Изменение износостойкости стали 38ХН3МФА при магнетронном напылении нанокомпозитных покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N

Изменение износостойкости стали 38ХН3МФА при магнетронном напылении нанокомпозитных покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N

В.П. Сергеев, М.В. Федорищева, А.Р. Сунгатулин, Э.В. Козлов1, А.Д. Коротаев

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия

Исследовано влияние нанокомпозитных покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N, нанесенных на образцы из высокопрочной стали 38ХН3МФА с помощью магнетронного напыления при разном парциальном давлении азота в условиях ионной бомбардировки и нагрева подложки на износостойкость и нанотвердость металлического компонента при работе в паре трения «сталь 38ХН3МФА -полиамид ПА-66». На основании анализа фазового состава, параметра решеток, среднего размера зерен, определенных рентгеноструктурным методом, обсуждается взаимосвязь свойств покрытий с их структурно-фазовым состоянием.

Wear resistance variation of 38CrNi3MoV steel due to magnetron deposition of nanocomposite Fe-Cr-Ni-N coatings

V.P. Sergeev, M.V Fedorischeva, A.R. Sungatulin, E.V Kozlov1, and A.D. Korotaev

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, 634003, Russia

We study the effect of nanocomposite Fe-Cr-Ni-N coatings, which are deposited by magnetron sputtering on high-strength 38CrNi3MoV steel specimens at different partial pressure of nitrogen under ion bombardment and substrate heating, on wear resistance and nanohardness of the metal component working in the friction pair “38CrNi3MoV steel - PA-66 polyamid”. The relation of properties of the coatings with their structural-phase state is discussed based on the analysis of phase composition, lattice parameter and average grain size determined by the X-ray diffraction method.

1. Введение

Расширение области применения в машиностроении металлополимерных пар трения делает актуальной задачу повышения их износостойкости. Одним из достаточно известных путей решения этой задачи является повышение свойств полимеров при разработке новых композиционных материалов [1, 2]. Другим, относительно новым и перспективным является метод модификации поверхностного слоя сопряженных металлических деталей [3], которые в процессе эксплуатации обычно изнашиваются по механизму водородного износа [4]. Для увеличения срока службы металлополимерных пар трения, применяемых в качестве уплотнений в нефтехимической и пищевой промышленности, используют

высококачественные высокопрочные стали и твердые сплавы. Технические характеристики таких пар трения зависят не только от физико-механических свойств этих материалов, но и от морфологии и структурно-фазового состояния поверхностного слоя [3, 5], которые можно модифицировать с помощью различных видов обработки и нанесения покрытий.

Целью настоящей работы является исследование влияния нанокомпозитных покрытий на основе Fe—Cr-№-Ы, нанесенных на рабочую поверхность металлического компонента из высокопрочной стали 38ХН3МФА магнетронным методом, на триботехнические и механические свойства при работе в паре трения с полиамидом ПА-66 в условиях водородного износа.

© Сергеев В.П., Федорищева М.В., Сунгатулин А.Р., Козлов Э.В., Коротаев А.Д., 2005

2. Методика эксперимента и материалы

Осаждение покрытий проводили на установке вакуумного напыления типа Квант [6] с помощью магнетрона постоянного тока с мишенью, изготовленной из нержавеющей стали 12Х18Н9. В качестве рабочего газа использовали смесь аргона с азотом. Общее давление рабочего газа поддерживалось равным 0.3 Па. Перед напылением покрытий вакуумную камеру откачивали до давления остаточных газов 1 -10-3 Па. Покрытия наносили на образцы с размерами 6 х 6 х 15 мм из высокопрочной стали 38ХН3МФА, которые проходили закалку в масло от температуры 850 °С и отпуск на воздухе при 500 °С. Рабочие грани образцов, предназначенные для нанесения покрытий, шлифовали и полировали до Ra = 0.08 мкм. Перед помещением в вакуумную камеру образцы подвергались обезжириванию органическими растворителями, промывке этиловым спиртом и сушке. Осаждение покрытий производили на нагретые до температуры 300 °С подложки. Дистанция напыления равна 50 мм. Парциальное давление азота р№ указано в табл. 1. С целью уменьшения влияния ошибок эксперимента на полученные результаты при каждом режиме напыления было исследовано по 5- 6 образцов. Толщина напыленных покрытий была 15±5 мкм. Для сравнения была исследована партия образцов (Н0) без покрытий (табл.1).

