Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы ионно-плазменного модифицирования поверхностей конструкционных материалов 11
1.1. Анализ процессов азотирования 11
1.2. Методы ионно-плазменного азотирования 16
1.2.1. Ионное азотирование с использованием источников ионов 16
1.2.2. Азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование) 25
1.2.3. Взаимодействие плазмы с поверхностью детали при азотировании в тлеющем разряде 34
1.3. Анализ методов нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий 37
14. Коррозионные свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий 40
1.5. Многослойные вакуумные ионно-плазменные покрытия 44 Цель и задачи работы 48
Глава 2. Объект, методы и методики экспериментальных исследований 49
2.1. Объект исследований, механические свойства исследованных материалов и покрытий
2.2. Описание модернизированной установки ЭЛУ-5 для ионного азотирования в тлеющем разряде
2.3. Описание модернизированной установки ННВ-6,6-И1 для плазменно-ассистированного нанесения покрытий 54
2.4. Методика измерения микротвердости 59
2.5. Методика металлографического исследования азотированного слоя
2.6. Методика рентеноструктурного анализа покрытий 60
2.7. Методы оценки коррозии 62
2.7.1. Определение коррозионностоикости по изменению массы образца 62
2.7.2. Электрохимические методы испытаний 63
Глава 3. Ионное азотирование конструкционных сталей и титановых сплавов 65
3.1. Ионное азотирование в тлеющем разряде на основе эффекта полого катода
3.2. Экспериментальные исследования вольт-амперных характеристик тлеющего разряда
3.3. Экспериментальные результаты температурных зависимостей при ионном азотировании
3.4. Исследования влияние состава рабочих газов и режимов азотирования на микротвердость и глубину азотированных слоев 73
3.5. Структура азотированного слоя 78
3.6. Исследование азотирования несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом, реализуемым плазменным источником «ПИНК» 79
Глава 4. Исследование влияния технологии плазменно-ассистированного нанесения многослойных покрытий композиции Ti-TiN на эксплуатационные свойства 83
4.1. Математическая модель осаждения ионно-плазменных покрытий 83
4.2. Результаты рентгеноструктурного анализа образцов с многослойными покрытиями Ti-TiN 90
4.3. Коррозионные свойства многослойных покрытий композиции Ti-TiN нанесенных методом плазменно-ассистированного нанесения покрытий 95
4.4. Исследование теплостойкости и термостойкости многослойных покрытий композиции Ti-TiN Ю2
Глава 5. Проектирование производственного участка для плазменно-ассистированного нанесения покрытий на корпуса искровых свечей зажигания 106
5.1. Объект производства 106
5.2. Анализ технологии создания защитно-декоративного покрытия на предприятии 107
5.3. Методы контроля качества искровых свечей зажигания 108
5.4. Технологический процесс плазменно-ассистированного нанесения покрытий композиции Ti-TiN 108
5.5. Проектирование участка для нанесения ионно-плазменных покрытий с учётом экономических затрат на производство 111
Основные выводы и результаты работы 117
Список использованных источников 118
Приложения 135
- Методы ионно-плазменного азотирования
- Описание модернизированной установки ЭЛУ-5 для ионного азотирования в тлеющем разряде
- Экспериментальные исследования вольт-амперных характеристик тлеющего разряда
- Результаты рентгеноструктурного анализа образцов с многослойными покрытиями Ti-TiN
Введение к работе
Детали современных энергонагруженных машин работают в условиях высоких температур и нагрузок, наличия агрессивных сред.
Наиболее распространенными причинами повреждения деталей машин являются износ и коррозия поверхности.
Изнашивание является сложным физико-химическим процессом, нередко сопровождается коррозией и называется коррозионной эрозией, коррозионным износом или фреттинг-коррозией.
Для повышения эксплуатационных свойств применяются различные методы: различные виды химико-термической обработки, поверхностно-пластического упрочнения, нанесения покрытий и т.д.
Так, например, одним из методов повышения износостойкости поверхности деталей является азотирование. Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьёзными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой є-фазьі на поверхности деталей.
