Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и способы получения покрытий
1.1 Методы получения покрытий 9
1.1.1 Термическое разложение или пиролиз 14
1.1.2 Водородное восстановление 15
1.2 Методы нагрева 17
1.2.1 Индукционный нагрев 18
1.2.1 Метод пропускания электрического тока 20
1.2.2 Нагрев инфракрасным излучением 22
1.2.3 Радиационный нагрев 22
1.2.4 Нагрев электронным лучом 23
1.3 Общая схема химического осаждения покрытий 26
1.4 Методы создания паровой фазы при осаждении пленок
и покрытий 29
1.5 Исходные вещества для газофазной металлизации 40
1.6 Обобщение литературного обзора и постановка задачи
исследований 41
Глава 2. Материалы, оборудование и методика проведения экспериментов
2.1 Материалы для проведения экспериментальных исследований 45
2.2 Методики проведения экспериментов 45
2.2.1 Исследование механизма формирования пиролитических
хромовых покрытий и влияния электромагнитных полей на
процесс формирования покрытий 45
2.2.2 Металлографический анализ 46
2.2.3 Микротвердость покрытий 46
2.2.4 Рентгеноструктурный анализ 47
2.2.5 Рентгеноспектральный анализ 47
2.2.6 Измерение шероховатости поверхности методом интерференционного контраста 48
2.2.7 Измерение шероховатости поверхности методом туннельной микроскопии 49
2.2.8 Определение коэффициента трения пиролитических хромовых покрытий 50
2.2.9 Определение адгезионной прочности покрытий 52
2.3 Использование полного факторного эксперимента при планировании процесса осаждения ПХП в ТВЧ 53
2.3.1 Построение полиномиальной статистической модели 53
Глава 3. Исследование влияния технологических параметров на процесс осаждения пиролитических хромовых покрытий при атмосферном давлении с использованием нагрева ТВЧ
3.1 Исследование основных технологических параметров на скорость осаждения в условиях высокочастотного нагрева подложки при атмосферном давлении 60
3.1.1 Влияние температуры подложки на скорость осаждения покрытия и общее время процесса 60
3.1.2 Влияние температуры испарителя на процесс осаждения покрытия ...63
3.1.3 Влияние скорости потока газа на процесс формирования покрытия 67
3.1.4 Влияние скорости подачи МОС на процесс осаждения покрытия 71
3.2 Исследование влияния высокочастотного нагрева и атмосферного давления на формирование микроструктуры, фазовый и химический состав покрытий 72
3.2.1 Влияние температуры подложки 73
3.2.2 Исследование фазового состава покрытий 81
3.2.3 Химический состав покрытий, определенный на приборе CmKTPOnOPT7C02G№9348/A 81
3.2.4 Химический состав покрытий, определенный на приборе СПЕКТРОСКАН (ТУ 4276-002-2304550-96) 84
3.2.5 Исследование распределения равномерности слоя покрытия 87
Глава 4. Исследование физико-механических свойств покрытий
4.1 Исследование шероховатости поверхности методом интерференционного контраста 91
4.2 Измерение шероховатости поверхности методом туннельной микроскопии 93
4.3 Микротвердость покрытий 95
4.4 Коэффициент трения хромовых покрытий 98
4.5 Адгезионная прочность пиролитических хромовых покрытий 102
4.6 Определение оптимальных условий процесса осаждения ПХП с использованием полного факторного эксперимента 110
Глава 5. Разработка экспериментальной установки и определение технологических режимов осаждения пиролитических хромовых покрытий
5.1 Установка для осаждения пиролитических хромовых покрытий 120
5.2 Циклограммы осаждения ПХП 128
5.3 Рекомендуемые технологические режимы осаждения ПХП 130
Основные результаты и выводы по работе 132
Список использованных источников 134
Приложения 143
- Методы нагрева
- Методики проведения экспериментов
- Исследование влияния высокочастотного нагрева и атмосферного давления на формирование микроструктуры, фазовый и химический состав покрытий
- Измерение шероховатости поверхности методом туннельной микроскопии
Введение к работе
Развитие металлообрабатывающей промышленности в первую очередь связано с повышением стойкости металлорежущего инструмента, что достигается в основном за счет нанесения покрытий и проведения термической обработки. Эти методы все шире используются в промышленности и дают значительный экономический эффект /1 - 3/.