Испытания на трение и износ проводили на машине 2070СМТ-1 по схеме «вращающийся диск - неподвижная колодка». В качестве колодки устанавливали образец, на верхнюю грань которого было нанесено покрытие. Контртело представляло диск толщиной 10 и диаметром 50 мм из полиамида ПА-66 с шероховатостью рабочей цилиндрической поверхности Яа = = 0.16 мкм. Процесс изнашивания проводили на воздухе в условиях сухого скольжения вращающегося контртела со скоростью 100 об/мин относительно неподвижного образца при нагрузке 300 Н, приложенной по нормали к поверхности покрытия. Величину износостойкости определяли как отношение времени изнашивания Аt к величине убыли массы образца Ат. Толщину покрытий вычисляли на основании данных взвешивания образцов и контролировали с помощью оптического микроскопа BMG-160, CZJ.

Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ проводили с помощью дифрактометра ДРОН-3М в ин-

Таблица 1

Износостойкость АМАт, нанотвердость Н и модуль упругости Е исходных образцов

№ партии образцов р N2» Па А^ Ат, 108 с/г Н, ГПа Е, ГПа

Н0 - 6.8 ± 0.6 7.3 ± 0.2 178 ± 19

Н2 0.03 15.3 ± 1.4 14.2 ± 0.7 208 ± 23

Н4 0.06 23.5 ± 2.0 25.7 ± 1.4 274 ± 27

тервале углов ~ 20^140° в фильтрованном Fe-Ka-излу-чении. Использование основных характеристик дифракционных максимумов позволило рассчитать параметр решетки а, средний размер блоков когерентного рассеяния d [7]. Исследование нанотвердости проводили с помощью нанотвердомера NаnoHаrdnessTester, CSM. Индентирование образцов осуществляли со скоростью 5.0 мН/мин до максимальной величины нагрузки на индентор Ртах = 10 мН. Значения нанотвердости Н и модуля упругости Е покрытий расчитывались по методу Оливера и Фарра [8].

3. Результаты эксперимента и обсуждение

Адгезионное взаимодействие полимера с металлической поверхностью в процессе работы металлополимерной пары трения приводит к образованию тонкой полимерной пленки, внутри которой молекулы цепи ориентированы в направлении скольжения [2] и которая служит в качестве смазочного материала. В процессе работы происходит постепенная деградация пленки. При ее разложении образуются водород и углеродные продукты износа. Водород, диффундируя в металл, накапливается на некоторой глубине, молизуется и при достижении достаточной концентрации разрушает поверхностный слой металла [4]. На рис. 1 показаны зависимости износа металлического компонента (исходные образцы Н0) и контртела из полиамида ПА-66 от величины нормальной нагрузки Р при указанных выше

0.4

0.2

-0.2

Образец

/

> 1 к

0

600

1200 Р,Н

т, мг 0

-50

-100

-150

-200

-250

4  Контрте зло ПА-6 >6 )

600

1200 Р,Н

Рис. 1. Изменение т массы исходного образца (Н0) и контртела с ростом нагрузки Р в процессе износа пары трения «сталь 38ХН3МФА -полиамид ПА-66»

условиях испытания пары трения. Видно, что с ростом Р на стадии приработки наблюдается повышение скорости износа металлического образца и полимерного контртела, которая затем выходит на постоянную величину (стадия установившегося износа). Далее при Р > > 600 Н начинается резкое возрастание скорости износа полимерного контртела (стадия катастрофического износа), сопровождающееся приростом массы металлического образца вследствие намазывания все более толстого слоя полимера на его поверхность. На этой стадии наблюдается разогрев области контакта трущихся тел, фиксируемый по повышению температуры металлического образца до 60-110 °С, который приводит, по-видимому, к подплавлению поверхностного слоя полимерного контртела и вследствие этого к его катастрофическому износу. Износостойкость исследуемых образцов определялась на стадии установившегося износа при Р = 300 Н. В табл. 1 приведены средние значения износостойкости Л£/Лт, нанотвердости Н и модуля упругости Е. Видно, что величины А/Лт, Н и Е покрытий (Н1), полученных при р№ = 0.03 Па, повышаются приблизительно в 2.0, 2.3 и 1.2 раза относительно соответствующих величин в образцах без покрытий (Н0). Еще большее возрастание Л/ Лт и Н (в ~ 3.5 раза) и Е (в ~ 1.5 раза) наблюдается в покрытиях (Н2), напыленных при более высоком парциальном давлении азота рК2 = 0.06 Па. Поскольку при измерении твердости поверхностного слоя образцов с покрытиями выполняется условие о десятикратном превышении толщины покрытия над глубиной отпечатка индентора [8], то полученные значения твердости отражают механические свойства именно покрытий и свойства подложки не влияют на их величину. В данной работе толщина изношенного поверхностного слоя образцов с покрытиями ~ 10-20 мкм близка к толщине покрытий, поэтому величина износостойкости также в основном контролируется триботехническими свойствами покрытий.