Процессы ионного азотирования позволяют не только избавиться от перечисленных выше недостатков, но и добиться ряда важных преимуществ: большая скорость насыщения; получение диффузионных слоев заданного фазового состава и строения; возможность проведения регулируемых процессов азотирования; незначительные деформации изделий и высокий класс чистоты поверхности; возможность азотирования пассивирующихся материалов без дополнительной депассивирующей обработки; значительное сокращение общего времени процесса за счёт уменьшения времени нагрева и охлаждения партии обрабатываемых деталей и исключения промежуточных технологических операции по активации поверхности детали; большую экономичность процесса, повышения коэффициента использования электроэнергии, сокра-
щение расхода насыщающих газов; процесс нетоксичен и отвечает требованиям по защите окружающей среды.
В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, либо уменьшая скорость, либо прекращая его полностью.
Наиболее распространенным методом защиты деталей машин от коррозии является нанесение покрытий и легирование защищаемой поверхности.
Один из простых и наиболее разработанных методов нанесения металлических покрытий - это электролитическое осаждение. К недостаткам этого метода следует отнести слабое сцепление покрытия с основой, так как осаждение происходит при комнатной температуре, и диффузионные процессы между слоем и материалом образца практически не протекают. Кроме того, в этом случае затруднено нанесение равномерных по толщине покрытий на детали сложной конфигурации. Возникают также сложности при формировании покрытий на непроводящие материалы.
Метод испарения и конденсации в высоком вакууме отличается от остальных высокой чистотой получаемых покрытий, что во многих случаях приводит к улучшению физических и механических параметров. Этот метод используется при получении металлических защитных покрытий на различных сильно окисляющихся материалах.
Для устранения или торможения коррозионных процессов на границе среда-металл, негативно воздействующих на эксплуатационные свойства материалов, целесообразно использовать вакуумно-плазменные покрытия на основе карбидов и нитридов металлов. Надежность и долговечность деталей зависит от стабильности коррозионно-механических характеристик конструкционных материалов при комплексном воздействии механических нагрузок, высоких температур и сред. Достижение положительного эффекта при
7 применении вакуумно-плазменных покрытий во многом обуславливается физико-химическими свойствами покрытий: составом, структурой, толщиной, шероховатостью, остаточными напряжениями и др.
Анализ литературных данных показал, что в качестве наиболее перспективных методов обработки поверхности рассматриваются вакуумные ионно-плазменные технологии (ВИПТ), обладающие целым рядом принципиальных преимуществ: универсальностью, высокой производительностью и воспроизводимостью параметров поверхностного слоя, практически полным отсутствием экологических проблем.
Однако, несмотря на значительное число выполненных исследований и решенных практических задач, перед ионно-плазменной технологией стоит ряд сложных проблем, связанных с совершенствованием технологических процессов (интенсификация процессов обработки, совершенствование разработанных и создание новых более перспективных методов, повышение точности обработки и качества поверхностного слоя).
Анализ работ, выполненных в последнее время, показал, что повышение производительности ионно-плазменной обработки и качества поверхностного слоя, возможно за счёт дополнительной ионизации атомов газа.
Таким образом, весьма актуальным является исследование методов ионно-плазменной обработки с дополнительной ионизацией атомов газа, обеспечиваемой путем применения различных технических решений.
Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:
Характеристики тлеющего разряда с использованием эффекта полого катода (ЭГЖ) в условиях ионного азотирования (при Р>100 Па).
Закономерности влияния обработки поверхности тлеющим разрядом с использованием ЭГЖ в различных газах на распределение твердости по глубине поверхностного слоя.
Характеристики несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда, реализуемого плазменным источником «ПИНК», и закономерности
8 влияния обработки поверхности в смеси газов Аг25%-Ы250%-С2Нг25% на
распределение твердости по глубине поверхностного слоя.
4. Структурно-фазовый состав и экспериментальные зависимости коррозионной стойкости и термостойкости многослойных покрытий композиции Ti-TiN, нанесенных в условиях бомбардировки ионами газа (плазменно-ассистированное нанесение покрытий (ПАНП)).
Научная новизна:
Исследован метод ионного азотирования в тлеющем разряде с использованием ЭПК, заключающийся в том, что в системе, состоящей из специального экрана в виде сетки и обрабатываемой поверхности детали, находящихся под отрицательным потенциалом, формируется плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц, генерируемых быстрыми осциллирующими электронами, эмитируемыми с поверхности катодной полости.
