Журнал - Вісник Донбаської державної машинобудівної академії 2010 №1 (6Е)

Подождите немного. Документ загружается.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ СЕРОГО ЧУГУНА ИОНАМИ ЦИРКОНИЯ

И АЗОТА

Дзюба В. Л., Кляхина Н. А., Зёма А. В.

Одним из направлений повышения работоспособности изделий является создание мо-

дифицированных поверхностных слоёв и покрытий разного служебного назначения для за-

щиты поверхности деталей. Изучена структура, кинетика нарастания и физические свойства

покрытий, модифицированных нитридом циркония методом ионной имплантации. Установ-

лено, при использовании циркониевой мишени в атмосфере азота при оптимальных режимах

модификации образуется защитный поверхностный слой, имеющий мелкозернистую струк-

туру, в 2,5 раза большую твердость системы «покрытие-подложка» и высокую энергию адге-

зии (12,62 ГПа). Защитные имплантированные слои на подложках серого чугуна рекоменду-

ется использовать в качестве упрочнения прокатных валков.

Одним з напрямків підвищення працездатності виробів є створення модифікованих

поверхневих шарів і покриттів різного службового призначення для захисту поверхні дета-

лей. Вивчено структуру, кінетику наростання та фізичні властивості покриттів, модифікова-

них нітридом цирконію методом іонної імплантації. Встановлено, при використанні цирконі-

євої мішені в атмосфері азоту при оптимальних режимах модифікації утворюється захисний

поверхневий шар, що має дрібнозернисту структуру, в 2,5 рази більшу твердість системи

«покриття-підкладка» і високу енергію адгезії (12,62 ГПа). Захисні імплантовані шари на

підкладках сірого чавуну рекомендується використовувати в якості зміцнення прокатних валків.

One of the ways to increase efficiency of products is the creation of modified surface layers

and coatings of various official destination for the protection of detail surface. The structure,

kinetics of growth and physical properties of coatings of zirconium nitride modified by ion

implantation has been studied. It was established that by using a zirconium target in nitrogen

atmosphere at optimal conditions of modification a protective surface layer is formed which has

fine-grained structure, a 2,5–fold greater firmness of «coating-substrate» system and high energy

adhesion (12,62 GPa). Protective implanted layers on substrates of gray cast iron are recommended

as hardening of rolls.

Дзюба В. Л. д-р техн. наук, проф. ВНУ им. В. Даля

Кляхина Н. А. канд. физ.-мат. наук, доц., зав. кафедрой ИХТ ВНУ им. В. Даля

klyahina@iht.lg.ua

Зёма А. В. аспирант ВНУ им. В. Даля

gkl@is.ua

ВНУ им. В. Даля – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля,

г. Луганск

ИХТ ВНУ им. В. Даля – Институт химических технологий Восточноукраинского национального

университета имени Владимира Даля, г. Рубежное

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

УДК 533.59

Дзюба В. Л., Кляхина Н. А., Зёма А. В.

МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ СЕРОГО ЧУГУНА ИОНАМИ ЦИРКОНИЯ

И АЗОТА

Развитие современного машино- и приборостроения, в том числе прокатного произ-

водства, невозможно представить без использования технологий поверхностной обработки,

позволяющей радикально изменить свойства поверхностных слоев конструкционных мате-

риалов и тем самым повышать их работоспособность [1, 2]. Одним из направлений повыше-

ния работоспособности изделий является создание модифицированных поверхностных слоёв

и покрытий разного служебного назначения для защиты поверхности деталей.

В данной работе изучаются модифицированные покрытия нитрида циркония на под-

ложках серого чугуна СЧ 21 методом ионной имплантации. Исследуется структура, кинетика

роста и механические свойства этих покрытий.

Целью данного исследования является эффективность использования в качестве за-

щитных покрытий на мелкоразмерном прокатном инструменте покрытий нитрида циркония.

Для получения модифицированных покрытий на прокатном инструменте в подложку

имплантировались ионы циркония и азота. В качестве подложек были использованы образцы

чугуна СЧ 21. Производилась имплантация ионов азота вглубь чугунных подложек при ком-

натной температуре и рабочем давлении 5 × 10

-2

Па. Использовали мишень циркония. Ионно-

плазменное упрочнение чугунных образцов проводили на экспериментально-промышленной

установке, параметры которой приведены в работах [3–5].

