vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2024-60-4-344-352vestifm-815Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние отжига на структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства вакуумно-дуговых покрытий TiN, нанесенных на сталь 9ХСInfluence of annealing on the structural-phase state and physical-mechanical properties of vacuum-arc TiN coatings applied to 90CrSi steelКукарекоВ. А.KukarekoV. A.

Кукареко Владимир Аркадьевич – доктор физико-математических наук, профессор, начальник Центра структурных исследований и трибо-механических испытаний материалов и изделий машиностроения

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Vladimir A. Kukareko – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Chief of the Center of Structural Research and Tribo-Mechanical Testing of Materials and Mechanical Engineering Products

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

КушнеровА. В.KushnerouA. V.

Кушнеров Андрей Викторович – научный сотрудник Центра структурных исследований и трибо-механических испытаний материалов и изделий машиностроения

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Andrei V. Kushnerou – Researcher of the Center of Structural Research and Tribo-Mechanical Testing of Materials and Mechanical Engineering Products

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

kushnerou@mail.ruПопокН. Н.PopokN. N.

Попок Николай Николаевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования машиностроительного производства

ул. Блохина, 29, 211440, Новополоцк

Nikolai N. Popok – Dr. Sc. (Engineering), Professor, Head of the Department of Technology and Equipment of Machine-building Industry

29, Blokhin Str., 211440, Novopolotsk

n.popok@psu.byОбъединенный институт машиностроения Национальной академии наук БеларусиThe Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusПолоцкий государственный университет имени Евфросинии ПолоцкойEuphrosyne Polotskaya State University of Polotsk202408012025604344352Copyright © Кукареко В.А., Кушнеров А.В., Попок Н.Н., 20252025Кукареко В.А., Кушнеров А.В., Попок Н.Н.Kukareko V.A., Kushnerou A.V., Popok N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/815

Исследовано влияние отжига при 350–500 °С на структурно-фазовое состояние, нанотвердость, модуль упругости и критическую нагрузку отслаивания Lc вакуумно-дуговых покрытий TiN, нанесенных на подложку из предварительно отожженной стали 9ХС. Установлено, что в покрытии TiN содержатся фазы TiN и Ti. Нанотвердость покрытия составляет 29 ГПа, а модуль упругости – 485 ГПа. Сделано заключение, что повышенные значения нанотвердости и модуля упругости покрытия связаны с присутствием в нем большого количества дефектов кристаллической решетки. Показано, что по мере увеличения температуры отжига покрытия от 350 до 500 °С значения нанотвердости и модуля упругости покрытий TiN уменьшаются, при этом регистрируется увеличение параметра кристаллической решетки, а также уменьшение плотности дислокаций и диспергирование TiN. Увеличение параметра кристаллической решетки TiN при отжиге покрытия связано с образованием в нем вакансионных комплексов. Установлено, что в результате отжига покрытий TiN нагрузка его отслаивания увеличивается от 12,8 до 21,1 Н. Следовательно, возрастание нагрузки отслаивания покрытия при отжиге связано с образованием оксидной пленки, которая препятствует зарождению (генерированию) дислокаций при внедрении и перемещении индентора в покрытии и, таким образом, замедляет образование микротрещин на границе покрытия и подложки.

The effect of annealing at 350–500 °C on the structural-phase state, nanohardness, elastic modulus and critical peel load Lc of vacuum-arc TiN coatings deposited on a substrate made of pre-annealed 90CrSi steel was investigated. It has been established that the coating contains TiN and Ti phases. The nanohardness of the coating is 29 GPa, and the elastic modulus is 485 GPa. It was concluded that the increased values of the nanohardness and coating elastic modulus are associated with the presence of a large number of crystal lattice defects in it. It is shown that as the annealing temperature of the coating increases from 350 to 500 °C, the values of the nanohardness and elastic modulus of TiN coatings decrease, while an increase in the crystal lattice parameter, as well as a decrease in the dislocation density and TiN dispersion are recorded. An increase in the crystal lattice parameter of TiN during annealing of the coating is associated with the formation of vacancy complexes in it. It was found that as a result of annealing TiN coatings, the peeling load increases from 12.8 to 21.1 N. It was concluded that the increase in the peeling load of the coating during annealing is associated with the formation of an oxide film, which prevents the nucleation (generation) of dislocations during the introduction and movement of the indenter in the coating and, thus, slows down the formation of microcracks at the boundary of the coating and the substrate.

