Адгезионные свойства пленочных покрытий стали

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Мордовский Государственный Университет им. Н. П. Огарева»

                  

                                                                                                 Институт физики и химии

                                                                                                 Кафедра физики твердого тела

                                                                                                 УТВЕРЖДАЮ

            Зав. кафедрой

            Канд. физ.-мат. наук, профессор

            ____________  Н.Е.Фомин

                 (подпись)         

           «____» ___________ 2015 г.      

 

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Адгезионные свойства пленочных покрытий стали

 

 

 

 

 

Автор бакалаврской работы          ___________    26.06.2015      

                                                          (подпись)

Обозначение бакалаврской работы    БР–02069964–3.03.02–06–15

Направление 03.03.02  Физика

Руководитель работы

канд. физ. – мат. наук, доцент  ____________  26.06.2015       

                                                         (подпись)

Нормоконтролер

канд. физ. – мат. наук, доцент  ____________  26.06.2015       

                                                          (подпись)

 

 

 

 

 

 

Саранск

2015

Содержание

Введение

Литературный обзор

1. Технология приготовления образцов

    1. Методы измерения адгезионных характеристик

    1.1 Метод штифтов

    1.2 Метод царапания

2. Основы технологии электродугового  распыления

 2.1 История

 2.2 Процесс

2.3 Конструкция

2.4 Принцип действия

Экспериментальная часть

Заключение

Список используемой литературы

        

 

Введение

Адгезией (от лат. adhaesio — прилипание) называют межфазное взаимодействие между поверхностями конденсированных фаз при их молекулярном контакте. Термин адгезия ввели в 1924 г. Бехольд и Нейман для обозначения специфического молекулярного сцепления.

Когда два материала приведены в такой близкий контакт друг с другом, при котором могут взаимодействовать их поверхностные мономолекулярные слои, молекулы одного вещества определенным образом взаимодействуют с молекулами другого, испытывая взаимное притяжение. Силы этого притяжения называются силами адгезии или адгезионными силами. В отличие от когезионных сил (сил когезии), которые обусловливают взаимное притяжение молекул одного и того же вещества в его объеме.

Материал или слой, который наносят, чтобы получить адгезионное соединение, называют адгезивом. Материал, на который наносят адгезив, называется субстратом.

Различают несколько механизмов образования адгезионного соединения за счет различных типов адгезионных связей (классификация типов адгезионных связей дана на схеме 3.2).

 

 

Об адгезии обычно судят по величине адгезионной прочности, т.е. по сопротивлению разрушению адгезионного соединения. Как следует из определения адгезии, достаточно измерить приложенное усилие для разделения составляющих адгезионную пару материалов, чтобы определить прочность данного соединения.

Области, в которых применяется адгезия, многочисленное количество. Она встречается нам на каждом шагу.

Одной из актуальных задач современной адгезии является нанесение покрытий. Многофункциональные тонкопленочные покрытия на поверхности стали должны обладать высокой адгезионной прочностью износо- и коррозийной стойкостью. Многокомпонентные наноструктурные покрытия вызывают большой интерес благодаря уникальным свойствам.

Целью данной работы является изучение адгезионных свойств стали с пленочным покрытием TiN.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Методы измерений  адгезионных характеристик

1.1Метод штифтов

Одной из важнейших характеристик покрытий является прочность их сцепления с подложкой. В большинстве работ по получению пленок изучаются не только их структура, фазовый состав, механические характеристики и т.д., но и адгезионные свойства.

Применяемые в промышленности методы контроля прочности сцепления основаны на таких методиках как крацевание, изгиб, растяжение, нанесение сетки царапин и т.д. [1]. Однако эти методы не дают количественных значений величины прочности сцепления. Для количественного определения прочности сцепления используют метод прямого отрыва пленки от подложки [2 – 11], либо сдвига относительно последней [5]. С этой целью к поверхности пленки приклеивают либо припаивают металлические стержни, к которым затем прикладывается растягивающее усиление. К недостатку данного метода следует отнести вероятность проникновения материала припоя либо клея на границу раздела пленка- подложка и изменения характеристик сцепления. В случае прямого отрыва разрыв обычно начинается в точке, где локальное напряжение превышает локальную прочность. В этом случае, естественно, результаты измерения усилий отрыва нельзя отнести к определенной площади. Однако, для оценки работоспособности покрытия вполне достаточно отнести усилия отрыва к проекции площади отрыва на плоскость перпендикулярную действующей силе. При определении прочности сцепления методом сдвига усилие направлено на слой покрытия касательно поверхности подложки.