Изучение микроструктуры модифицированного покрытия на подложках серого чугу-

на состоит из легированного феррита и тонкопластинчатой эвтектики. Легирующие элемен-

ты распределены между матрицей и эвтектикой, что привело к некоторому изменению фор-

мы эвтектики и измельчению зерна.

а б

Рис. 1. Микроструктура модифицированного покрытия на подложке чугуна СЧ 21 при:

а – 30 мин; б – 90 мин имплантации

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Изучение поверхностного среза системы покрытие-подложка проводили на металло-

графическом микроскопе МИМ-7 (рис. 2). Зависимость толщины от времени на подложках

чугуна СЧ 21 при модификации ее поверхности ионами азота и циркония описывается ли-

нейным законом (рис. 3).

а б

Рис. 2. Оптический снимок поперечного среза модифицированного покрытия на подложке

чугуна СЧ 21 при:

а – 30 мин; б – 90 мин имплантации, × 1950

Рис. 3. График зависимости толщины модифицированного покрытия ZrN на подложке

чугуна СЧ 21

Увеличение толщины слоя с увеличением времени имплантации свидетельствует

о росте фазы ZrN на поверхности подложки.

Измерение микротвердости модифицированных покрытий проводилось на приборе

ПМТ-3. Зависимость микротвердости модифицированного покрытия ZrN от времени имеет

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

нелинейный характер (рис. 4). Максимальная твердость соответствует 50 мин имплантации

и соответствует 7,19 ГПа, что в 2,5 раз выше твердости не модифицированной чугунной под-

ложки.

Рис. 4. График зависимости твердости модифицированного покрытия ZrN на подлож-

ках СЧ 21 от времени имплантации

Снижение микротвердости покрытий с увеличением времени имплантации происхо-

дит, по-видимому, из-за образования на поверхности покрытия напряжений, которые разу-

прочняют поверхностный слой.

Сравнительные характеристики адгезионных свойств покрытий нитрида циркония,

наносимых на оптимальном режиме на установке ионной имплантации, исследовались скле-

рометрическим методом (методом царапания). В качестве основы использовались пластины

чугуна СЧ 21. В качестве индентора использовался алмазный конус Роквелла с углом при

вершине 120º, передвигаемый по поверхности покрытий со скоростью 3 см/мин. Вертикаль-

ная нагрузка на индентор составляла 15, 25 и 35 г. Для царапания были взяты образцы, кото-

рые имели различные значения

твердости (рис. 5).

а б

Рис. 5. Результаты царапания поверхности покрытий нитрида циркония на чугунной

подложке СЧ 21 при нагрузке на индентор 15, 25 и 35 г:

а – время имплантации 20 мин; б – время имплантации 60 мин, × 400

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Из рис. 5 видно, что с увеличением времени имплантации ширина канавки становится

уже, это говорит о том, что величина адгезии возрастает с увеличением времени импланта-

ции. Максимальное значение адгезии, полученное при времени напыления 90 мин, свиде-

тельствует о том, что глубина модифицированного слоя увеличивается, т. е. имеет место

термическая и радиационно-стимулированная диффузия.

Результаты расчета энергии адгезии покрытия нитрида циркония на подложках из се-

рого чугуна СЧ 21 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчет энергии адгезии покрытия нитрида циркония на подложках

из серого чугуна СЧ 21 (ГПа)

10 20 30 40 50 60 70 80 90

15 г 6,44 6,44 8,76 9,82 12,62 8,76 6,44 11,09 12,62

25 г 4,92 2,81 4,09 6,04 3,28 3,86 3,46 3,11 2,34

35 г 2,36 2,65 2,88 3,27 2,88 3,42 3,27 2,88 2,36

При склерометрическом методе исследования защитных покрытий визуально видно,

что при любых временах имплантации покрытие полностью не отделяется от подложки. Это

свидетельствует о хороших пластических свойствах материала. Обычно повышение твердо-

сти материалов приводит к их хрупкости, что плохо сказывается на работе прокатного инст-

румента. В нашем случае при повышении твердости материал поверхности остается пла-

стичным, что продлевает срок службы инструмента. Максимальная энергия адгезии состави-

ла 12,62 ГПа.