вакуумно-дуговое покрытие TiNотжигструктурананотвердостьмодуль упругостинагрузка отслаиванияvacuum-arc deposition of TiNannealingphase compositionnanohardnesselastic moduluspeeling loadReferencesКирюханцев-Корнеев, Ф. В. Научные и технологические принципы нанесения покрытий методами физического и химического осаждения: методы получения и исследования покрытий / Ф. В. Кирюханцев-Корнеев. – М.: МИСиС, 2015. – 57 с.Kiryukhantsev-Korneev F. V. Scientific and Technological Principles of Application of Coated Methods of Physical and Chemical Influence: Methods of Production and Research, Protected. Moscow, NUST MISIS Publ., 2015. 57 p. (in Russian).Табаков, В. П. Тонкопленочные многослойные покрытия побеждают трещины / В. П. Табаков, М. Ю. Смирнов, А. В. Циркин // Сборник научно-популярных статей – победителей конкурса РФФИ 2006 года / Рос. фонд фундам. исслед. – М.: Природа, 2007. – Вып. 10. – С. 476–485.Tabakov V. P., Smirnov M. Yu., Tsirkin A. V. Thin film multilayer coatings eliminate cracks. Sbornik nauchnopopulyarnykh statei - pobeditelei konkursa RFFI 2006 goda [Collection of popular science articles – winners of the 2006 RFBR competition]. Мoscow, Priroda Publ., 2007, iss. 10, pp. 476–485 (in Russian).The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings / F. F. Komarov [et al.] // Wear. – 2016. – Vol. 352–353. – P. 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007Komarov, F. F., Konstantinov V. M., Kovalchuk A. V., Konstantinov S. V., Tkachenko H. A. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings. Wear, 2016, vol. 352–353, pp. 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007Емельянов, В. А. Вакуумно-плазменные способы формирования защитных и упрочняющих покрытий / В. А. Емельянов, И. А. Иванов, Ж. А. Мрочек. – Минск: Бестпринт, 1998. – 234 с.Emel’yanov V. A., Ivanov I. A., Mrochek Zh. A. Vacuum-plasma Methods for the Formation of Protective and Strengthening Coatings. Minsk, Bestprint Publ., 1998. 234 p. (in Russian).Дороднов, А. М. О физических принципах и типах вакуумных технологических устройств / А. М. Дороднов, В. А. Петросов // Журн. техн. физики. – 1981. – Т. 5, № 3. – С. 504–524.Dorodnov A. M., Petrosov V. A. On the physical principles and types of vacuum technological devices. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics, 1981, vol. 5, no. 3, pp. 504–524 (in Russian).Musil, J. Hard nanocomposite coatings: Thermal stability, oxidation resistance and toughness / J. Musil // Surf. Coat. Technol. – 2012. – Vol. 207. – P. 50–65. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.073Musil J. Hard nanocomposite coatings: Thermal stability, oxidation resistance and toughness. Surface and Coatings Technology, 2012, vol. 207, pp. 50–65. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.073Gleiter, H. Nanocrystalline materials / H. Gleiter // Prog. Mater. Sci. – 1989. – Vol. 33, № 4. – P. 223–315. https://doi.org/10.1016/0079-6425(89)90001-7Gleiter H. Nanocrystalline materials. Progress in Materials Science, 1989, vol. 33, № 4, pp. 223–315. https://doi.org/10.1016/0079-6425(89)90001-7Валиев, Р. З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р. З. Валиев, И. В. Александров – М.: Логос, 2000. – 272 с.Valiev R. Z., Aleksandrov I. V. Nanostructured Materials Obtained by Severe Plastic Deformation. Moscow, Logos Publ., 2000. 272 p. (in Russian).Вакуумно-плазменные покрытия на основе многоэлементных нитридов / Н. А. Азаренков [и др.] // Ме таллофизика и новейшие технологии. – 2013. – Т. 35, № 8. – P. 1061–1084.Azarenkov N. A., Sobol’ O. V., Beresnev V. M., Pogrebnyak A. D., Kolesnikov D. A., Turbin P. V., Toryanik I. N. Vacuum-Plasma Coatings Based on the Multielement Nitrides. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii = Metallophysics and Advanced Technologies, 2013, vol. 35, pp. 1061–1084 (in Russian).Константинов, В. М. Адгезия покрытий Ti-N на модифицированной стальной подложке / В. М. Конс тантинов, Г. А. Ткаченко, А. В. Ковальчук // Металлургия: Респ. межведомств. сб. науч. тр. – Минск, 2014. – Вып. 35. – С. 272–281.Konstantinov V. M., Tkachenko G. A., Koval’chuk A. V. Adhesion of Ti-N coatings on a modified steel substrate. Metallurgiya: respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik nauchnykh trudov [Metallurgy: republican interdepartmental collection of scientific works]. Minsk, 2014, iss. 35, pp. 272–281 (in Russian).Effect of annealing on the micromorphology and corrosion properties of Ti/SS thin films / S. Rezaee [et. al.] // Superlattices Microstruct. – 2020. – Vol. 146. – Art. ID 106681. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2020.106681Rezaee S., Arman A., Jurečka S., Korpi A. G., Mwema F., Luna C., Sobola D. [et. al.] Effect of annealing on the micromorphology and corrosion properties of Ti/SS thin films. Superlattices and Microstructures, 2020, vol. 146, art. ID 106681. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2020.106681Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я. С. Уманский [и др.]