Известно [2, 4], что одним из основных факторов, определяющих величину износостойкости металлической детали металлополимерных пар трения, является твердость ее поверхностного слоя. Из табл. 1 видно, что нанесение на нее более твердых покрытий Fe-Cr-толщиной 15 мкм также приводит к более высокому значению ее износостойкости. Таким образом, износ образца зависит от состояния его поверхностного слоя (покрытия). Его характеристикой в первом приближении служит нанотвердость. С ее ростом сопротивление износу резко возрастает (табл. 1).

С помощью рентгенофазового анализа установлено, что исходные образцы содержат а-фазу. Покрытия (Н2) (рис. 2), полученные при низком давлении азота, состоят из основной фазы у-^е, Сг, №, N с ГЦК-решеткой в количестве 93 об. % и дополнительных 8-фазы (^е, Сг, №)^Ы с ГПУ-решеткой) и у7-фазы (^е, Сг, №)^ с кубической решеткой В1 типа №С!) в небольших количест-

Таблица 2

Характеристики фазового состава и микроструктуры исходных образцов и покрытий

№ партии образцов Фазовый состав Обозначение фаз Тип решетки а, нм V, об. % й, нм

Н0 Fe(Cr, №) а 1т3т 0.287 ±0.001 100 -

Н2 Fe(Cr, №, N У Fm3m 0.363 ±0.001 93 8-13

^е,Сг,№^ 8 Р63/ттс - 5 -

^е,Сг,№^ у' Р 43т - 2 -

Н4 ^е,Сг,№^ 8 Р63/ттс - 5 -

^е,Сг,№^ у' Р43т 0.384 ±0.002 95 3 2 •I- 6

вах 5 и 2 об. % соответственно (табл. 2). При повышении р№ до 0.06 Па у-фаза полностью превращается в у7 -фазу с объемной долей 95 об. %, тогда как содержание 8-фазы остается на том же уровне 5 об. %. На рентгенограммах покрытий (рис. 2) можно видеть сверхструк-турную линию (100) /-фазы. Ее появление связано с упорядочением у7-фазы. Наблюдаемое изменение фазового состава в исследуемых покрытиях соответствует диаграмме состояния железо-азот [9]. Высокая твердость покрытий может быть связана с присутствием в них более твердых у- и у7-фаз. При этом большая величина Н в покрытиях (Н4) по сравнению с (Н2) обусловлена большей твердостью у'-фазы и ее упорядоченной структурой. Известно [4], что основным механизмом износа металлической составляющей металлополимерной пары трения при температурах испы-

. У

40° 80° 120° 20

- у'

40° 80° 120° 20

Рис. 2. Рентгенограммы покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N

тания, не вызывающих подплавления полимерной составляющей, является водородный износ. С этой точки зрения повышение износостойкости образцов путем нанесения покрытий можно объяснить как результат создания барьерного слоя, затрудняющего диффузию водорода из зоны трения вглубь образца, поскольку постоянная водородопроницаемости у-, /-фаз ниже, чем а-фазы [10]. Средний размер d блоков когерентного рассеяния (табл. 2), который может быть близок к размеру зерен основной фазы в покрытиях [5], составляет 9^23 нм. Согласно соотношению Холла-Петча [11] уменьшение размера зерен в покрытиях должно приводить к увеличению твердости. С другой стороны, нанокристаллическая структура обладает большим числом ловушек для атомов водорода [12], что также может способствовать повышению стойкости покрытий к водородному износу.