Впервые экспериментально установлено влияние обработки поверхности тлеющим разрядом с использованием ЭПК в различных газах на распределение твердости по глубине поверхностного слоя.
Впервые экспериментально получены характеристики несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда в смеси газов Аг25%-N250%-C2H225% и установлено распределение твердости по глубине поверхностного слоя, обработанного в данной смеси.
Установлено, что плазменно-ассистированное нанесение многослойных покрытий Ti-TiN приводит к увеличению коррозионной стойкости, по сравнению с нитридом титана, нанесенным методом катодной ионной бомбардировкой (КИБ). Это обусловлено тем, что в многослойных покрытиях Ti-TiN образуются фазы a-Ti и TiN с текстурами различных направлений, причем с увеличением числа слоев увеличивается разориентация кристаллов указанных выше фаз. Из анализа величин физического уширения рентгеновских пиков установлено, что увеличение числа слоев приводит к снижению внутренних напряжений в покрытии. Указанные особенности многослойных покрытий, полученных методом ПАНП, обеспечивают большую коррозион-
9 ную стойкость и термостойкость, по сравнению с монослойными покрытиями нитрида титана.
Практическая ценность работы
1. Исследованный метод обработки поверхности в тлеющем разряде с
эффектом полого катода, а также зависимости скорости нагрева детали и
температуры от давления в камере, напряжения и тока разряда могут быть
использованы при назначении технологических режимов при ионном азоти
ровании.
2. Закономерности плазменно-ассистированного нанесения слоевых
композиций Ti-TiN могут быть использованы при разработке технологиче
ского процесса напыления многослойных покрытий.
Реализация результатов работы
Разработан технологический процесс плазменно-ассистированного нанесения многослойных покрытий Ti-TiN на корпуса искровых свечей зажигания и подготовлен проект участка для его реализации на Уфимском заводе электротехнических изделий (УЗЭТИ).
По результатам работы было проведено плазменно-ассистированное нанесение многослойных покрытий Ti-TiN на опытную партию корпусов искровых свечей зажигания А17ДВ-1. Свечи с покрытиями успешно прошли заводские эксплуатационные испытания.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ в виде методических указаний к лабораторным работам.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2002); Пятой международной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 2002); Международной конференции «ОТТОМ-4» (Харьков, 2003); Международной научно-технической конференции «Про-
10 блемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2003); Региональных научно-технических конференциях (Уфа, 2000, 2002, 2003).
Аннотация диссертационной работы по главам
В первой главе проведен анализ методов азотирования и нанесения ионно-плазменных покрытий, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик поверхностей деталей машин.
Во второй главе рассмотрены механические свойства и химический состав исследуемых сталей и сплавов. Приведены методики определения микротвердости, металлографического исследования, коррозионной стойкости и рентгеноструктурного анализа.
В третьей главе представлены экспериментальные исследования ионного азотирования в тлеющем разряде с использованием ЭПК и ионно-плазменного азотирования несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом.
Четвертая глава посвящена исследованию эксплуатационных свойств многослойных покрытий композиции Ti-TiN, полученных методом плазмен-но-ассистированного нанесения покрытий.
Пятая глава посвящена разработке технологии плазменно-ассистированного нанесения многослойных покрытий Ti-TiN на металлические корпуса искровых свечей зажигания.
Методы ионно-плазменного азотирования
Рассмотрим основные методы ионно-плазменного азотирования материалов (рис. 1.1): 1. Ионная имплантация: Параметры: Р=10"3- 10"2Па, Е=20 - 200 кэВ, J=10-50MKA/CM2; Достоинства: обработка при низких температурах поверхности; Недостатки: сложность оборудования, сложность процесса обработки; низкий диапазон рабочего давления, малая производительность (глубина имплантации 1-3 мкм), высокая себестоимость обработки; 2. Азотирование с помощью источников низкоэнергетических ионов: Параметры: Р=Ю"2- 10_1Па, Е=200 - 500 эВ, J=5-20MA/CM2; Достоинства: азотирование при низких давлениях, универсальность. Недостатки: сложность оборудования, сложность процесса обработки; низкий диапазон рабочего давления, высокая себестоимость обработки; 3. Ионное азотирование в тлеющем разряде: Параметры: Р=100- 1000 Па, Е=200 - 800 эВ, J=1-5MA/CM2; Достоинства: простота проведения процесса, простота оборудования, большая скорость азотирования, относительно высокий диапазон рабочего давления, низкая себестоимость обработки. 4. Ионное азотирование в тлеющем разряде с использованием эффекта полого катода (ЭПК):
Параметры: Р=50- 500 Па, Е=200 - 600 эВ, J=1-20MA/CM2; Позволяет совместить достоинства ионного азотирования в тлеющем разряде с плотностью ионного тока, получаемого с помощью источников низкоэнергетических ионов. За счет увеличения плотности ионного тока увеличивается скорость процессов испарения-конденсации при ионном азотировании в тлеющем разряде, что приводит к увеличению скорости азотирования в 1,2-1,5 раза.
