ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Сегодняшнее состояние в области применения твердых покрытий нуждается в формировании наноструктурированных композиций с использованием различных химических элементов. Современные твердые покрытия способны сочетать в себе разные свойства, такие как высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость. В настоящее время перспективными являются покрытия, полученные послойным нанесением нитридов циркония и хрома. При осаждении комбинаций химических элементов на различные подложки требуются исследования, направленные на изучение их микроструктуры и главным образом остаточных напряжений, сформированных при нанесении многослойных покрытий. Целью работы является исследование структурно-фазового состояния и остаточных напряжений покрытий системы ZrN/CrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом из газовой фазы. Методика исследования. В работе исследованы образцы с покрытиями из нитридов циркония и хрома, нанесенными на подложки из твердого сплава ВК8. В работе используются такие методы исследований, как просвечивающая электронная микроскопия для изучения микроструктурных характеристик многослойных покрытий и рентгеноструктурный анализ для количественного определения остаточных напряжений I рода. Результаты и их обсуждение. На основании полученных экспериментальных результатов установлено, что изменение режимов нанесения многослойных покрытий ZrN/CrN в части скоростей вращения стола и подложкодержателя приводит к изменению микроструктуры, морфологии и внутренних напряжений поверхностных слоев многослойных покрытий. Показано, что при изменении условий нанесения слоев многослойного покрытия открываются возможности формирования покрытий ZrN/CrN на подложке из сплава ВК8 с наномасштабной толщиной слоев покрытия. Рентгеноструктурный анализ указывает в основном на несущественные напряжения, а при высокой скорости вращения стола и подложкодержателя на высокие сжимающие напряжения во многослойном покрытии. В ходе исследований просвечивающей электронной микроскопии установлено, что покрытия CrN и ZrN имеют общую текстуру роста многослойного покрытия при низких скоростях вращения, а при высоких скоростях наблюдается текстурная разориентировка фаз слоев покрытия. На основе полученных результатов можно рекомендовать покрытия системы ZrN/CrN в качестве твердых покрытий.

1. Fatigue properties of a 316L stainless steel coated with different ZrN deposits / J.A. Berríos-Ortíz, J.G. La Barbera-Sosa, D.G. Teer, E.S. Puchi-Cabrera // Surface and Coatings Technology. – 2004. – Vol. 179. – P. 145–157. – DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00808-9.

2. Structural and mechanical properties of compositionally gradient CrNx coatings prepared by arc ion plating / M. Zhang, M.K. Li, K.H. Kim, F. Pan // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255. – P. 9200–9205. – DOI: 10.1016/J.APSUSC.2009.07.002.

3. High-temperature oxidation resistant (Cr, Al)N films synthesized using pulsed bias arc ion plating / M. Zhang, G. Lin, G. Lu, C. Dong, K.H. Kim // Applied Surface Science. – 2008. – Vol. 254. – P. 7149–7154. – DOI: 10.1016/J.APSUSC.2008.05.293.

4. Structure and corrosion properties of PVD Cr–N coatings / C. Liu, Q. Bi, H. Ziegele, A. Leyland, A. Matthews // Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. – 2002. – Vol. 20. – P. 772–780. – DOI: 10.1116/1.1468651.

5. Adhesion improvements in silicon carbide deposited by plasma enhanced chemical vapour deposition / V.A. Mernagh, T.C. Kelly, M. Ahern, A.D. Kennedy, A.P.M. Adriaansen, P.P.J. Ramaekers, L. McDonnell, R. Koekoek // Metallurgical Coatings and Thin Films. – 1991. – Vol. P. 462–467. – DOI: 10.1016/B978-0-444-89455-7.50087-3.

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. – P. 115–124. – DOI: 10.1016/S0257-8972(98)00584-2.

7. Chang Y.Y., Chang B.Y., Chen C.S. Effect of CrN addition on the mechanical and tribological performances of multilayered AlTiN/CrN/ZrN hard coatings // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 433. – P. 128107. – DOI: 10.1016/J.SURFCOAT.2022.128107.

8. Nanometric CrN/CrAlN and CrN/ZrN multilayer physical vapor deposited coatings on 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells / T. Rajabi, M. Atapour, H. Elmkhah, S.M. Nahvi // Thin Solid Films. – 2022. – Vol. 753. – P. 139288. – DOI: 10.1016/J.TSF.2022.139288.

9. The influence of deposition conditions and bilayer thickness on physical-mechanical properties of CA-PVD multilayer ZrN/CrN coatings / O. Maksakova, S. Simo?s, A. Pogrebnjak, O. Bondar, Y. Kravchenko, V. Beresnev, N. Erdybaeva // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 140. – P. 189–196. – DOI: 10.1016/J.MATCHAR.2018.03.048.

10. 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. – P. 5186–5189. – DOI: 10.1016/J.SURFCOAT.2006.07.093.

11. 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.

12. 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.

13. Thick CrN/NbN multilayer coating deposited by cathodic arc technique / J.A. Araujo, R.M. Souza, N.B. De Lima, A.P. Tschiptschin // Materials Research. – 2017. – Vol. 20. – P. 200–209. – DOI: 10.1590/1980-5373-MR-2016-0293.

14. A comparative study of reactive direct current magnetron sputtered CrAlN and CrN coatings / H.C. Barshilia, N. Selvakumar, B. Deepthi, K.S. Rajam // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 201. – P. 2193–2201. – DOI: 10.1016/J.SURFCOAT.2006.03.037.

15. Corrosion and interfacial contact resistance of 316L stainless steel coated with magnetron sputtered ZrN and TiN in the simulated cathodic environment of a proton-exchange membrane fuel cell / P. Yi, L. Zhu, C. Dong, K. Xiao // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 363. – P. 198–202. – DOI: 10.1016/J.SURFCOAT.2019.02.027.

16. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом / А.В. Филиппов, Н.Н. Шамарин, Е.Н. Москвичев, О.С. Новицкая, Е.О. Княжев, Ю.А. Денисова, А.А. Леонов, В.В. Денисов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 87–102. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-87-102.

17. Sue J.A., Perry A.J., Vetter J. Young’s modulus and stress of CrN deposited by cathodic vacuum arc evaporation // Surface and Coatings Technology. – 1994. – Vol. 68–69. – P. 126–130. – DOI: 10.1016/0257-8972(94)90149-X.

18. Meenaatci A.T.A., Rajeswarapalanichamy R., Iyakutti K. Pressure induced phase transition of ZrN and HfN: a first principles study // Journal of Atomic and Molecular Sciences. – 2013. – Vol. 4, N 4. – P. 321–335. – DOI: 10.4208/jams.121012.012013a.

19. Chimmat M., Srinivasan D. Understanding the residual stress in DMLS CoCrMo and SS316L using X-ray diffraction // Procedia Structural Integrity. – 2019. – Vol. 14. – P. 746–757. – DOI: 10.1016/J.PROSTR.2019.05.093.

20. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Металлургия, 1970. – 366 с.