В статье рассмотрены особенности использования МоS₂ в многослойных функциональных покрытиях.

ВВЕДЕНИЕ

Ионно-плазменные методы осаждения путем распыления различных мишеней позволяют наносить широкий спектр многослойных покрытий. Во многих работах рассмотрены различные варианты и свойства таких структур. Перспективы использования многослойных покрытий, имеющих в своем составе пленки и износостойких и антифрикционных материалов, связаны с возможностью получения композитных структур, обладающих высокими антифрикционными свойствами при сохранении на приемлемом уровне прочностных свойств и износостойкости.

Высокие триботехнические свойства покрытий определяются уменьшением коэффициента трения между контактирующими поверхностями и повышением прочности покрытия. Известно, что дисульфиды обладают хорошими трибологическими характеристиками, но по прочности они существенно уступают износостойким покрытиям. В таблице 1 представлены сравнительные характеристики некоторых покрытий.

При малой твердости МоS₂ обладает и большой хрупкостью. Одной из причин невысокой износостойкости пленок на основе МоS₂ является колончатая структура (рис.1а), которая образуется в процессе синтеза материалов методами осаждения тонких пленок, особенно при относительно низком уровне температуры основы. Использование тонкопленочных покрытий из МоS₂ ограничивается неизбежным присутствием вышеупомянутых структур.

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ

Колончатая структура формируется в процессе нанесения, начиная с некоторого критического уровня толщины тонкой пленки. Колонки роста хотя и находятся очень близко друг к другу и даже сливаются, но все же нарушают структурную целостность, что и приводит к уменьшению прочностных характеристик. Это существенно сокращает срок эксплуатации покрытий.

Согласно теории формирования покрытий, процесс роста состоит из следующих стадий [1]:

1) перемещение адатомов по поверхности, их соединение и образование зародышей;
2) укрупнение зародышей за счет захвата новых адатомов;
3) слияние зародышей и образование островков;
4) слияние островков;
5) образование несплошной пленки;
6) образование сплошной пленки.

Зона однородного слоя, соответствующая 6-ой стадии имеет плотную кристаллическую решетку и обычно не превышает по толщине порядка 300 нм. При дальнейшем росте пленки возникают колончатые структуры (диаметр столбиков порядка 200 нм, которые могут быть отделены друг от друга пустотами шириной в несколько сотен ангстрем). Интересующий исследователей наноэффект проявляется именно в диапазоне до сотни нанометров, большие по толщине пленки значительно теряют в механических характеристиках.

Помимо нерегулярных структур многими исследователями отмечались и другие отклонения роста в диапазоне толщин 100-200 ангстрем: отмечается начальная морфология роста, состоящая из пластинчатых анизотропных островков, что также снижает эффективность и долговечность покрытия.

Высокие антифрикционные свойства МоS₂ зачастую нивелируются низкими адгезионными характеристиками. Для решения этой проблемы в ряде случаев применяют нанесение твердого подслоя металла (родий, палладий) или соединений металлов (карбиды и т.п.). Помимо повышения адгезии, межслои способствуют повышению сопротивления покрытия коррозии.

Для решения проблемы колончатого роста пленок слоистых материалов могут использоваться промежуточные слои на основе твердых материалов (рис.1б). Покрытие в этом случае формируется в виде многослойной структуры, а толщины межслоев ограничены таким образом, чтобы структурные дефекты роста не могли себя проявить. Суммарная толщина функциональных слоев в таком покрытии превышает индивидуальную критическую толщину, а отдельные слои не превышают границ нежелательной текстуры роста. При использовании подобных буферных зон многослойная пленка будет работать дольше и эффективней чем любое однослойное покрытие.

Кроме ограничения роста колончатых структур, межслои являются барьерами для агрессивных сред. Например, золото, являясь инертным материалом, используется как защитное покрытие для МоS₂, когда твердосмазочная пленка находится в бездействующем состоянии.

Уменьшение структурной неоднородности МоS 2 ведет к уменьшению хрупкости, однако для увеличения прочности покрытия необходимо использование в качестве межслоев твердых структур (карбидов, нитридов металлов) в составе композиции.

Предполагается, что механизмы трещинообразования и разрушения композиции могут отличаться от механизмов присущих однослойным покрытиям и покрытиям многослойным, состоящим из твердых слоев.

