ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Современные технологии позволяют формировать наноструктурированные покрытия с использованием множества химических элементов. Такие покрытия способны сочетать в себе разные физико-механические и химические свойства. С этой точки зрения перспективными являются покрытия, сформированные послойным нанесением нитридов циркония и хрома. Осаждение разных химических элементов на разнообразные подложки требует проведения отдельных исследований для формирования прочных и износостойких покрытий. Целью работы является исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий системы ZrCrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом физического осаждения из газовой фазы. В работе исследованы образцы с покрытиями нитридов циркония и хрома, а также с многослойными покрытиями системы ZrCrN, нанесенными на подложки из твердого сплава ВК8. Методами исследования являются конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, рентгенофазовый анализ, высокоразрешающая растровая электронная микроскопия, наноиндентирование и царапание. Результаты и обсуждение. На основе полученных экспериментальных результатов установлено, что изменение режима нанесения многослойных покрытий ZrCrN приводит к существенному воздействию на их структуру, морфологию и шероховатость поверхности, а также механические свойства. В частности, изменение частоты вращения образцов при нанесении покрытия, позволяет контролировать длительность осаждения каждого из рассматриваемых слоев многослойного покрытия и тем самым управлять их свойствами. Заключение. На основе полученных результатов показано, что измененрием условий осаждения можно сформировать покрытие системы ZrCrN на подложке из сплава ВК8 с высокой нанотвердостью – 45 ГПа. Анализ результатов механических испытаний указывает на хорошую адгезию между исследуемыми покрытиями и подложкой. В ходе тестов на царапание установлено, что покрытия CrN и ZrN разрушаются по когезионному механизму, а на поверхности покрытий системы ZrCrN формируются равномерные царапины без следов разрушения. На основе полученных результатов можно рекомендовать покрытия ZrCrN-2–ZrCrN-4 в качестве твердых и потенциально износостойких покрытий.

1. Tribology of multilayer coatings for wear reduction: a review / M. Khadem, O.V. Penkov, H.K. Yang, D.E. Kim // Friction. – 2017. – Vol. 5 (3). – P. 248–262. – DOI: 10.1007/s40544-017-0181-7.

2. Krella A. Resistance of PVD coatings to erosive and wear processes: a review // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (10). – P. 921. – DOI: 10.3390/COATINGS10100921.

3. Каменева А.Л., Сушенцов Н.И., Клочков А. Зависимость морфологии, свойств, теплового и напряженного состояния пленок от технологических параметров магнетронного распыления // Технология металлов. – 2010. – № 11. – С. 38–42.

4. Effect of thermal annealing in vacuum and in air on nanograin sizes in hard and superhard coatings Zr-Ti-Si-N / A.D. Pogrebnjak, A.P. Shpak, V.M. Beresnev, D.A. Kolesnikov, Yu.A. Kunitskii, O.V. Sobol, V.V. Uglov, F.F. Komarov, A.P. Shypylenko, N.A. Makhmudov, A.A. Demyanenko, V.S. Baidak, V.V. Grudnitskii // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2012. – Vol. 12, N 12. – P. 9213–9219. – DOI: 10.1166/jnn.2012.6777.

5. Nanoindentation induced plastic deformation in nanocrystalline ZrN coating / Z.T. Wu, Z.B. Qi, D.F. Zhang, Z.C. Wang // Materials Letters. – 2016. – Vol. 164. – P. 120–123. – DOI: 10.1016/j.matlet.2015.10.091.

6. Characterization of zirconium nitride coatings deposited by cathodic arc sputtering / K.A. Gruss, T. Zheleva, R.F. Davis, T.R. Watkins // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 107, iss. 2–3. – P. 115–124. – DOI: 10.1016/S0257-8972(98)00584-2.

7. Atar E., Çimenoglu H., Kayali E.S. Effect of oxidation on the wear behavior of a ZrN coating // Key Engineering Materials. – 2005. – Vol. 280. – P. 1459–1462. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.280-283.1459.

