Применение тонкослойных покрытий в качестве антифрикционных

 

Рисунок-22. Морфология пленок олигомеров на металлах в зависимости от энергетической обработки: г, д, и, к-фолеокс Ф14; а, б, в, е, ж, з-фолеокс Ф1; а, б, в, г, д-подложка медь М-1; и, к-подложка алюминий; е, ж, з-подложка железо; б, д, ж-облучение 30 минут;  
в, з, к-облучение 60 минут. Поле сканирования12 x 12 мкм.

 

На рис. 23 и 25 представлены зависимости микротвердости подложки из меди и нитрида титана, обработанных различными марками фторсодержащих олигомеров. Как и в предыдущих случаях эффект повышения микротвердости наблюдается в случае образования хемосорбционных связей между молекулами фторсодержащих олигомеров и подложкой. В случае если данный процесс не происходит, наблюдается пластифицирование поверхностных слоев поликристалла. Термообработка фактически во всех случаях приводит к увеличению значений микротвердости.

Одним из механизмов, объясняющих  эффект повышения микротвердости металлических подложек, обработанных олигомерами может быть то, что молекулы олигомера «затекают» в отпечаток после того как извлекли  индентор из исследуемого материала, в результате чего наблюдается уменьшение диагонали отпечатка и как следствие повышение расчетного значения микротвердости. Чтобы подтвердить или опровергнуть это предположение были проведены эксперименты, позволяющие определить микротвердость металлов с покрытием из ФСО и после удаления фторсодержащего покрытия с поверхности металла. Для этого фторсодержащий олигомер удаляли с поверхности образца с помощью раствора хладона 113 и проводили измерение микротвердости металлов. Проведенные исследования показали, что удаление олигомера с поверхности фактически не влияет на результаты измерений значений микротвердости (рис. 25).

 

Рисунок-23. Зависимость микротвердости алюминия, обработанного фторсодержащими олигомерами от режима термообработки: 1 – алюминий+ФАК-2, 2 – алюминий +Ф14, 3 – алюминий, 4 – алюминий+В1.

Таким образом, фторсодержащие олигомеры  упрочняют поверхностные слои подложки, в случае если происходит образование  химических (хемосорбционных) связей типа солей высших кислот между пленкой фторсодержащего олигомера и металла (подложкой).

В случае если не происходит образование  хемосорбционного взаимодействия между молекулами олигомера и подложкой происходит пластифицирование поверхностных слоев поликристаллов. Энергетическая обработка интенсифицирует процессы кристаллообразования в тонких пленках, в результате повышается микротвердость тонкослойного композиционного покрытия.

 

 

Рисунок-24 Зависимость микротвердости меди, обработанной фторсодержащими олигомерами от режима термообработки: 1 – медь, 2 – медь+ФАК2, 3 – медь+Ф1, 4 – медь+В1.

Рисунок-25. Зависимость микротвердости нитрида титана, обработанного фторсодержащими олигомерами от режима термообработки: 1 – нитрид титана+фторопласт, 2 – нитрид титана+ФАК2, 3 – нитрид титана+Ф14, 4 – нитрид титана, 5 – нитрид титана+ФАК1.

 

      

 

Рисунок-26 Зависимость микротвердости подложек (Al, Cu, Fe, TiN) (1), однократно обработанных ФСО (2) и после удаления ФСО хладоном 113 с поверхности металла (3).

 

Одним из наиболее эффективных направлений  современного материаловедения  является создание композиционных материалов нового поколения на различных матрицах путем управления структурой на нано- и микроуровнях с помощью различных технологических воздействий.

      Применение нанотехнологий в создании новых композиционных материалов, позволило получить материалы с улучшенными физико-механическими характеристиками. Одним из перспективных направлений является получение тонкослойных нанокомпозиционных покрытий, формируемых из газовой, жидкой или твердой фазы.

      В настоящее время процессы  синтеза алмазоподобных покрытий  актуальны в силу следующих причин: данные покрытия обладают высокой твердостью, химической стойкостью, хорошими антифрикционными характеристиками. Сочетание высоких физико-механических параметров в алмазоподобных покрытиях позволяет их применять для решения ряда задач: создание сверхтвердого инструмента,  химической защиты деталей при работе в агрессивных средах, повышение триботехнических характеристик изделий.