Применение технологии нанесения покрытий, особенно многослойных, и внедрение ее в производство сталкивается с целым рядом трудностей. Такие покрытия не достаточно широко применяются в инструментальной промышленности по следующим причинам: - не накоплен научно-исследовательский материал о влиянии условий конденсации на структуру и свойства покрытий, системы покрытие - инструментальный материал, о физических процессах, происходящих при плазменной конденсации; - не достаточно изучен процесс прерывистого резания инструментами с многослойными износостойкими покрытиями; - отсутствует теоретическое обоснование увеличения прочности покрытия, возможного образования на поверхности дефектов, в частности, микротрещин.
Особое место в современной промышленности занимают методы получения защитных покрытий путем осаждения из газовой фазы, они являются предметом многочисленных исследований и разработок.
Покрытия, полученные газофазным осаждением, защищают материалы от износа и эрозии, обычной коррозии и высокотемпературного окисления. При решении проблемы защиты материала необходимо учитывать все виды агрессивного воздействия среды, поскольку на практике механизмы разрушения накладываются друг на друга.
Химическое осаждение из газовой фазы весьма универсальный и гибкий метод получения покрытий и является наиболее перспективным для нанесения материалов, которые затруднительно осаждать другими способами. При его использовании можно: регулировать толщину покрытий и изменять ее в широком интервале; получать большинство тугоплавких материалов в более чистом виде, чем при других способах; - регулировать свойства материалов введением модификаторов. В настоящее время ведется интенсивная разработка: - способов осаждения сложных покрытий для электроники и оптики (фильтры и селективные отражатели лазеров); - получения диффузионных металлических покрытий /4/ путем газофазного хромирования, силицирования, борирования, ванадирования и т. п. (такие покрытия отличаются повышенной стойкостью к коррозии или высокотемпературному окислению /5/).
Исходным материалом для нанесения покрытий при химическом осаждении являются металлоорганические соединения (МОС), которые под воздействием температурного поля при нагреве в результате химических реакций разлагаются с образованием покрытия. Анализ состояния вопроса показал, что для проведения процесса химического осаждения необходимо дорогостоящее оборудование, а именно вакуумные установки в которых, в основном, используется радиационный нагрев подложки, приводящий к разложению части реакционных паров на теплоизлучающих элементах. Поэтому представляется перспективным отказаться от вакуумного оборудования и радиационного нагрева. В литературных источниках /6 - 10/ предложено множество вариантов установок и способов осаждения, но большого распространения они не получили из-за сложности оборудования и длительности проведения процесса.
7 Однако, результаты полученные авторами /11,12/ показывают высокую эффективность при использовании покрытий.
Особенно перспективно использование МОС «Бархос», т.к. получаемое аморфное хромокарбидное покрытие по результатам исследований /11/ показывает достаточно уникальные свойства на металлорежущем инструменте, на деталях работающих в различных коррозионных средах /13/, на деталях работающих в условиях трения. Покрытие также имеет отличный декоративный вид.
Исходя из этого, в работе предложено использование осаждения покрытий без вакуума, а в качестве скоростного источника нагрева использовать токи высокой частоты (ТВЧ). Это позволит снизить стоимость технологического оборудования, время технологического процесса и предотвратить осаждение покрытия на стенки реактора. Предотвращение осаждения покрытия на стенки реактора позволит повысить коэффициент использования металлоорганического соединения, за счет этого сократится расход дорогостоящего МОС.