8. Flexible hydrophobic ZrN nitride films / J. Musil, S. Zenkin, Š. Kos, R. Cerstvý, S. Haviar // Vacuum. – 2016. – Vol. 131. – P. 34–38. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.05.020.

9. Mo J.L., Zhu M.H. Tribological characterization of chromium nitride coating deposited by filtered cathodic vacuum arc // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 17. – P. 7627–7634. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2009.04.040.

10. Evaluation of adhesive behaviors of chromium nitride coating films produced by arc ion plating method / R.I. Murakami, Y.H. Kim, K. Kimura, D. Yonekura, D.H. Shin // JSME International Journal Series A, Solid Mechanics and Material Engineering. – 2006. – Vol. 49, iss. 1. – P. 123–129. – DOI: 10.1299/jsmea.49.123.

11. Effect of chromium nitride coating on the corrosion and wear resistance of stainless steel / J. Jagielski, A.S. Khanna, J. Kucinski, D.S. Mishra, P. Racolta, P. Sioshansi, E. Tobin, J. Thereska, V. Uglov, T. Vilaithong, J. Viviente, S.-Z. Yang, A. Zalar // Applied Surface Science. – 2000. – Vol. 156, iss. 1–4. – P. 47–64. – DOI: 10.1016/S0169-4332(99)00350-5.

12. Corrosion prevention of chromium nitride coating with an application to bipolar plate materials / J. Park, P. Kusumah, Y. Kim, K. Kim, K. Kwon, C.K. Lee // Electrochemistry. – 2014. – Vol. 8, iss. 8. – P. 658–662. – DOI: 10.5796/electrochemistry.82.658.

13. Multilayered chromium/ chromium nitride coatings for use in pressure die-casting / A. Lousa, J. Romero, E. Martínez, J. Esteve, F. Montalà, L. Carreras // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 146. – P. 268–273. – DOI: 10.1016/S0257-8972(01)01476-1.

14. Control of microstructures and properties of dc magnetron sputtering deposited chromium nitride films / Z.G. Zhang, O. Rapaud, N. Bonasso, D. Mercs, C. Dong, C. Coddet // Vacuum. – 2008. – Vol. 82, iss. 5. – P. 501–509. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2007.08.009.

15. Thermal stability and corrosion resistance of Cr/CrN multilayer coatings on Ti6Al4V alloy / P. Wiecinski, J. Smolik, H. Garbacz, K.J. Kurzydlowski // Solid State Phenomena. – 2015. – Vol. 237. – P. 47–53. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.237.47.

16. Microstructure of thick chromium-nitride coating synthesized using plasma assisted MOCVD technique / A. Dasgupta, A. Premkumar, F. Lawrence, L. Houben, P. Kuppusami, M. Luysberg, K.S. Nagaraja, V.S. Raghunathan // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 201, iss. 3–4. – P. 1401–1408. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.02.005.

17. Shapovalov Y.A., Lee D.B. High temperature oxidation of TiAl (La) N coating deposited on a steel substrate by arc-ion plating // Materials Science Forum. – 2006. – Vol. 510. – P. 410–413.

18. Milošev I., Strehblow H.H., Navinšek B. Comparison of TiN, ZrN and CrN hard nitride coatings: electrochemical and thermal oxidation // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 303, iss. 1–2. – P. 246–254. – DOI: 10.1016/S0040-6090(97)00069-2.

19. Maksakova O.V., Pogrebnjak O.D., Beresnev V.M. Features of investigations of multilayer nitride coatings based on Cr and Zr // Успехи физики металлов. – 2018. – Т. 19, № 1. – C. 25–48. – DOI: 10.15407/ufm.19.01.025.

20. Microstructures and tribological properties of CrN/ZrN nanoscale multilayer coatings / Z.G. Zhang, O. Rapaud, N. Allain, D. Mercs, M. Baraket, C. Dong, C. Coddet // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 7. – P. 4020–4026. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.10.075.

