Влияние отжига на структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства вакуумно-дуговых покрытий TiN, нанесенных на сталь 9ХС

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.

1. Кирюханцев-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.

2. 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.

3. 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.2016.02.007

4. Емельянов, В. А. Вакуумно-плазменные способы формирования защитных и упрочняющих покрытий / В. А. Емельянов, И. А. Иванов, Ж. А. Мрочек. – Минск: Бестпринт, 1998. – 234 с.

5. 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.

6. 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.2012.05.073

7. Gleiter, H. Nanocrystalline materials / H. Gleiter // Prog. Mater. Sci. – 1989. – Vol. 33, № 4. – P. 223–315. https://doi.org/10.1016/0079-6425(89)90001-7

8. Валиев, Р. З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р. З. Валиев, И. В. Александров – М.: Логос, 2000. – 272 с.

9. Вакуумно-плазменные покрытия на основе многоэлементных нитридов / Н. А. Азаренков [и др.] // Ме таллофизика и новейшие технологии. – 2013. – Т. 35, № 8. – P. 1061–1084.

10. 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.

11. 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.2020.106681

12. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я. С. Уманский [и др.]. – М.: Металлургия, 1982. – 632 с.

13. Иванов, А. С. Рентгенография металлов / А. С. Иванов. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 77 с.

14. 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.1992.1564

15. Oliver, 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.2004.19.1.3

16. Трегубов, 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.

17. 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.

18. Гольдшмидт, Х. Д. Сплавы внедрения: в 2 вып.: пер. с англ. / Х. Д. Гольдшмидт. – М.: Мир, 1971. – Вып. 1. – 424 с.

19. Кривоглаз, М. А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах / М. А. Кривоглаз. – Киев: Наук. думка, 1983. – 408 с.

20. 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)00586-1

21. Яресько, 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.

22. 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/s0367676519100090

23. Ремнев, 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.

24. 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.