ВЫВОДЫ

Имплантация ионов азота и циркония вглубь чугунной подложки приводит к повы-

шению твердости (7,19 ГПа), адгезии (12,62 ГПа). Полученные модифицированные слои на

серых чугунах могут быть использованы в качестве защитных покрытий на прокатном инст-

рументе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ионная имплантация и лучевая технология / Под ред. Дж. С. Вильямса, Дж. М. Поута. – Киев : На-

ук. думка, 1988. – 360 с.

2. Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы : сборник статей / Перевод с англ. под

ред. д-ра физ.-мат. наук проф. В. С. Вавилова. – Москва : Мир, 1980. – 332 с.

3. Механические свойства конструкционных сталей, обработанных

в низкотемпературной плазме /

В. Л. Дзюба, Н. А. Кляхина, Л. А. Васецкая, А. В. Зёма // Розвиток наукових досліджень 2009 : матеріали п'ятої

міжнародної науково-практічної конференції, 23–25 листопада 2009 р., м. Полтава. Т. 8. – С. 33–35.

4. Дзюба В. Л. Оптимизация свойств защитных покрытий для прокатного инструмента [Электрон-

ный ресурс] / В. Л. Дзюба, Н. А. Кляхина

, А. В. Зёма // Научный вестник ДГМА. – 2009. – № 2 (5Е). – С. 37–40. –

Режим доступа : http://www.dgma.donetsk.ua/publish/2009/2009_2/article/09DVLCRT.pdf.

5. Применение высокодозной имплантации для упрочнения волочильного инструмента / В. Л. Дзюба,

Н. А. Кляхина, Л. А. Васецкая, А. В. Зёма // Высокие технологии в машиностроении : материалы Всероссийской

научно-технической интернет-конференции с международным участием / Отв. редактор В. Н. Трусов. – Са-

мара : Самар. гос. техн. ун-т, 2009. – С. 13–14.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

СТРУКТУРА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ

НИТРИДА ЦИРКОНИЯ

Дзюба В. Л., Кляхина Н. А., Васецкая Л. А., Костенко И. Г.

Изучена структура, фазовый состав, кинетика роста и свойства покрытий нитрида

циркония, имплантированных вглубь стальных подложек методом ионной имплантации. Ус-

тановлено, что при использовании циркониевой мишени образуется поверхностный слой

толщиной 1,02 мкм, который имеет крупнозернистую структуру, в 2,18 раза повышенную

твердость системы «композит-подложка» и высокую адгезию (5,772 ГПа). Наблюдается уме-

ньшение износа с увеличением времени имплантации у модифицированных слоев, получен-

ных с помощью мишени циркония. Выявлена целесообразность применения покрытий нит-

рида циркония как наиболее эффективных для уменьшения износа на мелкоразмерном воло-

чильном инструменте.

Вивчено структуру, фазовий склад, кінетику зростання і властивості покриттів нітри-

ду цирконію, імплантованих углиб сталевих підкладок методом іонної імплантації. Встанов-

лено, що при використанні цирконієвої мішені утворюється поверхневий шар товщиною

1,02 мкм, який має крупнозернисту структуру, в 2,18 рази підвищену твердість системи

«композит-підкладка» і високу адгезію (5,772 ГПа). Спостерігається зменшення зносу

зі збі-

льшенням часу імплантації у модифікованих шарів, отриманих за допомогою мішені цирко-

нію. Виявлено доцільність застосування покриттів нітриду цирконію як найбільш ефектив-

них для зменшення зносу на дрібнорозмірному волочильному інструменті.

The structure, phase composition, growth kinetics and the properties of zirconium nitride

coatings, implanted deeply into steel bases by ion implantation method have been studied by the

authors. When using zirconium target 1,02 micron surface layer has been found to be formed which

has a large granular structure, «сomposite-base» system hardness 2,18 times greater and high adhe-

sion (5,772 GPa). There is a reduction in wear with increasing time of implantation in the modified

layers, obtained by the target of zirconium. The feasibility of application of coatings of zirconium

nitride as the most effective to reduce wear on the small-sized drawing tool is revealed.