Цель работы: Получение и исследование структуры и свойств пиролитических хромовых покрытий с использованием высокочастотного нагрева в условиях атмосферного давления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить влияние режимов осаждения покрытий на механизм формирования, микроструктуру и химический состав покрытий; разработать технологию осаждения покрытий с получением заданных микроструктур и физико-механических свойств; разработать и изготовить экспериментальную установку для осаждения покрытий при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ) в среде инертного газа; - провести опытно-промышленную апробацию разрабатываемой технологии и оценить ее эффективность;
8 Автор защищает: разработанную технологию нанесения пиролитических хромовых покрытий в инертной среде при атмосферном давлении и высокочастотном нагреве; результаты исследования влияния высокочастотного нагрева и давления при осаждении на микроструктуру, химический состав, физико-механические свойства покрытия; установленные режимы осаждения при высокочастотном нагреве в инертной среде при атмосферном давлении. конструкцию экспериментальной установки для осаждения покрытий при нагреве токами высокой частоты в среде инертного газа; Научная новизна: установлен механизм формирования покрытий при высокочастотном нагреве и атмосферном давлении; изучена зависимость влияния скорости потока газа на процесс формирования структуры покрытия; установлена корреляционная связь между основными технологическими факторами и выходными параметрами процесса осаждения в виде системы уравнений; установлено, что воздействие электромагнитных полей индуктора способствует равномерному распределению толщины слоя осажденного покрытия по всей поверхности образца; установлено, что разность температур между подложкой и стенками реактора предотвращает осаждение покрытия на стенки реактора и, тем самым, повышает коэффициент использования исходного МОС.
Методы нагрева
Методы осаждения покрытий из паровой фазы при распаде МОС различаются способом подвода энергии к покрываемому изделию. Предложено использовать различные формы энергетического воздействия: тепловое (нагрев), световое (УФ- и ИК -облучение /22/, действие лазерного луча /23/), электронный и ионный удары /24 — 26/, различные виды электрических разрядов и плазмы /26 — 28/.
В способах с тепловым нагревом покрываемых изделий используется как прямой нагрев (электрическим током, токами высокой частоты /29/, встроенным в изделие электрическим нагревателем), так и косвенный (за счет ИК -излучения внешнего резистивного нагревателя, путем поглощения видимого инфракрасного излучения подложкой).
Существуют методы предварительного нагрева подложки и проведения процесса осаждения в режиме охлаждения подложки. Последние используются для получения тонких пленок на изделиях с плохой теплопроводностью. Несмотря на то что процесс проходит при постоянно понижающейся температуре, эти процессы находят применение как в лабораторной практике, так и в промышленности /30/. Возможность использования такого режима обусловлена частично тем, что процесс проходит при высоких температурах в диффузионной области, в которой он незначительно зависит от температуры. Однако процесс покрытия очень технологичен, может быть полностью автоматизирован /31/ и применим для покрытия диэлектриков.
В общем случае для получения покрытий необходимо использование энергии. В удобной форме классификация источников энергии представлена в/32/рисунок 1.1.
Равномерность покрытий связана в основном с равномерностью нагрева подложки и скоростью подачи свежей реакционной смеси ко всей поверхности образца. При неравномерной температуре образца более толстые покрытия получаются на сильнее нагретых участках, за исключением тех случаев, когда при повышенных температурах происходит преждевременная реакция в газовой фазе. Равномерной температуры образца легче всего достигнуть внешним обогревом, но при этом снижается эффективность процесса. Вероятно, для большинства способов осаждения предпочтителен индукционный нагрев, отличающийся гибкостью, удобством в эксплуатации, простотой конструкции установок с его использованием и возможностью регулировать мощности в широких пределах; разогрев подложки происходит без нагрева стенок камеры. Индукционный нагрев при соответствующей конструкции индуктора обычно обеспечивает равномерность температуры образца. При некоторых конфигурациях подложки и реактора для равномерного осаждения может оказаться желательным неравномерный нагрев подложки, компенсирующий эффект истощения реакционной смеси по мере ее протекания над поверхностью подложки.
Примером установки с индукционным нагревом может служить установка, приведенная на рисунке 1.2.
Индукционный нагрев менее пригоден в следующих случаях:- когда подложка играет основную роль в процессе получения покрытия, включающем диффузию в твердой фазе (предпочтителен внешний нагрев);- при нагреве проволоки, длинных трубок (предпочтителен нагрев пропусканием тока) или тонких листов (равномерность температуры обеспечивается пропусканием тока через сам лист или через пластину, используемую в качестве подставки);- при осаждении в более холодной зоне температурного градиента;- при нагреве непроводящих или слабопроводящих материалов.
