Shanin S.A. et al. 2018 Vol. 20 No. 1

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 20 No. 1 2018 73 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Свойства химических веществ и соединений Properties of chemical substances and compounds Параметры Cr N Fe Ti TiN CrN Fe 2 N Размерность λ 93,9 0,026 80,1 21,9 36,2 69,3 67,3 Вт/(м · K) ρ 7,19 0,8 7,87 4,54 4,93 5,9 6,68 ×10 3 , кг/м 3 C p 23,3 29,1 25,14 25,1 34,23 53,4 98,45 Дж/(мол · K) m 51,9 14 55,84 47,8 59,89 66 125,6 ×10 –3 , кг/мол E 185 0,14 190 232 280 250 217 ГПа  0,3 0,24 0,28 0,26 0,29 0,3 0,3  T 3,6 2 4 2,8 3,2 3,7 3,8 ×10 –6 , К –1 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Кинетические параметры реакций Kinetic parameters of reactions Образующееся химическое соединение Энергия активации Пред- экспонент Теплота реакции, кДж/моль Fe 2 N 2 ∙ 10 5 1,2 ∙ 10 11 –51,8 CrN 1,7 ∙ 10 5 2 ∙ 10 4 85,43 TiN 21406 2,46 ∙ 10 14 11,64 Результаты и их обсуждение В расчетах определяются распределения кон- центраций элементов и химических соединений в последовательные моменты времени, рассчи- тывается температура, а также напряжения и де- формации для разных вариантов модели. Усло- вия в плазме варьируются. Распределения концентраций в прилегаю- щей части подложки и в покрытии в различные моменты времени показаны на рис. 2, а–е . По- скольку покрытие и подложка имеют высокую теплопроводность и размер подложки незначи- телен (толщина подложки 2 мм), то температура быстро выравнивается и изменяется только со временем. В начальной стадии процесса осаждения в плазме присутствует хром, вследствие чего в по- крытии формируется нитрид хрома ( t < 1200 c). По мере проникания железа в покрытие посред- ством диффузии начинается образование ни- трида железа, что приводит к уменьшению скорости образования нитрида хрома. Пока покрытие тонкое, за счет роста температуры ускоряется образование Fe 2 N. В дальнейшем излучение препятствует росту температуры, кроме того, ионам приходится преодолевать все большее расстояние, и скорость образова- ния Fe 2 N замедляется, т. е. непосредственно слой твердого продукта реакции приводит к ее торможению. Во временном интервале t [1200, 2400] состав плазмы меняется, на подложку вместо хрома начинают поступать ионы ти- тана, что приводит к образованию нитрида титана (рис. 2, б ). Поскольку в этот промежуток времени хром в составе плазмы отсутствует, то его концентрация и, как следствие, концентра- ция нитрида хрома на этом участке равны нулю (рис. 2 в , г ). Повторная смена плазмы происхо- дит в момент времени ( t > 2400 c). Так как азот присутствует в плазме постоянно, то его концен- трация все время возрастает. Распределения напряжений вдоль радиуса при различных концентрациях осаждаемых эле- ментов у поверхности покрытия представлены на рис. 3, а–в . Механические напряжения при этом увеличиваются. Поскольку в процессе на- несения покрытия смена осаждаемых тугоплав- ких металлов осуществлялась два раза, покры- тие состоит из трех слоев, отличающихся между собой составом и, как следствие, коэффициента- ми термического расширения и модулями упру- гости – угловые и осевые напряжения имеют ха- рактерные изгибы (рис. 3, б , в ).