Основные параметры методов ионно-плазменного азотирования К достоинствам ионной имплантации, по сравнению с другими методами обработки, следует отнести [4,37,50,121]: во-первых, универсальность и гибкость метода, который позволяет получить необходимые концентрации легирующей примеси даже тогда, когда другие методы неприменимы; во-вторых, имплантация ионов может осуществляться при низких температурах (вплоть до комнатных), благодаря чему возникает возможность сохранить исходные свойства материалов, если удается ликвидировать возникающие радиационные дефекты в такой структуре; в-третьих, большие возможности полной автоматизации процесса легирования, что чрезвычайно важно для резкого повышения, как производительности труда, так и воспроизводимости параметров обрабатываемых поверхностей.
Однако, несмотря на все достоинства азотирование сталей и сплавов ионной имплантацией азота малоэффективно, ввиду малой глубины проникновения ионов.
В то же время эффект дальнодействия может обеспечить для некоторых комбинаций ион-мишень проникновение имплантируемых атомов на глубины, превышающие пробеги ионов на несколько порядков.
В работе [1] описан способ увеличения глубины распределения имплантированных ионов путём проведения ионной имплантации с одновременным диффузионным отжигом, для увеличения радиационно-стимулируемой диффузии.
В работе М.И. Гусевой, A.M. Смыслова и др. эффект дальнодействия продемонстрирован при комбинации высоко- и низкоэнергетичных ионов азота на примере мартенситной стали, для которой ионная имплантация не эффективна, и титанового сплава, широко применяемого в промышленности (рис. 1.З.). На основе результатов исследования влияния нескольких режимов облучения стали высоко- и низкоэнергетичными ионами на ее микротвердость при разных нагрузках были сделаны следующие выводы[70]: - имплантация ионов N4" с энергией 30 кэВ малоэффективна для сталей; - предварительная бомбардировка ионами Аг+ с энергией 30 кэВ и последующая имплантация высокоэнергетичных ионов ЬҐ той же энергии также мало изменяет микротвердость поверхностного слоя; - имплантация ионов N с энергией 30 кэВ малоэффективна для сталей; - предварительная бомбардировка ионами Аг+ с энергией 30 кэВ и последующая имплантация высокоэнергетичных ионов N той же энергии также мало изменяет микротвердость поверхностного слоя; - плазменное азотирование увеличивает микротвердость в 1,6 раза по сравнению с вариантом имплантации ионов К1" с энергией 30 кэВ; - предварительное облучение ионами Аг+с энергией 30 кэВ (доза 1017 см"2) вызывает дополнительное увеличение твердости поверхностного слоя (Н/Но=2,\7 при нагрузке 0,5 Н) при последующем плазменном азотировании. Это указывает на роль радиационных дефектов в упрочнении поверхности при плазменном азотировании; - максимальное увеличение микротвердости (Н/Но 3 при нагрузке 0,5 Н) и максимальная толщина упрочненного слоя достигаются при последовательном облучении стали сначала ионами N4" с энергией 30 кэВ, а затем интенсивным потоком ионов N с энергией 300 эВ.