21. Fracture resistant and wear corrosion performance of CrN/ZrN bilayers deposited onto AISI 420 stainless steel / N.A. de Sánchez, H.E. Jaramillo Suárez, Z. Vivas, W. Aperador, C. Amaya, J.C. Caicedo // Advanced Materials Research. – 2008. – Vol. 38. – P. 63–75. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.38.63.

22. Kim M.K., Kim G.S., Lee S.Y. Synthesis and characterization of multilayer CrN/ZrN coatings // Metals and Materials International. – 2008. – Vol. 14, N 4. – P. 465–470. – DOI: 10.3365/met.mat.2008.08.465.

23. Enhancing mechanical and tribological performance of multilayered CrN/ZrN coatings / J.J. Zhang, M.X. Wang, J. Yang, Q.X. Liu, D.J. Li // Surface and Coatings Technology. – 2007. – Vol. 201, iss. 9–11. – P. 5186–5189. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.07.093.

24. Structural and mechanical properties of multilayered gradient CrN/ZrN coatings / D.J. Li, F. Liu, M.X. Wang, J.J. Zhang, Q.X. Liu // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 506. – P. 202–206. – DOI: 10.1016/j.tsf.2005.08.031.

25. Magnetron sputtering deposition of polycrystalline CrN/ZrN superlattice coatings / M.X. Wang, J.J. Zhang, Q.X. Liu, D.J. Li // Surface Review and Letters. – 2006. – Vol. 13, N 2–3. – P. 173–177. – DOI: 10.1142/s0218625x06008177.

26. Возможности структурной инженерии в многослойных вакуумно-дуговых ZrN/CrN-покрытиях путем изменения толщины нанослоев и подачи потенциала смещения / О.В. Соболь, А.А. Андреев, В.Ф. Горбань, В.А. Столбовой, А.А. Мейлехов, А.А. Постельник // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, № 7. – С. 100–103.

27. Influence of pressure of working atmosphere on the formation of phase-structural state and physical and mechanical properties of vacuum-arc multilayer coatings ZrN/CrN / O.V. Sobol’, A.A. Andreev, V.F. Gorban’, V.A. Stolbovoy, A.A. Meylekhov, A.A. Postelnyk, A.V. Dolomanov // Вопросы атомной науки и техники. – 2016. – № 1 (101). – С. 134–139.

28. Structural engineering of the vacuum Arc ZrN/CrN multilayer coatings / O.V. Sobol’, A.A. Andreev, V.F. Gorban’, A.A. Meylekhov, A.A. Postelnyk, V.A. Stolbovoy // Journal of Nano- and Electronic Physics. – 2016. – Vol. 8, N 1. – P. 01042-1.

29. The effect of Cr/Zr chemical composition ratios on the mechanical properties of CrN/ZrN multilayered coatings deposited by cathodic arc deposition system / S.F. Chen, Y.C. Kuo, C.J. Wang, S.H. Huang, J.W. Lee, Y.C. Chan, J.G. Duh, T.E. Hsieh // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 231. – P. 247–252. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.03.002.

30. Mechanical and tribological properties evaluation of cathodic arc deposited CrN/ZrN multilayer coatings / S.H. Huang, S.F. Chen, Y.C. Kuo, C.J. Wang, J.W. Lee, Y.C. Chan, H.W. Chen, J.G. Duh, T.E. Hsieh // Surface and Coatings Technology. – 2011. – Vol. 206, iss. 7. – P. 1744–1752. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.10.029.

31. Nanoscale architecture of ZrN/CrN coatings: microstructure, composition, mechanical properties and electrochemical behavior / P.M. Samim, A. Fattah-alhosseini, H. Elmkhah, O. Imantalab // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 15. – P. 542–560. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.08.018.

32. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99. – P. 2353–2363. – DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0.