В ИСЭ СО РАН определили предпочтительные соотношения титана и бора в упрочняющих покрытиях для режущего инструмента
Ученые из лаборатории прикладной электроники Института сильноточной электроники СО РАН исследовали механические и трибологические характеристики упрочняющих покрытий для режущих инструментов с различным соотношением бора и титана, нанесенных методом дуального магнетронного распыления в сильноточных режимах электропитания. Полученные результаты позволяют выявить взаимосвязь между составом покрытия, его механическими и эксплуатационными характеристиками. Это дает представление об оптимизации свойств данных покрытий используемых в качестве износостойких материалов. Результаты исследования представлены в высокорейтинговом журнале Vacuum .
– До сих пор в инструментальной промышленности наиболее распространены покрытия на основе нитридов переходных металлов (титана, циркония, хрома и т.п.), обеспечивающие упрочнение поверхности и увеличивающие стойкость к износу. В последние годы большой интерес вызывают покрытия на основе титана и бора, перспективные для широкого спектра отраслей (от инструмента и химии до электроники, энергетики и аэрокосмической техники). Их популярность обусловлена высокой твердостью, износоустойчивостью и стойкостью к окислению, – рассказывает младший научный сотрудник лаборатории прикладной электроники, аспирантка ИСЭ СО РАН Елизавета Крайнова.
По ее словам, распространенным методом нанесения таких покрытий остается метод дугового испарения, отличающийся высокой скоростью роста и обеспечивающий высокую адгезионную прочность. Однако существенным недостатком полученных таким образом покрытий является наличие капельной фракции, снижающей качество покрытий и ограничивающей сферу их применения. Метод магнетронного распыления является наиболее перспективным и предлагается в качестве альтернативного метода. Он позволяет получать более гладкие покрытия, а при определенных условиях и специфических параметрах электропитания – также плотные структуры, что улучшает эксплуатационные характеристики изделий и защищает их от коррозии.
Чтобы предложить потенциальным промпартнерам покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками, необходимо решить целый ряд научно-технических задач. В их числе – исследование трибологических свойств (коэффициента трения и скорости износа) синтезируемых покрытий при сочетании с различными материалами контртел, что позволит определить границы их применимости.
– Для исследования трибологических свойств наших покрытий используется специальный прибор – трибометр в конфигурации «шар-диск». Образец с нанесенным покрытием фиксируется на вращающемся диске, поверх которого располагается неподвижный шпиндель с контактным элементом в форме шара (контртело). В зависимости от поставленной задачи выбирается шар из конкретного материала. Под заданной нагрузкой этот элемент прижимается к образцу, создавая постоянное трение. Так как сам шпиндель неподвижен, а диск постоянно вращается, на покрытии постепенно формируется кольцевидная зона износа, которую называют «трек». Изучение профиля образовавшегося трека дает возможность объективно оценить стойкость материала к износу. Анализ самого трека и области контакта шара с помощью микроскопии помогает определить механизм износа, – объясняет Елизавета Олеговна.
Ученые провели испытания трибологических свойств двух типов покрытий с разным содержанием титана и бора. Испытания проводились путем взаимодействия покрытий с тремя типами контртел: нитридом кремния, карбидом кремния и подшипниковой сталью.
Полученные результаты показали, что покрытие с высоким содержанием титана обладает значительно лучшими механическими характеристиками: его твердость достигает 42 ГПа, что примерно в 1,3 раза превышает показатели покрытий с большим количеством бора. Кроме этого, покрытие демонстрирует повышенную устойчивость к пластическим деформациям. Механизм износа зависит от условий испытаний и материала контртела, использованного в эксперименте. Общие значения коэффициента трения находятся в пределах от 0,6 до 0,8 при достаточно низкой скорости износа.
В планах исследователей – продолжить изучение трибологических свойств упрочняющих покрытий на основе титана и бора, имитируя процессы трения и износа при использовании смазочных веществ, применяемых при резке различных материалов.
© Пресс-служба ТНЦ СО РАН