Описание модернизированной установки ЭЛУ-5 для ионного азотирования в тлеющем разряде
Электронно-лучевая установка (ЭЛУ-5) была переоборудована в установку для ионного азотирования в тлеющем разряде с использованием эффекта полого катода (рис. 2.1.). Модернизированная установка ЭЛУ-5 позволила проводить ионное азотирование в тлеющем разряде при давлении Р=100-ь1000Па, напряжении U до1500В и током I до 2 А. Переоборудование включает в себя: - оснащение вакуумной камеры диэлектрическим столом, позволяющим размещать обрабатываемую деталь, катод, анод, изменять расстояние между анодом и обрабатываемой деталью, произвести подвод электропитания непосредственно к электродам; - установку натекателя, позволяющего производить дозированную подачу рабочего газа в вакуумную камеру; - изготовление и установку анода для реализации обработки тлеющим разрядом с использованием эффекта полого катода; - установку и подключение источника с постоянным напряжением до 2 кВ и силой тока до 1,7А; - изготовление и установку специальных вводов для исключения попадания вакуумной камеры под потенциал катода; - разработку, изготовление и установку специальных диэлектрических экранов, необходимых для того, чтобы изолировать вводы электродов в вакуумной камере и устранить зажигание разряда на ввод катода в вакуумную камеру; - разработку и изготовление приспособлений, позволяющих размещать обрабатываемую деталь и специальный экран (сетку) на определенном
Модернизированная установка ЭЛУ-5: а - общий вид установки; б - диэлектрический стол, подводимая термопара и диэлектрический экран; в - источник питания постоянного тока Вакуумная система установки позволяет создать вакуум до 10"3Па с помощью диффузионного и форвакуумного насосов. Контроль вакуума осуществляется цифровым вакуумметром БПДВ-8-001, который позволяет измерять давление в диапазоне 2,7-10"1 - 105 Па. В качестве датчика использовался преобразователь манометрический терморезисторный ПМТ-6-ЗМ-1. Для определения основных закономерностей тлеющего разряда с эффектом полого катода на модернизированной установке ЭЛУ-5 был проведён ряд экспериментов.
В вакуумной камере монтируется анод, который представляет собой металлическую пластину размером 40х 120x3мм3. Анод монтируется в камере на специальном токовводе. На некотором расстоянии от анода устанавливается катод (деталь). Катод представляет собой металлическую пластину размером 40х 120x3мм3, смонтированную на специальной керамической подставке, изолирующей катод от корпуса вакуумной камеры. На катоде устанавливаются исследуемые образцы. Подключение потенциала катода осуществляется через специальный токоввод. Для устранения привязывания разряда в местах подключения катода были установлены специальные диэлектрические экраны. Питание разряда осуществляется специальным источником с выходным напряжением 2кВ и током до 1,7А.
Для создания полого катода, на расстоянии 5 - 7мм от поверхности катода устанавливается специальный экран. Обрабатываемая деталь и экран находятся под отрицательным потенциалом.
Для снятия температурных зависимостей в камере была установлена отводимая "хромель-капелевая" термопара. Термопара устанавливается на вращающийся штатив. Подвод и отвод кончика термопары к катоду осуществляется вращением штатива. Для выноса выводов термопары из вакуумной камеры используются специальные выводы.
Экспериментальные исследования вольт-амперных характеристик тлеющего разряда
Для определения основных характеристик тлеющего разряда (напряжение разряда, ток разряда, температура детали) был проведен ряд экспериментов. Зависимость вольт-амперных характеристик от расстояния между катодом и сеткой (Р=500Па) При определенных соотношениях между напряжением разряда и расстоянием между катодом и сеткой в тлеющем разряде проявляется эффект полого катода, выражающийся в значительном увеличении разрядного тока и в некотором понижении разрядного напряжения. За начало проявления эффекта полого катода условно принималась по вольтамперным характеристикам точка А.
Увеличение напряжения горения тлеющего разряда приводит к увеличению тока разряда. Это объясняется более высокой способностью электронов к ионизации атомов газа, так как с увеличением напряжения горения разряда электроны приобретают более высокую энергию, необходимую для ионизации газа. С увеличением давления увеличивается число заряженных частиц (положительных ионов), которые, ударяясь о поверхность катода, выбивают большее количество электронов, в связи с чем ток разряда также увеличивается. При исследовании вольт-амперных характеристик тлеющего разряда с применением эффекта полого катода (рис. 3.4) установлено, что ток разряда в несколько раз больше тока тлеющего разряда без применения эффекта полого катода.
