученному на опыте значению объемного износа вычислена удельная работа трения , т.е. отношение работы трения к объемному износу на единице площади контакта. Удельная работа трения служит характеристикой стойкости контактирующей пары: при одинаковой удельной нагрузке для более стойкого материала удельная работа трения выше. Для незащищенных стальных поверхностей при нагрузке 80 МПа удельная работа трения составляет 150…160 (кДж·см²)/мм³.

Для получения покрытий на основе нитрида титана электроннолучевое испарение титана проводили в тлеющем разряде в атмосфере азота при давлении порядка 0,1 Па. Защищаемая поверхность находилась под отрицательным потенциалом относительно тигля с испаряемым титаном. Температура конденсации составляла 450 ºС; скорость конденсации примерно 0,5 мкм/мин. Микротвердость полученного покрытия находилась в интервале 18…20 ГПа.

Перед осаждением покрытия проводилась очистка стальной поверхности путем ионной бомбардировки. Кроме формирования соответствующего рельефа следствием ионной бомбардировки поверхности является ее активация, что обеспечивает высокую адгезию покрытия. Процесс конденсации осуществляется непосредственно после ионной обработки подложки при уменьшении потенциала смещения до нескольких десятков вольт.

Установлено, что линейный износ в течение 0,5·10⁶ циклов испытания незащищенного стального образца составил 6 – 8 мкм, что значительно меньше износа в контакте незащищенных поверхностей. Глубина повреждения покрытия составила примерно 3 мкм, причем наблюдается (на профилограммах) перенос продуктов коррозионного износа с поверхности незащищенного стального образца контактирующей пары на защищенную поверхность.

Как и в случае незащищенной металлической пары, коэффициент трения при наличии покрытия TiN вначале достаточно высокий (0,9), но затем уменьшается до постоянного значения 0,45…0,5. Удельная работа трения при наличии покрытия TiN составляет порядка 300 (кДж·см²)/мм³.

На основе анализа характеристик трения можно сделать вывод, что оптимальной структурой поверхностного слоя является гетерогенная, обеспечивающая в условиях трения упруго-пластический контакт. Низкий коэффициент трения и высокая износостойкость получаются при благоприятном сочетании в поверхностном слое вязкой и твердой фаз, достаточной твердости и высокой хрупкой прочности последней. Заметим, что авторы работы [4] установили, что при нанесении конденсационного покрытия TiN на сталь 08 кп, кроме фаз нитрида титана в покрытии присутствует фаза α- Ti. Наличие титана, благодаря его высокой пластичности, способствует релаксации остаточных напряжений, возникших в нитридном покрытии, что и приводит к улучшению защитных свойств в условиях вибрации. В научной литературе имеются данные о том, что для улучшения адгезии и снижения сжимающих остаточных напряжений в TiN покрытиях используют подслой титана [5, 6].

Таким образом, конденсационные покрытия на основе нитрида титана позволяют существенно повысить стойкость контактирующих стальных поверхностей в условиях вибрации.

Литература

1. Mattox D.M. Ion plating – past, present and future // Surf. and Coat. Techn. – 2000. – Vol. 134 – 135. – P. 517-521.

2. 84. Vadiraj A., Kamaraj M. Characterization of fretting fatigue damage of PVD TiN coated biomedical titanium alloys // Surf. and Coat. Techn. – 2006. – Vol. 200, № 14-15. – P. 4538-4542.

3. Ben Cheikh Larbi A., Tlili B. Fretting wear of multilayered PVD TiAlCN/TiAlN/TiAl on AISI 4140 steel // Surf. and Coat. Techn. – 2006. – Vol. 201, № 3-4. – P. 1511-1518.

4. Мрочек Ж.А., Вершина А.К., Изотова С.Д. Влияние технологических параметров процесса осаждения Ti и TiN покрытий на их защитные свойства // ФХММ. – 1992. – № 5. – С.64-68.

5. The influence of titanium interlayers on the adhesion of PVD TiN coatings on oxidized stainless steel substrates / K. A. Pischow, L. Eriksson, E. Harju et al. // Surf. and Coat. Techn. – 1993. – Vol. 58, № 3. – P. 163-172.

6. Huang J.H., Ma C.H., Chen H. Effect of Ti interlayer on the residual stress and texture development of TiN thin films deposited by unbalanced magnetron sputtering // Surf. and Coat. Techn. – 2006. – Vol. 201, № 6. – P. 3199-3204.