ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ CRN/ALN, ПОЛУЧЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ

В работе представлены результаты исследования покрытий системы CrN/AlN, полученных методом магнетронно-ионного реактивного распыления. Изучены варианты покрытий с периодической нанокомпозитной структурой с периодом слоя L = = 1,5÷3,2 нм и относительным содержанием Cr в покрытии Cr/(Al + Cr) в интервале 68–85 %. Установлено, что покрытия имеют плотную морфологию и столбчатую зерненную структуру, которая является для них типичной. Для всех образцов отмечены дифракционные максимумы, соответствующие кубической решетке, являющиеся суперпозицией двух составов покрытий: CrN и AlN. Пиков, соответствующих AlN с гексагональным типом структуры, не зафиксировано. Также не обнаружено пиков CrAlN, т.е. образования гомогенного покрытия не происходит. Проведены экспериментальные исследования микро- твердости, модуля упругости, индекса пластичности и износостойкости покрытий, полученных при различных режимах напыления. Измерения показали, что микротвердость и модуль упругости полученных покрытий изменяются в диапазонах H = 32÷42 ГПа и E = 350÷420 ГПа соответственно. Максимальное значение индекса пластичности H/E=0,115 достигается при L = 3,2 нм, что соответствует вариантам покрытий с наибольшей твердостью. Однако при минимальном периоде слоев (L = 1,5 нм) и высоком содержании Cr также отмечены достаточно большие значения H/E ~0,1. Коэффициенты абразивного износа полученных покрытий изменяются в интервале kс = (2,0÷2,8)·10–13 м3/(Н·м). Минимальные его значения достигнуты при максимальном периоде слоев покрытия, т.е. при наибольшей твердости, что хорошо согласуется с классической теорией износа. В то же время высокая износостойкость наблюдается и при малом L, что свидетельствует о корреляции величин H/E и kс. На основе полученных экспериментальных данных построена группа нейросетевых моделей, устанавливающих взаимосвязь параметров технологического режима (силы тока на магнетронах) напыления с элементным составом покрытий, а также периода слоев покрытия и относительного содержания хрома с физико-механическими свойствами и износостойкостью покрытий CrN/AlN.

магнетронное напыление покрытий, система CrN/AlN, периодическая нанокомпозитная структура, твердость, нейросетевая модель

1. Levashov E.A., Petrzhik M.I., Tyurina M.Ya., KiryukhantsevKorneev F.V., Tsygankov P.A., Rogachev A.S. Multilayer nanostructured heat-generating coatings. Preparation and certification of mechanical and tribological properties // Metallurgist. 2011. Vol. 54. No. 9-10. P. 623—634.

2. Andrievski R.A. New superhard materials based on nanostructured high-melting compounds: achievements and perspectives // NATO Sci. Ser. II: Mathematics, Physics and Chemistry. 2001. Vol. 16. P. 17-32.

3. Veprek S., Veprek-Heijman M., Karvankova P., Prochazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposites // Thin Solid Films. 2005. Vol. 476. P. 1—29.

4. Park J.-K., Baik Y.-J. The crystalline structure, hardness and thermal stability of AlN/CrN superlattice coating prepared by D.C. magnetron sputtering // Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 200. P. 1519—1523.

5. Tien S.-K., Duh J.-G. Effect of heat treatment on mechanical properties and microstructure of CrN/AlN multilayer coatings // Thin Solid Films. 2006. Vol. 494. P. 173—178.

6. Tien S.-K., Duh J.-G., Lee J.-W. Oxidation behavior of sputtered CrN/AlN multilayer coatings during heat treatment // Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 5138—5142.

7. Tien S.-K., Lin C.-H., Tsai Y.-Z., Duh J.-G. Oxidation behavior, microstructure evolution and thermal stability in nanostructured CrN/AlN multilayer hard coatings // J. Alloys and Compnd. 2010. Vol. 489. P. 237—241.

8. Lin J., Moore J.J., Mishra B., Pinkas M., Sproul W.D. Nanostructured CrN/AlN multilayer coatings synthesized by pulsed closedfield unbalanced magnetron sputtering // Surf. Coat. Technol. 2009. Vol. 204. P. 936—940.

