Пористость ионно-плазменных покрытий из нитрида титана

Костржицкий А.И., Чебан Т.В.
Украина, г. Одесса, Одесская национальная академия пищевых технологий

Источник :    Национальная библиотека Украины имени В.И. Вернадского

   В данной работе было изучено влияние режимов нанесения ионно-плазменных покрытий из нитрида титана на пористость покрытий; проанализированы некоторые особенности защитных свойств покрытий данного типа с учетом специфики образованияи функционированияочаговкоррозионныхразрушений впорах покрытий. Приведенные эмпирические зависимости n = f( t) использованы при оптимизации технологических параметров нанесения покрытий с требуемыми эксплуатационными характеристиками в конкретных условиях эксплуатации.

1.Введение:

    Полученные методами ионно-плазменной технологии конденсационные покрытия из нитрида титана, нашли наиболее широкое применение для поверхностного упрочнения металлообрабатывающего инструмента [1], повышения работоспособности и долговечности деталей сельскохозяйственных машин, работающих в узлах трения [2], в ряде других отраслей сельскохозяйственной промышленности; общий анализ соответствующей информации впервыебылсделанавторамиработ [3, 4]. Внастоящее время по данному вопросу имеется колоссальный объем информации о технологии получения, свойствах и областях применения покрытий данного класса.

   В данной работе была поставлена задача изучить влияние режимов нанесения ионно-плазменных покрытий из нитрида титана на пористость покрытий; проанализировать некоторые особенности защитных свойств покрытий данного типа с учетом специфики образования и функционирования очагов коррозионных разрушений в порах покрытий.

   Образцы покрытий из TiN были получены на установке "Булат – 3Т"; технология получения покрытий предусматривает использование электродуговых испарителей и варьирования основных параметров процесса осаждения p, I , U и Т (р – давление в вакуумной камере, Iд – ток дуги испарителя, Uп – ускоряющее напряжение на подложке, Т – температура конденсации) в пределах, предусматривающих оптимальные режимы получения покрытий данного класса с требуемыми механическими, структурными и поверхностными характеристиками. В ходе предварительных исследований [5] было установлено, что на защитные свойства ионно-плазменных покрытий параметры металлизации влияют слабо; основные закономерности корозионнно-электрохимического поведения определяютсятолщиной покрытия. Это характернодляподавляющего большинства катодных конденсационных покрытий [6]. В этой связи получение образцов для исследования пористости осуществлялось при фиксированных параметрах металлизации: p = 0,35 … 0,40 Па, Iд = 80 ... 120 А, U = 200 В, Т = 775 … 825 К. В качестве подложек использована тонколистовая сталь марок 0,8кп и У8А.

   Результаты исследований кинетики нарастания "работающих" пор в покрытиях из TiN на стали приведены на рис. 1 и табл. 1. Обработка результатов наблюдений показала, что в системе координат n-lg (n – пористость, см ; – время наблюдений, часы) характер нарастания "работающих" очагов коррозионного разрушения описывается линейной функцией типа:

   где эмпирические коэффициенты А и В рассчитываются по результатам обработки данных наблюдений (табл. 1), анализ которых позволяет сделать следующие выводы. Скорость нарастания числа "работающих" очагов коррозии (пропорциональна dn/d) выше, как правило, на образцах стали с тонкими покрытиями. Это объясняется влиянием геометрического фактора d/h (d – диаметр пор, h – толщина покрытия) и капиллярных эффектов на характер зарождения и развития очагов коррозионных разрушений по электрохимическому механизму [6,7,8]. С возрастанием толщины покрытия доля сквозных пор, имеющих высокие значения d/h, уменьшается. При малых значениях d/h (характерно для толстых покрытий) доступ агрессивного агента к основанию поры (к подложке) затруднен, очаг поражения начинает работать через определенный промежуток времени после начала испытаний, что и определяет наблюдаемые различия в кинетических зависимостях n = f(x) для покрытий различной толщины.

   Второй характерной особенностью, вытекающей и занализа данных табл. 1, является влияние степени агрессивности среды на кинетику нарастания очагов поражения и на общее их количество. В уравнении 1 и в табл. 1 этот факт и ллюстрируется численными значениями параметра В. В атмосфере с примесью SO2 (модельная промышленная атмосфера) скорость нарастания числа работающих очагов коррозии максимальная, во влажной субтропической атмосфере– минимальная.