Иногда такие подложки нагревают индукционным методом,используя электропроводные приемники, окружающие или поддерживающие подложку. Когда покрытие наносится на плохо проводящую подложку, хорошим проводником, может поглощать часть мощности, достаточную для возникновения больших температурных перепадов.
При индукционном нагреве необходимо иметь в виду возможность осаждения металла на изолирующих подставках и стенках камеры, что может привести к аварии, если осадок образует замкнутую цепь. Иногда индуктор приходится помещать внутрь камеры. Индукционный нагрев детально рассмотрен в работе /33/.
Распространенным методом нагрева является пропускание электрического тока через покрываемое изделие. Очевидно, применимость указанного метода, дающего весьма удовлетворительные результаты, ограничивается лишь проводящими подложками, рисунок 1.3. Используется
Методики проведения экспериментов
Исследования проводили на прямоугольных образцах размером 5x5x15 мм. Подготовка поверхности образцов состояла из предварительной механической обработки шлифованием, очистке в ультразвуковой установке УЗУ-0,25 и окончательной очистке в техническом ацетоне /61/.
Одновременно с исследованием механизма формирования пиролитических хромовых покрытий контролировали влияние электромагнитного поля индуктора в зависимости от его пространственного расположения относительно образца для реакционной камеры диаметром мм и высотой 250 мм с неподвижным испарителем. Также осаждениепроводили в реакторах с внутренним диаметром 10 и 26 мм.
Микроструктуру покрытий исследовали с поперечных шлифов на микроскопе МИМ-10 в диапазоне увеличений от 200 до 1000. Поперечные шлифы изготовляли с предварительной фиксацией образцов с покрытиями в винтовых зажимах через прокладки из ниобиевой фольги. Полировку шлифов производили на синтетической алмазной пасте АСМ-10/7, АСМ-5/3, АСМ-2/1, окончательная полировка на водной эмульсии хрома.
Структуру пиролитических хромовых покрытий выявляли электролитическим травлением покрытия в 10 % водном растворе щавелевой кислоты при плотности тока от 0,3 до 0,6 А/см . Образец является анодом. Температура электролита 20 С /62/.
Структуру стальных подложек выявляли травлением в 4 % растворе HN03 в этиловом спирте.
Влияние электромагнитного поля определяли равномерностью осаждения покрытия по всей площади образца с изготовленных шлифов. Образец помещали в металлическую оправку и фиксировали эпоксидным клеем ТУ 2335-001-495826-74-99. При исследовании равномерности слоя по рельефной поверхности (метчики, болты) снятие при шлифовании слоя металла до центра продольного сечения не производили. Разовая загрузка жидкости "Бархос" составляла 0,5 мл. Скорость подачи МОС "Бархос" составляла в среднем 0,016 мл/мин.
Измерение микротвердости покрытий проводили при помощи прибора марки ПМТ-3 по методу восстановленного отпечатка.
Четырехгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием вдавливали при нагрузках 0,48 - 0,49 Н. Образцами для измерения микротвердости служили металлографические шлифы. При использовании поперечных шлифов с покрытиями, соблюдались следующие условия: расстояние между центрами отпечатков не превышало размер отпечатка более чем в три раза, продолжительность действия нагрузки не менее 3 с. Условие, при котором расстояние от центра отпечатка до краев покрытия частично не выполнялось, но результат считался достоверным вследствие усиленной фиксации образца с покрытием в струбцине. Шероховатость рабочей поверхности (плоскость шлифа) Ra 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73. Рентгеновский фазовый анализ проводили на установке "Дрон - 3" в СоКа - излучении с Р - фильтром. Съемка проводилась со скоростью 2 град/мин в интервале 20 = 30-130 градусов. Рентгеноспектральный анализ (РСА) отличается высокой точностью, благодаря тому, что измерения интенсивности аналитических линий происходят с относительно небольшой погрешностью. В современных спектрометрах эта ошибка не превышает десятых долей процента. Методика использует рентгеноспектральный флуоресцентный (рентгено флуоресцентный) анализ, реализуемый на спектрометре рентгеновском сканирующем кристалл-дифракционном "СПЕКТРОСКАН" ТУ 4276 - 002 -2304550-96. Принцип, положенный в основу метода, состоит в использовании спектра характеристических рентгеновских лучей, возбуждаемых при бомбардировке ее сфокусированным пучком электронов. Разложение кристалл-анализатором характеристического излучения в спектр дает возможность определить наличие того или иного элемента. Присутствующие в анализируемом микрообъеме элементы будут давать пики интенсивности на спектрограмме излучения. Зная длину волн обнаруженных пиков интенсивности, определяют наличие элементов в анализируемом объеме. В зависимости от способа получения, обработки и отображения информации об объекте, PC А подразделяется на два основных направления — качественный и количественный анализ. Цель качественного анализа - определить наличие или отсутствие тех или иных химических элементов в образце без каких-либо количественных оценок. Достигается это при сканировании по длинам волн (непрерывного или дискретного, с заданным шагом) с записью интенсивности излучения в каждый момент сканирования и с одновременным графическим изображением. В настоящей работе для изучения распределения химических элементов по толщине слоя покрытия применялся способ получения изображений во вторичных электронах в характеристическом рентгеновском излучении. В результате на экране компьютера или на распечатке появляется рисунок снятого спектра в виде графика, где по одной оси отложена шкала длин волн, а по другой интенсивность излучения.
Исследование влияния высокочастотного нагрева и атмосферного давления на формирование микроструктуры, фазовый и химический состав покрытий
Изменение условий осаждения и технологических параметров формирования покрытий существенно сказывается на процессе образования микроструктуры, которая является отражением этих параметров. Процессы термораспада МОС стоят на одной ступени сложности в общем ряду процессов газофазной микрометаллургии, включая термораспад гидридов, галогенидов и карбонилов, что связано с многоступенчатостью и возможностью одновременного протекания целого ряда конкурирующих реакций.
Строение поперечного шлифа пиролитических покрытий может быть весьма сложным. Среди многообразия структур, полученных по вакуумным технологиям, следует выделить следующие: 1) аморфные (однородные нетравящиеся); 2) горизонтально-слоистые; 3) структуры с ростовыми конусами, распространяющиеся от подложки к поверхности, но иногда начинающимися с середины слоя; 4) столбчатые структуры /6,7/. Исследование влияния температуры нагрева ТВЧ на подложку проводились с учетом известного температурного диапазона по вакуумным технологиям осаждения.
Основным технологическим фактором, влияющим на переход из одной области протекания процесса в другую, является температура осаждения /77/. Суммарная скорость поверхностных реакций при 390 - 410 С (кинетический режим) вероятно ниже скорости подвода молекул МОС к поверхности подложки, что приводит к образованию однородных осадков небольшой толщины, у которых каких либо элементов структуры выявить не удалось, рисунок 3.8 а.
Второй тип структур, образующихся в переходной области в интервале температур 420 - 450 С, имеют горизонтально-слоистую периодическую структуру, представляющую собой чередование светлых и темно травящихся слоев, рисунок 3.8 б. В литературе существуют указания /78,79/ на образование слоистых структур пленок. На рисунке 3.8 в, показана микроструктура пиролитического хромового покрытия, полученного при осаждении в вакууме /11/. Однако, учитывая специфику пиролиза МОС, а именно выделение большого количества углеродсодержащих продуктов, авторы /80,81/ предложили, что решающую роль в формировании покрытия могут оказать колебания концентраций МОС и продуктов их распада в реакторе или непосредственно у поверхности на которую происходит осаждение. Колебания температуры приводят к колебаниям скоростей ван-дер-ваальсовской адсорбции и хемосорбции, вызывая явление слоистости покрытий /77/.
В области существования горизонтально-слоистых осадков в диапазоне температур 420 — 450 С получена бездефектная горизонтально-слоистая структура. В диапазоне температур 470 — 480 С наблюдается формирование осадков хромового покрытия с слабо травящимися слоями,рисунок 3.9 а. Возможно механизм формирования такого типа покрытия объясняется переходом установившегося распада МОС из переходной области в диффузионную, где в дальнейшем при повышении температуры подложки образование слоев покрытия происходит в достаточно динамичном режиме с образованием рельефной структуры поверхности, рисунок 3.9 б.