Увеличение тока разряда при применении эффекта полого катода объясняется тем, что в катодной полости, образованной поверхностью детали и экраном, увеличивается генерация заряженных частиц осциллирующими электронами, возрастает число ионов, бомбардирующих поверхность, и скорость распыления обрабатываемой поверхности [2, 4, 5].
Нагрев детали (катода) в тлеющем разряде зависит от целого ряда параметров: давления в вакуумной камере, тока разряда, напряжения, подаваемого на деталь, рода газа, массы садки и площади обрабатываемых поверхностей.
Анализ зависимостей температуры поверхности от времени показывает, что применение ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом позволяет увеличить температуру и скорость нагрева поверхности по сравнению с ионным азотированием в тлеющем разряде с плоским катодом. Это объясняется более высоким током тлеющего разряда при применении эффекта полого катода [2, 4, 5].
В результате проведенных исследований было установлено, что в указанных диапазонах изменяемых факторов азотирование в чистом азоте как с применением ЭПК, так и без ЭПК малоэффективно для сталей. Это объясняется тем, что при давлениях Р=100-500Па в камере присутствует остаточный кислород, который приводит к снижению активности азота и препятствует проникновению азота вглубь обрабатываемой поверхности. Для дезактивации кислорода, при азотировании стали в тлеющем разряде, необходимо наличие водорода в насыщающей атмосфере. Из рис. 3.8 следует, что в условиях проявления ЭПК значение глубины азотированного слоя существенно выше, несмотря на более низкое напряжение горения разряда. Увеличение глубины азотированного слоя на образцах азотированных в тлеющем разряде в условиях ЭПК объясняется увеличением степени ионизации, более высокой плотностью тока, что приводит к интенсификации процессов распыления поверхности, конденсации нитридов железа и диффузии атомов азота в глубь материала[7].
Таким образом, установлено, что применение ЭПК при азотировании позволяет увеличить скорость азотирования в 1,5 — 2 раза по сравнению с азотированием в тлеющем разряде с плоским катодом. Кроме того было замечено, что вероятность перехода тлеющего разряда в дуговой резко сокращается. 3.5. Структура азотированного слоя
Для выявления структуры азотированного слоя стали 38ХМЮА были проведены микроструктурные исследования. В качестве травителя был использован 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.
Анализ структуры показал наличие на поверхности карбонитридной зоны как на образце, обработанном в разряде с плоским катодом, так и на образце, обработанном в разряде с полым катодом, причем толщина карбонитридной зоны на образце, обработанном в разряде с полым катодом, больше в 2-3 раза.
Сравнение профилей микротвердости и анализ структуры позволяет сделать вывод, что при азотировании в условиях проявления ЭПК скорость азотирования выше на 50 - 70% при равных параметрах процесса (давление, температура, время насыщения) [7, 8].
Плазменный источник «ПИНК» широко используется для очистки и активации поверхностей перед нанесением покрытий, ионно-плазменного азотирования и при плазменно-ассистированном нанесении покрытий.
В рамках этой работы было проведено исследование характеристик плазменного источника «ПИНК» в различных газовых средах (N2, Аг, N250%-C2H225%-Ar25%). В качестве мишени использовалась стальная пластина суммарной площадью S=500CM .
На рис. ЗЛО приведены зависимости тока разряда от давления рабочего газа. В качестве рабочего газа использовались аргон, азот и смесь аргона, азота и ацетилена. Напряжение на подложке составляло U=400B, ток накального катода 1Н=120А.
Анализируя зависимости тока разряда от давления рабочего газа, можно заметить, что с увеличением давления ток разряда увеличивается. Это объясняется тем, что с увеличением давления увеличивается число актов ионизации электронами в полом катоде и в полом аноде (вакуумной камере). Величина тока разряда в различных газах зависит также от вероятности ионизации атомов газа. Так, например, ток разряда в аргоне в 3 раза больше тока разряда в азоте.
Результаты рентгеноструктурного анализа образцов с многослойными покрытиями Ti-TiN
Для нанесения покрытий, состоящих из микро- и нано- слоев Ті - TiN, использовалась модернизированная установка ННВ-6,6-И1. На образцы из стали 08кп наносились покрытия, состоящие из 2...20 слоев с толщиной слоев от 3 мкм до ЗООнм. Ионная очистка производилась с помощью плазменного источника «ПИНК» в среде инертного газа аргона при давлении 4-10 4мм.рт.ст., U = 1000В, Jpa3. = 35А. Время очистки - 3 минуты. Напыление проходило при тд = 80А. Напряжение и давление в камере во время нанесения слоевых композиций TiiN составили соответственно 120Ви0,1Па.