      Целью данной работы является  изучение морфологии алмазоподобных покрытий, сформированных методами плазмохимии на подложках различной природы.

      В качестве подложки использовали  сталь 45, алюминиевый сплав Д16Т,  кремний. Покрытия формировали  при следующих условиях: U_р=300 В, емкость разрядных конденсаторов-2150 мкФ, частота импульсов-2 Гц. Для получения алмазоподобных пленок различной толщины на металлической подложке варьировалось количество импульсов от 12000 до 70000. Изучение морфологии полученных покрытий проводили методами оптической микроскопии, с использованием металлографического комплекса производства ЗАО “Спектроскопические системы” г. Минск.

     Проведенные исследования показали, что покрытия, сформированные при данных условиях не являются однородным. В структуре покрытия присутствуют фазы различного габитуса и светового коэффициента отражения (рис.27-42).

 

               

Рисунок-27. Морфология покрытий TiN толщиной 0,5 мкм, снимки получены в поляризованном свете. х500.

 

 

Проведенный анализ алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм позволил установить следующее :

 

Количество всех объектов:   5   

Количество классифицированных объектов: 5

Заданное в текущем разбиении

количество классов:    20

Сумма площадей всех объектов:  188.26 кв.мкм

Обработанная площадь:   57717.97 кв.мкм

Отношение площади объектов

ко всей обработанной площади:  0.33%

Объекты распределены по параметру  площадь на 10 интервалов:

Минимальная площадь объекта (вкл. неклассиф.): 0.9599 кв.мкм     

Минимальная площадь объекта (искл. неклассиф.): 0.9599 кв.мкм     

Максимальная площадь объекта (вкл. неклассиф.): 176.68 кв.мкм   

Максимальная площадь объекта (искл. неклассиф.): 176.68 кв.мкм

Статистические данные по параметру площадь:

- среднее арифметическое -     37.65 

- среднее геометрическое -     5.944

- среднее гармоническое -     2.627 

- дисперсия выборки -      6041.87

- среднеквадратичное отклонение  выборки -   77.73 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -  34.76 

- дисперсия совокупности -     4833.5 

- среднеквадратич. отклонение совокупности -   69.52

- относительная ошибка -     0.9232 

- ассиметрия -       1.499 

- эксцесс -       3.249 

- сумма значений -      188.26 

- количество значений -     5. 

 

Рисунок-28. Гистограмма распределения объектов по площади алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм

 

Объекты распределены по параметру  периметр на 20 интервалов от минимального до максимального значения.

Минимальный периметр (вкл. неклассиф.): 4.364 мкм     

Минимальный периметр (искл. неклассиф.): 4.364 мкм 

Максимальный периметр (вкл. неклассиф.):  52.93 мкм   

Максимальный периметр (искл. неклассиф.):  52.93 мкм.

Статистические данные по параметру периметр:

- среднее арифметическое -   16.27 

- среднее геометрическое -    10.34

- среднее гармоническое -    8.014 

- дисперсия выборки -     422.7

- среднеквадратичное отклонение  выборки -  20.56 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -9.195 

- дисперсия совокупности -    338.16 

- среднеквадратич. отклонение совокупности - 18.39

- относительная ошибка -    0.565 

- ассиметрия -      1.475 

- эксцесс -      3.218 

- сумма значений -     81.37 

- количество значений -    5. 

 

 Рисунок-29. Гистограмма распределения объектов по периметру алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм

 

 

Объекты распределены по параметру  фактор формы на 10 интервалов от минимального до максимального значения:

Минимальный фактор формы (вкл. неклассиф.):  0.6259  

Минимальный фактор формы (искл. неклассиф.): 0.6259  

Максимальный фактор формы (вкл. неклассиф.): 0.8296  

Максимальный фактор формы (искл. неклассиф.):  0.8296.

Статистические данные по параметру aактор формы:

- среднее арифметическое -    0.7036 

- среднее геометрическое -     0.6982

- среднее гармоническое -     0.693 

- дисперсия выборки -      9.8106E-03

- среднеквадратичное отклонение  выборки -   0.099 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -  0.0443 

- дисперсия совокупности -     7.8485E-03 

- среднеквадратичное отклонение  совокупности -  0.0886

- относительная ошибка -     0.063 

- ассиметрия -       0.4567 

- эксцесс -       1.284 

- сумма значений -      3.518 

- количество значений -     5., 

Рисунок-30. Гистограмма  распределения объектов по фактору  формы алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм

 

Объекты распределены по параметру  ориентация на 20 интервалов от минимального до максимального значения:

Минимальное значение (вкл. неклассиф.):   21.8 град. 