Как видно из табл. 2, параметр решетки основной фазы а-Бе(Сг, N1) в исходных образцах (Н0) соответствует табличному значению 0.287 нм [7]. При осаждении покрытий (Н2) при рш = 0.03 Па параметр решетки у-фазы равен 0.363 нм, что выше табличного значения 0.359 нм [7]. В покрытии (Н4), полученном при рш = 0.06 Па, величина параметра решетки /-фазы 0.384 нм также превышает табличную 0.380 нм [9]. Это может иметь место в результате увеличения концентрации азота в у- и /-фазах выше равновесной за счет внедрения ускоренных ионов N+ в процессе осаждения покрытий при приложении потенциала смещения к подложке. Такое увеличение концентрации азота должно приводить, с одной стороны, к повышению износостойкости покрытий путем прироста твердости по механизму твердорастворного упрочнения. С другой, повышение износостойкости может быть связано с заполнением атомами азота части междоузлий, уменьшающего число мест, которое могут занимать атомы водорода в кристаллической решетке. В результате уменьшается проникающая способность водорода через покрытие [12-14].

Известно [15], что при добавлении к (Бе, Сг, №)^ никеля его атомы упорядочено распределяются в под-решетке атомов железа, занимая места преимущественно в вершинах элементарной ячейки. Это упорядочение по замещениям в фазе (Бе, Сг, №)^ сочетается с упорядочением по внедрениям атомов азота. В результате фаза (Бе, Сг, №)^ оказывается хорошо упорядоченной. Известно, что дальний порядок понижает водородопро-ницаемость [16]. В результате этого также могут улучшаться рабочие свойства покрытий.

4. Выводы

С помощью магнетронного напыления с нагревом подложки до температуры 300 °С в условиях ионной

бомбардировки, с использованием мишени из стали 12Х18Н9 на образцах из высокопрочной стали 38ХН3МФА получены защитные нанокомпозитные покрытия толщиной 15 мкм с повышенной стойкостью к водородному износу при испытаниях металлополимерной пары трения «сталь 38ХН3МФА - полиамид ПА-66».

Увеличение нанотвердости покрытий, напыленных на образцы стали 38ХН3МФА, приводит к повышению износостойкости металлических деталей при работе в парах трения с полиамидом ПА-66.

Повышение парциального давления азота в процессе осаждения покрытий приводит к смене основной фазы у- на Y-фазу, имеющую более высокую нанотвердость и износостойкость.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 05-0198004 р_Обь_а.

Литература

1. МашковЮ.К., ГадиеваЛ.М., КалистратоваЛ.Ф. и др. Повышение

износостойкости наполненного политетрафторэтилена путем оптимизации содержания наполнителя // Трение и износ. - 1988. -Т. 9. - № 4. - С. 606-616.

2. Погосян А.К. Трение и износ наполненных полимерных материалов. - М.: Наука, 1977. - 186 с.

3. Байбарацкая М.Ю., Блесман А.И., Калистратова Н.П., Овчар З.Н.

Исследование модифицированных структур стальных деталей металлополимерных трибосистем // Трение и износ. - 1998. -Т. 19.- № 4. - С. 510-516.

4. Поляков А.А. Защита от водородного износа в узлах трения. - М.: Машиностроение, 1980. - 136 с.

5. СергеевВ.П. Сверхтвердые нанокомпозитные покрытия на основе нитрида титана, легированного медью, алюминием или углеродом // Деформация, локализация, разрушение / Под ред. Л.Б. Зуева. -Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - С. 112-126.

6. Сергеев В.П., Яновский В.П., Параев Ю.Н., Сергеев О.В., Козлов Д.В., Журавлев С.А. Установка ионно-магнетронного напыления нанокристаллических покрытий // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. -Спец. вып. - Ч. 2. - С. 333-337.

7. Горелик С.С., СкаковЮ.А., РасторгуевЛ.Н. Рентгенографический

и электроннооптический анализ. - М.: МИСИС, 1994. - 328 с.

8. Oliver W, Pharr G. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. - 1992. - V. 7. - No. 6. - P. 1564-1583.

9. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. -М.: Физматгиз, 1959. - Т. 2. - 1260 с.

10. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали. - М.: Металлургия, 1989. - 216 с.

11. Штанский Д.В., Левашов Е.А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки: проблемы и решения // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2001.- № 3. - С. 52-62.

12. Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. Водород и несовершенства структуры металлов. - М.: Металлургия, 1979. - 296 с.

13. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. - М: Металлургия, 1974. - 272 с.

14. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов. - М.: Металлургия, 1982. - 342 с.

15. Гольдшмидт Х.Дж. Сплавы внедрения. - М.: Мир, 1971. - 372 с.

16. Водород в металлах / Под ред. Г. Алефельда и И. Фельпля. - М.: Мир, 1981. - Т. 1. - 477 с. - Т. 2. - 431 с.