9. Lin J., Hendersonb H.B., Manuelb M.V., Sproul W.D. Nanometer scale chemistry and microstructure of CrN/AlN multilayer films // Appl. Surf. Sci. 2013. Vol. 274. P. 392—396.

10. Schlögla M., Paulitscha J., Mayrhofer P.H. Thermal stability of CrN/AlN superlattice coatings // Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 240. P. 250—254.

11. Нургаянова О.С., Ганеев А.А. Математическое моделирование влияния легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов с монокристаллической структурой // Вестник УГАТУ. 2006. Т. 8. No. 1 (17). С. 91—96.

12. Парфенов Е.В., Невьянцева Р.Р., Быбин А.А. Обобщенная математическая модель технологического процесса электролитно-плазменного удаления покрытий // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9. No. 7 (25). С. 33—40.

13. Коpостелев В.Ф., Большаков А.Е. Pазpаботка нейpосетевой модели пpоцесса кpисталлизации pасплава под давлением // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. No. 10. С. 50—55.

14. Букарев И.М., Аборкин А.В. Исследование свойств многослойных покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. No. 5. С. 16—19.

15. Букарев И.М., Аборкин А.В. Влияние режима напыления на структуру и свойства многослойных нитридных покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. No. 11. С. 33—38.

16. Yashar P.C., Sproul W.D. Nanometer scale multilayered hard coatings // Vacuum. 1999. Vol. 55. P. 179—190.

17. Lin J., Moore J.J., Mishra B., Pinkas M., Zhang X., Sproul W.D. CrN/AlN superlattice coatings synthesized by pulsed closedfield unbalanced magnetron sputtering with different CrN layer thicknesses // Thin Solid Films. 2009. Vol. 517. P. 5798—5804.

18. Rutherford K.L., Hutchings I.M. A micro-abrasive wear test, with particular application to coated systems // Surf. Coat. Technol. 1996. Vol. 79. P. 231—239.

19. Archard J.F. Contact and rubbing of flat surfaces // J. Appl. Phys. 1953. Vol. 24. No.8. P. 981—988.

20. Imbeni V., Martini C. , Lanzoni E. , Poli G., Hutchings I.M. Tribological behaviour of multi-layered PVD nitride coatings // Wear. 2001. Vol. 251. P. 997—1002.

21. Кисель И.В., Нескоромный В.Н., Ососков Г.А. Применение нейронных сетей в экспериментальной физике // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1993. Т. 24. No. 6. С. 1551—1595.

22. Schlögl M., Mayer B., Paulitsch J., Mayrhofer P.H. Influence of CrN and AlN layer thicknesses on structure and mechanical properties of CrN/AlN superlattices // Thin Solid Films. 2013. Vol. 545. P. 375—379.

23. Aborkin A.V., Ryabkova V.V., Elkin A.I. Deformation curves for multicomponent nitride and carbide coatings // J. Frict. Wear. 2015. Vol. 36. No. 4. P. 273—279.

24. Штанский Д.В., Кулинич С.А., Левашов Е.А., Moore J.J. Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких пленок // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. No. 6. С. 1122—1129.

25. Погребняк А.Д., Дробышевская А.А., Береснев В.М., Кылышканов М.К., Кирик Г.В., Дуб С.Н., Комаров Ф.Ф., Шипиленко А.П., Тулеушев Ю.Ж. Микро- и нанокомпозитные защитные покрытия на основе Ti—Al—N/Ni—Cr—B—Si—Fe, их структура и свойства // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81. No. 7. С. 124—131.

26. Aborkin A.V., Ryabkova V.V., Abramov D.V. Friction and wear of nitride and carbide coatings in contact with aluminum // J. Frict. Wear. 2013. Vol. 34. No. 4. P. 294—301.

27. Аборкин А.В., Рябкова В.В., Сергеев А.В. Исследование трибологических свойств многослойных и многокомпонентных вакуумных ионно-плазменных покрытий // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2012. No. 5. С. 12—15.

28. Букарев И.М., Собольков А.В., Аборкин А.В. Повышение скорости роста толщины покрытия CrN/AlN управлением загрязнением мишени при магнетронном напылении // Вестник машиностроения. 2017. No. 3. C. 67—70.