Для исследования многослойных композитных структур чаще всего используют экспериментальный подход. Однако существуют наработки и в части теоретических основ. На сегодняшний день уже имеется немало моделей, в которых предпринята попытка теоретически обосновать результаты экспериментов:

• Модель выбора схемы многослойного ионно-плазменного покрытия, основанная на теории Г-интегралов [2]

• Модель Кехлера [3]

• Модель, связывающая параметры структуры, адгезии, пористости и твердость покрытия [3] и др.

При изучении многослойных покрытий принимаются во внимание следующие допущения:

• рассматривается покрытие, состоящее из слоев конкретных материалов; все полученные практические и теоретические результаты относятся только к покрытиям со схожей морфологией;

• целевой функцией является повышение износостойкости покрытия при сохранении достаточной твердости (уровня твердой составляющей) и малого коэффициента трения (уровня мягкой составляющей);

• в конечном счете, функциональная зависимость износостойкости должна определяться количеством и толщиной определенных слоев, входящих в состав многослойного покрытия.

Для выбора толщин слоев многослойной композиции А.А.Воеводиным в его работе [2] была предложена модель, базирующаяся на теории прочности и основанная на следующих постулатах:

• Слои покрытия не должны расслаиваться под действием напряжений и размер зон нарушения адгезионной связи не должен превышать критических значений [2]:

(1)

, (2)




 

, , (3)

h -толщина слоя, γ -работа адгезии, Е -модуль Юнга, μ -коэффициент Пуассона, L -длина зоны с нарушенной адгезионной связью.

• Покрытие не должно разрушаться раньше разрушения основного материала [2]:

(4) (5)

σ Т , σ вн , σ э – температурные, внутренние (от внедрения высокоэнергетических частиц) и эксплуатационные напряжения соответственно.

Имеется также ряд допущений: покрытие находится в плоском напряженном состоянии, отсутствуют внешние изгибающие моменты и силы.

Учитывая тот факт, что твердосмазочный материал имеет низкое сопротивление сдвигу и кинетика разрушения твердосмазочного покрытия специфична, необходимо подвергнуть проверке предлагаемую модель выбора параметров слоев.

В общем случае, функциональную зависимость, определяющую износостойкость конкретного покрытия, можно записать, как:

(6)

n =var-количество слоев, h =var-толщина слоев.

Выражение (6) представляет собой некоторую поверхность, которую можно построить следующим образом:

• Опираясь на экспериментальные данные, варьируя количество и толщину слоев измерять износостойкость покрытий, получая конкретные точки поверхности в пространстве ( V , n , h ). Применив какую-либо аппроксимацию, получить математическую зависимость для известного набора материалов слоев (6).

• Попытаться свести упомянутую выше модель к расчету износостойкости, получить конкретную зависимость и апробировать её на практике.

Скорее всего, необходимо будет проверить, по мере возможности, оба эти способа.

Если апробация модели даст положительный результат, то можно будет попытаться применить к прогнозированию износостойкости при тех или иных условиях.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ

В качестве основы для экспериментальной базы могут служить следующие композиции: МоS₂ +TiC N или МоS₂ +Ti Si B N .

Технология формирования многослойного покрытия может быть реализована в едином технологическом цикле на имеющемся оборудовании (рис.2), оснащенном двумя магнетронами и автономным источником ионов (АИИ). Процесс сводится к следующим основным этапам:

• после предварительной подготовки подложки, включающей и этапы очистки, осуществляется ионная обработка и активация поверхности подложек с помощью АИИ (поз.1);

• нанесение на подложку твердого износостойкого покрытия магнетроном поз.17;

• нанесение твердосмазочного покрытия магнетроном поз.18.

Операции нанесения слоев поочередно повторяются некоторое количество раз для получения требуемой композиции.

Оборудование для нанесения тонкопленочных покрытий скомпоновано на базе установки “Balzers-350 G ” (рис.2).

Авторы:
М.А.Шарапков, А.И.Беликов
07005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им.Н.Э.Баумана
кафедра МТ-11 ("Электронные технологии в машиностроении")

Источник: www.i-Mash.ru (Открытый машиностроительный интернет ресурс)