Минимальная значение (искл. неклассиф.):   21.8 град. 

Максимальное значение (вкл. неклассиф.):  148.39 град.  

Максимальное значение (искл. неклассиф.):  148.39 град.

Статистические данные по параметру ориентация:

- среднее арифметическое -     79.17 

- среднее геометрическое -     63.51

- среднее гармоническое -     49.14 

- дисперсия выборки -      2670.32

- среднеквадратичное отклонение  выборки -   51.68 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -  23.11 

- дисперсия совокупности -     2136.26 

- среднеквадратичное отклонение  совокупности -  46.22

- относительная ошибка -     0.2919 

- ассиметрия -       0.1661 

- эксцесс -       1.655 

- сумма значений -      395.83 

- количество значений -     5. 

Рисунок-31. Гистограмма  распределения объектов по площади  алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм

 

Объекты распределены по параметру  длина на 10 интервалов от минимального до максимального значения.

Минимальное значение (вкл. неклассиф.):  1.83 мкм

Минимальное значение (искл. неклассиф.):  1.83 мкм 

Максимальное значение (вкл. неклассиф.):  17.41 мкм 

Максимальное значение (искл. неклассиф.):  17.41 мкм

Статистические данные по параметру длина

- среднее арифметическое -     5.604 

- среднее геометрическое -    3.803

- среднее гармоническое -    3.065 

- дисперсия выборки -      43.82

- среднеквадратичное отклонение  выборки -   6.62 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -  2.961 

- дисперсия совокупности -     35.06 

- среднеквадратичное отклонение  совокупности -  5.921

- относительная ошибка -     0.5283 

- ассиметрия -       1.479 

- эксцесс -       3.224 

- сумма значений -      28.02 

- количество значений -     5 

 Рисунок-32. Гистограмма распределения объектов по длине алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм

 

Объекты распределены по параметру  Ширина на 20 интервалов от минимального до максимального значения.

Минимальное значение (вкл. неклассиф.):   0.8481 мкм

Минимальное значение (искл. неклассиф.):   0.8481 мкм 

Максимальное значение (вкл. неклассиф.):   15.31 мкм   

Максимальное значение (искл. неклассиф.):   15.31 мкм

 Статистические данные по параметру Ширина

- среднее арифметическое -     4.378 

- среднее геометрическое -     2.454

- среднее гармоническое -     1.766 

- дисперсия выборки -      37.6

- среднеквадратичное отклонение  выборки -   6.132 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -  2.742 

- дисперсия совокупности -     30.08 

- среднеквадратичное отклонение  совокупности -  5.485

- относительная ошибка -     0.6264 

- ассиметрия -       1.476 

- эксцесс -       3.219 

- сумма значений -      21.89 

- количество значений -     5 

Рисунок-33. Гистограмма  распределения объектов по ширине алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 0, 5 мкм

 

 

Рисунок-34. Морфология покрытий TiN толщиной 2,1 мкм, снимки получены в поляризованном свете. х500.

 

Проведенный анализ алмазоподобных покрытий, сформированных на алюминиевой подложке  при толщине покрытия 2,1 мкм позволил установить следующее :

Объекты распределены по параметру  площадь на 10 интервалов:

Минимальная площадь объекта (вкл. неклассиф.): 0.0817 кв.мкм     

Минимальная площадь объекта (искл. неклассиф.): 0.0817 кв.мкм     

Максимальная площадь объекта (вкл. неклассиф.): 98.67 кв.мкм   

Максимальная площадь объекта (искл. неклассиф.): 98.67 кв.мкм.

Статистические данные по параметру площадь:

- среднее арифметическое -     4.901 

- среднее геометрическое -     1.033

- среднее гармоническое -     0.31 

- дисперсия выборки -      144.07

- среднеквадратичное отклонение  выборки -   12 

- среднеквадратичное отклонение  от среднего -  1.049 

- дисперсия совокупности -     142.97 

- среднеквадратич. отклонение совокупности -   11.96

- относительная ошибка -     0.214