   Распределение очагов коррозионных разрушений на поверхности образца носит случайный характер: на одних образцах очаги распределены равномерно, на других зафиксированы скопления густо расположенных очагов и одиночные очаги, находящиеся на значительном расстоянии от скоплений. Это обстоятельство определяет резкие различия в характере развития коррозионно-электрохимических процессоввпорах. Так, например, вместахскопленияочаговотмеченонезначительное углубление коррозионныхязв вглубь подложки при достаточно обильном выделении продуктов коррозии. В одиночныхпорахотмечено, какправило, сквозное поражение основы и незначительный выход продуктов коррозии на поверхность образца. Эти различия можно объяснить с позиций повременной или поэтапной реализации электрохимического [8] и механохимического [7] механизмовразвитиякоррозионных процессоввпорахкатодныхконденсационныхпокрытий[6].

   При веденные выше результаты и сследования пористости покрытий из TiN настали, а также обсуждение основных экспериментально установленных закономерностей соответствуют режимам предварительной подготовки поверхности в атмосфере остаточныхгазовпри давлениях (2 … 4) 10 Па и ускоряющемнапряженииразряда порядка 1,1 кВ. Времядостижениярабочейтемпературыконденсации (Т = 775 … 825 К) определялосьмассойобразцови при выбранныхрежимахработы электродугового испарителя составляло 90 … 120 с. Если же разогрев подложки на стадии очистки и активации ее поверхности проводился в атмосфере аргона с последующим нанесением покрытий по стандартной технологии [1, 2], то защитные свойства покрытий (обусловлены пористостью) резкоулучшаются. Так, например, для случая и спытаний в водопроводной воде зависимость n = f(x) имеет вид

    что в сравнении с данными табл. 1 указывает на существенно более низкую скорость нарастания работающих очагов коррозии. Изменяется и характер очагов поражения. На образцах фиксируются только мелкиеочаги коррозии, которыечерез 30 сутокможно различить только в микроскопе (увеличение 30 ), а через 6 месяцев испытаний просматриваются и без микроскопа. Сквозного поражения основы, как правило, не наблюдается.

   Результаты проведенных исследований показывают, что защитные свойства катодных ионно-плазменных покрытий из TiN и характер коррозионно- электрохимического их поведения в различных агрессивных средах определяются, в основном, пористостью покрытий и их толщиной. При оценке пористости как объективного показателя защитных свойств целесообразно использовать подсчет очагов коррозии при испытании в различных средах. Приведенные эмпирические зависимости n = f(x) можно использовать при оптимизации технологических параметров нанесения покрытий с требуемым и эксплуатационными характеристиками в конкретных условиях эксплуатации.

Список литературы:

   1.    Андреев В.Н. Исследование эффективности применения износостойких покрытий на резцах из быстрорежущей стали. - Станки и инструмент, 1982, № 9, с.18-20.

   2.   ХанзаровГ.Н., Магомедов Б.Р., Абдуллаев Э.Г. Повышение износостойкости деталей литерных машин плазменным нападением. - Защита металлов, 1982, т.18, № 3, с.453-454.

   3.   Карпов В.Ф., Костржицкий А.И. Нанесение износостойких покрытий на инструмент из быстрорежущейстали. – Киев, крНИИНТИ, 1985, №2699 – Ук85. – 13 с.

   4.   Костржицкий А.И., Карпов В.Ф., Паскал В.В. Методы нанесения износостойких покрытий на детали машин и конструкций. – Киев, крНИИНТИ, 1986, №23 – Ук86, Деп., – 49 с.

   5.   Карпов В.Ф., Костржицкий А.И., Паскал В.В. Коррозионно- электрохимическое поведение вакуумных покрытий из нитрида титана на сталь. – "Вакуумные покрытия – 87"/Тез. докл. 4-й науч.-техн. конф. – Рига, ЛатНИИНТИ, 1987, с. 153-155.

   6.   Костржицкий А.И. Способы получения и свойства коррозионно-стойких вакуумных многокомпонентных пленок и покрытий/ Автореф. дисс… докт. техн. наук. – М.: НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 1988. – 37 с.

   7.   Костржицкий А.И. О механизме развития коррозионных процессов в порах катодных вакуумных покрытий настали. - Защита металлов, 1985, т.21, № 1, с.64-68.