Увеличение области температуры подложки до 520 - 540 С (диффузионная область) приводит к образованию слоисто-столбчатой структуры. В этом случае суммарная скорость поверхностных процессов выше скорости подвода молекул МОС к поверхности подложки. Граница столбчатой структуры зависит не только от температуры, но и от скорости подачи МОС и скорости подачи газа. Лимитирующей стадией процесса осаждения в этом случае является массоперенос (диффузия) молекул МОС из паровой фазы к подложке, поэтому данная область именуется диффузионной. Причем при Тподл= 540 С процесс формирования покрытия происходит более интенсивнее, рисунок 3.9 в и ЗЛО а, вероятно из-за установившегося температурного распада МОС в диффузионной области.
При недостаточной продувке реактора после загрузки возможно присутствие воздуха в объеме камеры, который отрицательно влияет на формирование покрытия. При таком режиме поток прозрачного желто-коричневого цвета превращается в непрозрачный. В результате при таком осаждении образуется не травящийся слой покрытия, рисунок ЗЛО б.
На микроструктуре видно загрязненную переходную зону на границе системы "покрытие - подложка", что также негативно отражается на адгезионных свойствах пленки. На поверхности такого покрытия после осаждения наблюдается налет слоя пироуглерода.
Образование "конусов" роста, характерных для куполообразной морфологии поверхности замечено при скачкообразном изменении температуры подложки, в связи с неустановившимися колебаниями вихревых токов в индукторе высокочастотного генератора.
Повышение температуры увеличивает вероятность объемногоразложения паров исходного МОС и выпадение образующихся при этомчастиц твердой фазы и их агрегатов на поверхности подложки.
Как отмечено в литературе /7/ различают типы поверхностей, соответствующих различной внутренней структуре покрытий и различным механизмам образования. В первом случае купола соответствуют выходу на поверхность сферических частиц, из которых построена пленка, рисунок ЗЛ 1 а. Такая структура формируется, очевидно, за счет каталитического разрастания первичных зародышей, причем автокаталитическая активность в этом случае не зависит от кристаллографического направления.
Второй тип куполов связан с выходом на поверхность ростовых "конусов" /82,7/. Но в большинстве случаев купола при таком механизме образования имеют негладкую поверхность, что в зависимости от условий может быть следствием рекристаллизационных процессов или определяться взаимодействием ростовых конусов и вкладом зародышеобразования в газовой фазе. Характер образования конусов происходит, в основном, по двум типовым механизмам: или начиная с образования зародыша в слое покрытия, рисунок 3.11 б, или непосредственно у поверхности при формировании первых слоев пленки, рисунок 3.11 в.
На процесс формирования структуры пиролитических хромовых покрытий отмечено влияние концентрации паров МОС в реакторе. При хаотичном изменении концентрации МОС покрытие также имеет слоистую структуру, однако наблюдается образование осадков глобулярного типа, рисунок 3.12.
Наибольший практический интерес, как отмечено в работах авторов /83,84,11/ представляют горизонтально-слоистые покрытия, сочетающие лучший комплекс свойств и физико-механических характеристик.
Измерение шероховатости поверхности методом туннельной микроскопии
Использование метода туннельной микроскопии дает непосредственную оценку качества полученной поверхности после осаждения. Были получены СТМ-сканы для трех типов структуры хромового покрытия средним размером 27x27 мкм, рисунок 4.3, 4.4, 4.5, а также для сравнения представлен скан поверхности образца без покрытия, рисунок 4.2
Анализ представленных результатов (рисунок 4.2 - 4.5) показал, что аналогично результатам, полученным методом интерференционного контраста (рисунок 4.1), тонкие слои покрытия повторяют профиль поверхности и даже увеличивают значение шероховатости при температуре подложки 400 С. В диапазоне температур 420 - 450 С значения шероховатости покрытия лучше чем у подложки.