Для определения адгезионной прочности покрытий методом отрыва без применения клеевых соединений и пайки используют метод штифтов [3, 12, 13]. Суть этого метода состоит в следующем. В конусообразное отверстие матрицы свободно помещают штифт конусообразной формы (рис. 1)

 

 

            После этого одновременно на торец штифта и поверхность матрицы наносят покрытие. Для определения адгезионной прочности к штифту прикладывают силу. Под действием этой силы происходит отрыв одной части пленки от торцевой поверхности штифта, в то время как другая ее часть служит своеобразной опорой. Прочность сцепления оценивают по формуле: σ = F/πr2 , где F – сила отрыва, а r – радиус торца штифа. Однако, этот метод имеет ряд недостатков. Он применим, в основном, для толстых пленок (/100 мкм). Для тонких пленок происходит неравномерный отрыв штифта от пленки и ее прорыв. При испытании хрупких покрытий с высокой адгезией наблюдается разрыв в узком кольцевом зазоре, который прилегает к периметру штифта.

Существует также метод, основанный на возбуждении продольных колебаний ультразвуковой частоты в металлическом цилиндре, на торец которого нанесено покрытие [14]. Отрыв покрытия от поверхности металла происходит в момент, когда сила, возникающая в покрытии и вызываемая колебаниями частоты, превышает силы сцепления. Вместе с тем, этот метод из-за сравнительной сложности не нашел широкого применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Метод царапания

         Для определения прочности сцепления покрытий и их физико-механических свойств используют также метод царапания [6, 7, 15 – 39]. Царапающие устройства по конструкции, как правило, аналогичны тому, которое было использовано в работе [15]. Это устройство (рис. 2) состоит из коромысла, на одном конце которого размещено царапающее острие (индентор). Нагрузка на индентор создается с помощью добавочных грузов. Вначале вся система балансируется так, что индентор лишь слегка касается подложки с покрытием, размещенной на горизонтальном столе. Во время передвижения стола происходит сцарапывание пленки.

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

          При испытании адгезии царапанием образующаяся тончайшая канавка (в зависимости от таких факторов как твердость материала покрытия и подложки, толщина пленки, вертикальная нагрузка на острие и от некоторых параметров, связанных с условиями испытаний) может быть получена в результате [31].

 − пластического деформирования  материала покрытия без разрушения (пластически смятая, выдавленная  царапина);

 − пластического деформирования  с последующим срезанием тончайшей  стружки;

 − хрупкого разрушения, практически без пластического  деформирования со скалыванием  тончайших участков (сколотая царапина).

 Первый и второй  случай образования царапины  типичны для пластических материалов, а третий для хрупких, таких  как, например, нитриды и карбиды  переходных металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Основы технологии  электродугового распыления

    Вакуумно-дуговое  нанесение покрытий (электродуговое  распыление) – это физический  метод нанесения тонких пленок  в вакууме, путем конденсации  на подложку материала из плазменных потоков, генерируемых на катоде-мишени в катодном пятне.

Катодное пятно небольшой, сильно разогретый и ярко светящийся поверхности катода дугового разряда, через который осуществляется перенос тока между катодом и межэлектродным пространством.

Катодное пятно свойственно всем видам дугового разряда. Характерный размер данного пятна 10-4 и 10-2 см. Образование катодного пятна в процессе формирования дугового разряда обусловливается потребностью переноса больших токов (10-104 А) через поверхность холодного и по сути не эмитирующего проводника. Перенос тока осуществляется как ионами прикатодной плазмы, так и электронами, которые эмитируются из катодного пятна за счет высокой температуры его поверхности (термоэлектронная эмиссия) и электрического поля, образовываемого положительным пространственными зарядом. Это обеспечивает высокую плотность эмиссионного тока. В дуге высокого давления катодное пятно неподвижно, плотность тока j~103-105 А/см2 , в вакуумной дуге катодное пятно беспорядочно перемещается с высокой скоростью (до 104 см/с). плотность тока j может достигать 108 А/см2.

