Вакуумно-дуговое модифицирование поверхности стальных изделий

Abstract

Рассмотрено вакуумно-дуговое модифицирование поверхностей стальных изделий, заключающееся в их азотировании в газовом дуговом разряде при положительном потенциале и последующем осаждении сверхтвердых покрытий с ионной имплантацией в процессе их нанесения. Вакуумно-дуговым методом с использованием имплантации ионов в процессе осаждения получены наноструктурные TiN покрытия, обладающие твердостью 40 ÷ 55 ГПа и нанокристаллической структурой. Покрытия осаждены при сочетании на подложке постоянного отрицательного потенциала 5 ÷ 400 В и импульсов амплитудой 1 ÷ 2 кВ и частотой 1 ÷ 7 кГц. Температура подложки зависит, в основном, от уровня потенциала постоянного смещения на подложке и составляет 105 ÷ 145 °С при “плавающем” потенциале и смещении 20 В, а с увеличением смещения может увеличиваться до 270 ÷ 350 °С при 200 ÷ 230 В. Не отмечено связи между твердостью покрытий и температурой подложки. При хранении при комнатной температуре в течение 3-х месяцев твердость покрытий снижается от 45 ÷ 53 ГПа до 38 ÷ 42 ГПа. После отжига в вакууме при температуре 700 °С в течение двух часов твердость покрытий TiN также снижается на 8 ÷ 12 единиц и остается на уровне 38 ÷ 42 ГПа, в то время, как обычные (без имплантации) TiN покрытия, осажденные в оптимальном режиме, имеют твердость около 25 ГПа как до отжига, так и после него.

Розглянуто вакуумно-дугове модифікування поверхонь сталевих виробів, яке підлягає азотуванню в газовому дуговому розряді при позитивному потенціалі і в наступному осадженні надтвердих покриттів зіонною імплантацією в процесі їх нанесення. Вакуумно-дуговим методом з використанням імплантації іонів у процесі осадження отримані наноструктурні TiN покриття, що володіють твердістю 40 ÷ 55 ГПа і нанокристалічною структурою. Покриття осаджені при сполученні на підкладинці постійного негативного потенціалу 5 ÷ 400 В та імпульсів амплітудою 1 ÷ 2 кВ і частотою 1 ÷ 7 кГц. Температура підкладки залежить, в основному, від рівня потенціалу постійного зсуву на підкладці і складає 105 ÷ 145 °С при „плаваючому” потенціалі, та зсуві 20 В, а зі збільшенням зсуву може збільшуватися до 270 ÷ 350 °С при 200 ÷ 230 В. Не відзначено зв’язку між твердістю покриттів і температурою підкладинки. При збереженні при кімнатній температурі протягом 3-х місяців твердість покритів знижується від 45 ÷ 53 ГПа до 38 ÷ 42 ГПа. Після отжига у вакуумі при температурі 700 °С на протязі двох годин твердість покриттів TiN також знижується на 8 ÷ 12 одиниць і залишається на рівні 38 ÷ 42 ГПа, у той час, як звичайні (без імплантації) TiN покриття, осадженні в оптимальному режимі, мають твердість близько 25 ГПа як до отжига, так і після нього.

Consideration has been given to vacuum-arc surface modification of steel items. The procedure includes nitriding in a gaseous arc discharge at a positive potential and a subsequent deposition of superhard coatings with simultaneous ion implantation during the process. The use of the technique discussed has provided nanostructural TiN coatings that have a nanocrystalline structure and show a hardness between 40 and 55 GPa. The coatings were deposited with combination of a constant negative potential (5 to 400 V) and pulses of height 1 to 2 kV and fre-quency of 1 to 7 kHz. The substrate temperature is essentially dependent on the level of constant bias potential on the substrate and is ranging from 105 °C to 145 °C at a floating potential and a bias of 20V, whereas with an increasing bias (200 ÷ 230 V) it may rise up to 270 ÷ 350 °C. No correlation between the coating hardness and the substrate temperature has been observed. After a three-month holding at room temperature the coating hardness drops from 45 ÷ 53 GPa down to 38 ÷ 42 GPa. After vacuum annealing at 700°C for 2 hours the hardness of TiN coatings also decreases by 8 ÷ 12 GPa, and remains at a level of 38 to 42 GPa, while the usual TiN coatings (without implantation) have a hardness of about 25 GPa both before and after annealing