Анализ рентгенограмм показал, что однослойное покрытие состоит преимущественно из фазы TiN с ярко выраженной текстурой (111). Анализ рентгенограмм образцов с многослойными покрытиями показал наличие в них фазы ct-Ті и фазы TiN с текстурами различных направлений, причем с увеличением числа слоев увеличивается разориентация кристаллов указанных выше фаз. Эти явления проявляются в образовании равновесной мелкозернистой структуры, повышении плотности и улучшении свойств покрытия.
Анализ величины физического уширения рентгеновских пиков интенсивности позволил сделать вывод, что с увеличением числа слоев, внутренние напряжения в покрытии уменьшаются. Указанные особенности многослойных покрытий, полученных методом плазменно-ассистированного нанесения покрытий, приводят к увеличению коррозионной стойкости.
Для исследования защитных свойств покрытий были проведены исследования их коррозионной стойкости (в камере тропического климата, по изменению массы образца после воздействия агрессивной среды, электрохимическими методами).
Оценка результатов испытаний проводилась в соответствии с ГОСТ 9.908-85. Коррозионная стойкость и защитная способность покрытий оценивалась по величине частотного показателя коррозии после выдерживания образцов в камере тропического климата (Т=40С; влажность 96-98%) в течение 30 суток.
Результаты испытаний в камере тропического климата показывают, что площадь поражения коррозией у образцов с однослойным покрытием в несколько раз больше, чем у образцов с многослойными покрытиями (рис. 4.6.). S,% 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 ]\ \ 4 8
Для подтверждения полученных результатов было проведено исследование стационарных потенциалов образцов из стали 08кп с многослойными покрытиями композиции TiiN, нанесённых плазменно-ассистированным методом, и с однослойным покрытием TiN, нанесенным методом КИБ.
Анализ образцов с однослойными покрытиями TiN позволяет сделать вывод, что ПАНП обеспечивает большую защиту от коррозии, чем покрытие, нанесённое методом катодной ионной бомбардировкой. Это объясняется увеличением плотности покрытия, меньшим содержанием капельной фракции и снижением внутренних напряжений в покрытии, полученном методом плазменно-ассистированного нанесения покрытий [6].
Полную картину коррозионного поведения стали 08кп с покрытиями композиции TiiN можно получить по поляризационным кривым. На рис. 4.8 представлены поляризационные кривые образцов с различными видами покрытий.
По результатам, приведённым в табл. 4.3, можно сделать вывод, что наибольшую защиту от коррозии обеспечивает 4-х слойное покрытие, нанесенное методом плазменно-ассистированного нанесения покрытий, далее следует 8, 20, 2 слойные покрытия соответственно.
Также следует отметить более высокую коррозионную стойкость образцов с однослойным покрытием с плазменно-ассистированным нанесением покрытия по сравнению с однослойным покрытием нанесеным обычным методом КИБ.
Для исследования коррозионного поведения покрытий TiiN под воздействием остаточных напряжений сжатия и растяжения образцы с покрытиями были деформированы со степенью деформации порядка 20%, предварительно нагретые в муфельной печи до температуры 500С.
Анализ поляризационных кривых под действием остаточных напряжений сжатия и растяжения показал, что скорость коррозии под действием напряжений увеличивается у всех образцов с покрытиями. Однако у образцов с 2, 4 и 8 слойными покрытиями скорость коррозии намного меньше, чем у образцов с 1 слойными покрытиями. Скорость коррозии у 20 слойного покрытия больше, чем у 2, 4, 8 слойного, так как при толщине менее 500 нм каждого слоя уменьшается сплошность всего покрытия, и покрытие имеет островковую структуру.
Также следует отметить, что при воздействии на однослойные покрытия TiN как сжимающих, так и растягивающих остаточных напряжений преимущество плазменно-ассистированного нанесения покрытий перед нанесением покрытий методом КИБ в плане защиты металла от коррозии теряется [6].