Важной физико-механической характеристикой, дающей качественную оценку эксплуатационных свойств покрытий, является микротвердость.
Измерения микротвердости на поперечных шлифах с покрытием дают дифференцированную информацию о свойствах поверхностных слоев и возможности оценки резкого перехода значения микротвердости на границе "покрытие - подложка", рисунок 4.6.
Варьирование технологических параметров в процессе осаждения позволяет получить изменение значения микротвердости в диапазоне от 5000 до 20000 МПа в зависимости от служебного назначения и условий работы детали с покрытием.
Основным технологическим параметром влияющим на микротвердость пиролитического хромового покрытия, осажденного при повышенном давлении в среде аргона является температура подложки. Изменение микротвердости в зависимости от температуры подложки представлена на рисунке 4.7, кривая 1. После активации подложки микротвердость изменилась в сторону увеличения значений.
Максимальной микротвердостью Н0,49 = 16000 - 20000 МПа обладают покрытия осажденные при температуре подложки 480 - 520 С, кривая 2. Такие покрытия обладают слоисто-столбчатой структурой на основе хрома и карбида Сг7С3. Повышение температуры приводит к увеличению подвижности атомов углерода и хрома, что приводит к уменьшению микроискажений формирующейся кристаллической решетки хрома и к снижению микротвердости покрытия.
Высокая микротвердость объясняется повышенной концентрацией примесей внедрения, увеличивающих микронапряжения.
Средний уровень микротвердости Но.49 = ЮООО - 13000 МПа имеют покрытия осажденные в интервале температур 420 - 460 С, имеющие горизонтально-слоистую структуру. В этом диапазоне температур покрытие рентгеноаморфно, наблюдается наличие карбидных фаз. При понижении температуры подложки ниже 420 С происходит снижение микротвердости в связи с осаждением покрытия в кинетическом режиме формирующем полностью аморфные осадки. Похожие результаты отмечены при осаждении покрытий в вакууме авторами /11Д0/ при использовании радиационного нагрева подложки.
Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивности и видам элементарных актов разрушения и изменений механических и физико-химических свойств материала под воздействием внешних факторов (среда, температура, давление, вид трения, скорость относительного перемещения поверхностей и др.). Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашивания и его интенсивность /86/.
Интенсивность изнашивания зависит от прочностных свойств и коэффициента трения материала. Эта связь не однозначна, так как коэффициент трения зависит от упругих свойств материала, шероховатостиповерхности, удельной нагрузки и параметров, характеризующихмолекулярное взаимодействие на контакте /87/.Износостойкость пиролитических хромовых покрытий исследовалась авторами /84,11/ и поэтому были проведены трибологические испытания покрытий, осажденных в условиях атмосферного давления при нагреве ТВЧ.
На рисунке 4.8 - 4.11 показаны зависимости коэффициентов трения от количества циклов, нагрузки, условий трения в зависимости от пары трения. В различных источниках при определении коэффициента трения материалов приведены данные с разными диапазонами значений в зависимости от условий и пары трения. Например, при резании у пары трения быстрорежущая сталь - сталь 45 /88/ коэффициент трения меняется от 0,8 до 0,2 в условиях сухого трения и с применением смазочных материалов. У покрытий из карбида титана TiC коэффициент трения /89/ находится в диапазоне от 0,08 до ОД, а для покрытий TiN при сухом трении 0,12 — 0,15 и с использованием смазочного материала 0,10-0,14 /90/.
Определение коэффициента трения пиролитических хромовых покрытий для различных пар трения показало, что в зависимости от твердости исходных пар и нагрузки коэффициент трения принимает нестабильные значения. Возможно это связано с чередованием темных и светлых слоев имеющих разную твердость, которая оказывает существенное влияние на механизм прирабатывания пар трения. Также из приведенных зависимостей наблюдается понижение коэффициента трения при увеличении нагрузки. Аналогичный результат наблюдается у пары трения поверхностей дисульфид молибдена - хром 19X1 где коэффициент трения при увеличении нагрузки от 10 до 40 Н меняется в пределах от 0,07 до 0,05.В качестве смазочного материала при определении коэффициента трения использовалось масло И-20А /92/.