Дзюба В. Л. д-р техн. наук, проф. ВНУ

им. В. Даля

Кляхина Н. А. канд. физ.-мат. наук, доц., зав. кафедрой ИХТ ВНУ им. В. Даля

klyahina@iht.lg.ua

Васецкая Л. А. аспирант ВНУ им. В. Даля

Костенко И. Г. ст. преп. ИХТ ВНУ им. В. Даля

ВНУ им. В. Даля – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля,

г. Луганск

ИХТ ВНУ им. В. Даля – Институт химических технологий Восточноукраинского национального

университета имени Владимира Даля, г. Рубежное

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

УДК 533.59

Дзюба В. Л., Кляхина Н. А., Васецкая Л. А., Костенко И. Г.

СТРУКТУРА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ

НИТРИДА ЦИРКОНИЯ

Общеизвестно, что нитридные модифицированные покрытия обладают рядом ценных

свойств, перспективных в различных отраслях техники [1, 2]. Однако, более широкое вне-

дрение этих нитридов, сдерживается их невысокой надежностью в процессе эксплуатации

деталей, поэтому изучение структуры, твердости, износостойкости и адгезии нитридных по-

крытий, полученных методом ионной имплантации (ИИ) является актуальным.

В данной статье изучаются полученные модифицированные защитные покрытия нит-

рида циркония методом, основанным на бомбардировке поверхности подложки ионами вы-

соких и средних энергий. Исследуется структура, кинетика роста и механические свойства

этих покрытий.

Целью данного исследования является определение эффективности использования

в качестве защитных покрытий на мелкоразмерном волочильном инструменте покрытий нит-

рида циркония.

Для получения защитных покрытий на мелкоразмерном волочильном инструменте

в подложку имплантировались ионы циркония и азота. В качестве подложек были использо-

ваны образцы стали ВСт3сп. Производилась имплантация азота вглубь стальных подложек

при комнатной температуре и рабочем давлении 5,32·10

-2

Па. Использовали мишень цирко-

ния. Подложки были взвешены до и после имплантации на аналитических весах модели

ВЛР-200 г.

Для получения качественных твердых и износостойких покрытий важно подобрать

правильно режим имплантации. В литературных данных [3] указано, что износостойкость

покрытий максимальная при дозе внедряемых ионов D = 10

ион/см

. Так как доза внедряе-

мых ионов непосредственно зависит от времени, то для напыления нами были взяты образцы

стали ВСт3сп в количестве 25 штук и произведено напыление при режимах: U

= 410 B, I

= 0,3 A,

= 2,1 кВ, I

= 40 мА, U

подл

= 25 кB, I

подл

= 35 мA. Время имплантации варьировалось от 10

до 90 мин. Доза ионов, внедренных в подложку составляла 6,69⋅10

–6,02⋅10

ион/см

Дифрактометрические исследования модифицированных покрытий проводились на

рентгеновской установке ДРОН-4. На рис. 1 представлены дифрактограммы, полученные по-

сле 30 и 80 мин имплантации. Из анализа дифрактограмм следует, что линии железа при ма-

лых временах имплантации (30 мин) смещены в сторону больших брегговских углов (при-

мерно на 1º), что свидетельствует о сжатии кристаллической решетки на 0,8 %, т. е. на на-

чальных временах имплантации происходит интенсивный вылет атомов железа из подложки

в камеру. При 80 мин имплантации линии не смещаются, но изменяют свою интенсивность

(примерно в 2 раза). С увеличением дозы облучения увеличивается доля нитридов мишени

ZrN и уменьшается доля нитридов материала подложки Fe

N и Fe

N. Полученные покрытия

являются многофазными.

Оптические исследования модифицированных покрытий проводились на металлогра-

фическом микроскопе МИМ-7. В работе произведен анализ результатов исследований струк-

туры поверхности образцов до и после имплантации с использованием мишени циркония.