Способ применяется для нанесения металлических, керамических и композитных пленок на разные изделия. Метод еще известен под названиями: катодно-дуговое осаждение, метод катодно-ионной бомбардировки (КИБ) либо метод конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности.

 

 

 

 

2.1 История

       Индустриальное внедрение современных вакуумно-дуговых технологий зарождается в Союзе советских социалистических республик. Первые систематические исследования и разработки вакуумно-дугового способа и оснащения с целью их приспособления к условиям промышленного изготовления начал проводить один из научных коллективов Харьковского физико-промышленного института еще в конце шестидесятых годов прошлого века. В конце семидесятых годов того же века стартовала разработка технической части нанесения разных упрочняющих и защитных покрытий методом электродугового распыления. Созданные в ХФТИ конструкции  с целью нанесения таких покрытий, дают начало широкому индустриальному использованию способа, приобрели обозначение «Булат». Установка была защищена пятью иностранными патентами в Соединенных штатах, Англии, Франции. Германии, Японии и Италии, в связи с ведущимися в тот момент переговорами с целью продажи лицензии. В конце семидесятых годов прошлого столетия Советское руководство постановило открыть эту технологию для Запада. В тысяча девятьсот семьдесят девятом году Джозеф Фильнер, лидер североамериканской компании «Noblem International», по воле случая узнал о данной технологии во время своей официальной поездки в Советский союз, заметив там её эффективное и успешное использование в промышленности с целью упрочнения металлорежущего инструмента.

        В последствии с данной компанией  Советского союза было подписано лицензионное соглашение и с другими инвесторами. С целью индустриального внедрения. На западе основали компанию «Multi – ArcVacuum Systems». Ежегодная прибыль которого составляла до пяти миллионов долларов США.

 

 

 

2.2. Процесс

        Вакуумно-дуговой процесс испарения начинается с зажигания вакуумной дуги (характеризующейся высоким током и низким напряжением), которая формирует на поверхности катода (мишени) одну или несколько точечных (размерами от единиц микрон до десятков микрон) эмиссионных зон (так называемые «катодные пятна»), в которых концентрируется вся мощность разряда. Локальная температура катодного пятна чрезвычайно высока (около 15000 °C), что вызывает интенсивное испарение и ионизацию в них материала катода и образование высокоскоростных (до 10км/с) потоков плазмы, распространяющихся из катодного пятна в окружающее пространство. Отдельное катодное пятно существует только в течение очень короткого промежутка времени (микросекунды), оставляя на поверхности катода характерный микрократер, затем происходит его самопогасание и самоинициация нового катодного пятна в новой области на катоде, близкой к предыдущему кратеру. Визуально это воспринимается как перемещение дуги по поверхности катода.

      Так как дуга, по существу, является проводником с током, на неё можно воздействовать наложением электромагнитного поля, что используется на практике для управления перемещением дуги по поверхности катода, для обеспечения его равномерной эрозии.

        В вакуумной дуге в катодных пятнах концентрируется крайне высокая плотность мощности, результатом чего является высокий уровень ионизации (30—100 %) образующихся плазменных потоков, состоящих из многократно заряженных ионов, нейтральных частиц, кластеров (макрочастиц, капель). Если в процессе испарения в вакуумную камеру вводится химически активный газ, при взаимодействии с потоком плазмы может происходить его диссоциация, ионизация и возбуждение с последующим протеканием плазмохимических реакций с образованием новых химических соединений и осаждением их в виде плёнки (покрытия).

Заметная трудность в процессе вакуумно-дугового испарения заключается в том, что если катодное пятно остаётся в точке испарения слишком долго, оно эмитирует большое количество макрочастиц или капельной фазы. Эти макровключения снижают характеристики покрытий, так как они имеют плохое сцепление с подложкой и могут по размерам превосходить толщину покрытия (проступать сквозь покрытие). Ещё хуже, если материал катода-мишени имеет низкую температуру плавления (например, алюминий): в этом случае мишень под катодным пятном может проплавиться насквозь, в результате чего или начнёт испаряться материал опорного держателя катода, или охлаждающая катод вода начнёт поступать в вакуумную камеру, приводя к возникновению аварийной ситуации.