. – М.: Металлургия, 1982. – 632 с.Ivanov A. N., Rastorguev L. N., Skakov Yu. A., Umanskii Ya. S. Crystallography, Radiography and Electron Microscopy. Moscow, Metallurgiya Publ., 1982. 632 p. (in Russian).Иванов, А. С. Рентгенография металлов / А. С. Иванов. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 77 с.Ivanov A. S. Radiography of Metals. Perm, Perm National Research Polytechnic University Publ., 2014. 77 p. (in Russian).Oliver, W. C. An Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and dis-placement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M Pharr // J. Mater. Res. – 1992. – Vol. 7. – P. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/jmr.1992.1564Oliver W. C., Pharr G. M. An Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and dis-placement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research, 1992, vol. 7, pp. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/jmr.1992.1564Oliver, W. C. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / W. C. Oliver, G. M Pharr // J. Mater. Res. – 2004. – Vol. 19. – P. 3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. Journal of Materials Research, 2004, vol. 19, pp. 3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3Трегубов, И. М. Адгезионная прочность композитных покрытий на основе железа / И. М. Трегубов, М. Ю. Смолякова, М. А. Каширин // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. – 2016. – Т. 12, № 4. – С. 92–96.Tregubov I. M., Smolyakova M. Yu., Kashirin M. A. The adhesion strength of the composite coatings based iron. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnologii materialov [Bulletin of Voronezh State Technical University. Materials technologies], 2016, pp. 92–96 (in Russian).Определение адгезионной прочности Mo–Ti–N и Mo–Cu–N покрытий на установке «скретч-тестер» / В. М. Анищик [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2015. – № 1 (10). – C. 81–86.Anischik V. M., Kuleshov A. K., Uglov V. V., Rusalsky D. P., Syschenko A. F. Measurement of adhesion strength of Mo–Ti–N and Mo–Сu–N coatings using “scratch-tester” device. Pribory i metody izmerenii = Devices and Methods of Measurements, 2015, no. 1 (10), pp. 81–86 (in Russian).Гольдшмидт, Х. Д. Сплавы внедрения: в 2 вып.: пер. с англ. / Х. Д. Гольдшмидт. – М.: Мир, 1971. – Вып. 1. – 424 с.Goldschmidt H. J. Interstitial Alloys. New York, Springer, 1967. 632 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-5880-8Кривоглаз, М. А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах / М. А. Кривоглаз. – Киев: Наук. думка, 1983. – 408 с.Krivoglaz M. A. Diffraction of X-rays and Neutrons in Nonideal Crystals. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1983. 408 p. (in Russian).Musil, J. Hard and superhard nanocomposite coatings / J. Musil // Surf. Coat. Technol. – 2000. – Vol. 125, № 1–3. – P. 322–330. https://doi.org/10.1016/s0257-8972(99)00586-1Musil J. Hard and superhard nanocomposite coatings. Surface and Coatings Technology, 2000. vol. 125, no. 1–3, pp. 322–330. https://doi.org/10.1016/s0257-8972(99)00586-1Яресько, С. И. Нанопленка оксидов металлов зоны лазерной обработки инструментальных сталей и их влияние на работоспособность металлорежущего инструмента / С. И. Яресько // Физ. мезомеханика. – 2004. – Т. 7, спец. вып., ч. 2. – С. 216–219.Yaresko S. I. Nanofilms of metal oxides of laser action zone of tool steels and their effect on working capacity of metal-cutting tools. Fizicheskaya mezomekhanika = Physical Mesomechanics, 2004, vol. 7, S2, pp. 216–219 (in Russian).Влияние закалочных дефектов и примесных атомов на параметры кристаллической решетки α-Fe / В. П. Филиппова [и др.] // Изв. РАН. Сер. физ. – 2019. – Т. 83, № 11. – С. 1576–1584. https://doi.org/10.1134/s0367676519100090Filippova V. P., Blinova E. N., Sundeev R. V., Glezer A. M., Zhukov O. P., Neumoin K. V., Basov S. V. Influence of quenching defects and impurity atoms on the α-Fe crystal lattice parameters. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya = Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2019, vol. 83, no. 11, pp. 1576–1584 (in Russian). https://doi.org/10.1134/s0367676519100090Ремнев, Г. Е. Повышение стойкости твердосплавного инструмента методом предварительной обработки мощным ионным пучком и осаждения нитрид-титановго покрытия / Г. Е. Ремнев, В. А. Тарбоков // Физ. мезомеханика. – 2004. – Т. 7, спец. вып., ч. 2. – С. 329–332.Remnev G. E., Tarbokov V. A. The increase of hard-alloy tool durability by method of pretreatment with the help of high-power ion beam and deposition of nitride-titanium coating. Fizicheskaya mezomekhanika = Physical Mesomechanics, 2004, vol. 7, S2, pp. 329–332 (in Russian).Витязь, П. А. Упрочнение твердого сплава методом термогидрохимической обработки / П. А. Витязь, А. А. Шматов, О. Г. Девойно // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2013. – Т. 57, № 1. – С. 113–117.Vitiaz P. A., Shmatov A. A., Devoino O. G. Strengthening of hard alloy by the thermos-hydrochemical treatment method. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2013, vol. 57, no. 1, pp. 113–117 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.