Перед модификацией поверхности образцы протравливались раствором 4 % HNO

в этило-

вом спирте [4]. На начальных временах имплантации ионов циркония и азота в подложку

конструкционной стали ВСт3сп наблюдается уменьшение размера зерна (рис. 2). Однако уже

при 40 мин имплантации наблюдается укрупнение зерна новообразовавшейся фазы (рис. 3).

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Рис. 1. Дифрактограммы покрытий, полученных на подложке ВСт3сп при:

а – 30 мин; б – 80 мин имплантации нитрида циркония

а б

Рис. 2. Структура стали ВСт3сп:

а – до имплантации; б – при 10 мин имплантации, × 1320

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

а б

Рис. 3. Структура стали ВСт3сп:

а – до имплантации; б – при 50 мин имплантации, × 1320

Детальное изучение поперечного среза системы подложка-покрытие проводилось

с помощью металлографического микроскопа МИМ-7. Зависимость толщины от времени на

подложках стали ВСт3сп при модификации ее поверхности ионами азота и циркония описы-

вается линейным законом (рис. 4).

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

30 40 50 60 70 80 90 100

мин

δ, мкм

Рис. 4. График зависимости толщины модифицированного покрытия на подложке стали

ВСт3сп от времени имплантации нитрида циркония

Толщина слоя увеличивается с увеличением времени имплантации, что свидетельст-

вует о равномерном росте фазы нитрида циркония на поверхности подложки. На наш взгляд

это связано с тем, что сталь ВСт3сп – конструкционная, содержит минимальное количество

примесей и при имплантации ее ионами N и Zr превалирует образование соединения ZrN,

которое линейно растет с увеличением времени имплантации. Максимальное значение обра-

зовавшегося слоя составляет 1,02 мкм (рис. 5).

Измерение микротвердости модифицированных нитридных покрытий осуществля-

лось при помощи стандартного прибора ПМТ-3, погрешность измерений которого составля-

ет 11–14 %. На рис. 6 приведена зависимость микротвердости модифицированного защитно-

го покрытия от времени имплантации ионами Zr и N. Данная зависимость имеет нелинейный

характер. Максимальная твердость покрытия соответствует 40 мин модификации и состави-

ла 3,755 ГПа. С увеличением времени имплантации твердость снижается в результате возни-

кающих внутренних напряжений.

Измерение адгезии модифицированных нитридных покрытий осуществлялось качест-

венно склерометрическим методом (методом царапания). Вертикальная нагрузка на инден-

тор составляла 10–35 г. Ширина царапин измерялась на микротвердомере ПМТ-3 по

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

общепринятой методике. В работе произведен анализ результатов измерений величины адге-

зии покрытий, полученных методом ионной имплантации с использованием различных ми-

шеней.

а б

Рис. 5. Оптический снимок поперечного среза модифицированного покрытия на подложке

стали ВСт3сп при:

а – 80 мин; б – 90 мин имплантации, × 1950

Твердость

композиции

Твердость

подложки

0 102030405060708090100

t, мин

H, ГПа

Рис. 6. График зависимости твердости модифицированного покрытия стали ВСт3сп от

времени имплантации нитрида циркония

Измерение адгезии модифицированных нитридных покрытий осуществлялось качест-

венно склерометрическим методом (методом царапания). Вертикальная нагрузка на инден-

тор составляла 10–35 г. Ширина царапин измерялась на микротвердомере ПМТ-3 по обще-

принятой методике. В работе произведен анализ результатов измерений величины адгезии по-

крытий, полученных методом ионной имплантации с использованием различных мишеней.

Для оценки величины адгезии покрытий были взяты образцы при t = 10, 40, 60 и 80 мин

имплантации, данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

Оценка величины адгезии модифицированных нитридных покрытий, ГПа, нагрузка 15 г

Время имплантации, мин

Подложка

Н, ГПа

10 40 60 80

Сталь ВСт3сп 3,563 4,850 4,850 5,772

При имплантации конструкционной стали ионами азота и циркония происходит воз-

растание величины адгезии с увеличением времени имплантации с 3,56 до 5,77 ГПа (рис. 7).

Покрытие не удаляется с поверхности подложки (рис. 8), что свидетельствует о хороших

пластических свойствах упрочненного покрытия. Данные измерений величины адгезии,