Structure and Physics Mechanical Properties of Multiperiod Vacuum-arc Coatings on the Basis of Two-layer System TiN[x]/ZrN[x]

Abstract

By methods of structural analysis (a precise X-ray diffraction method and raster electron microscopy) in conjunction with tests on physical and mechanical characteristics (hardness, elastic modulus, friction force and friction coefficient) comprehensive studies have been conducted. Such complex researches are the basis for optimization of properties of multiperiod systems TiNx/ZrNx by changing their structural states (structural engineering). The main parameters of changes were: number of layers (n) from 134 to 534 (at total coating thickness of about 10 microns) and magnitude of negative bias potential Ub. Formation of biphasic (TiNx and ZrNx) condition was revealed. On substructural level the most sensitive to Ub is micro-strained state. The growth of micro-strain with an increase numbers of ZrNx layers (at the greatest Ub = – 200 V) testifies about the determining contribution of irradiation of heavy Zr ions in defect formation at formation of coating. Is established that under optimal technological parameters of receiving of multiperiod TiNx/ZrNx coatings their hardness is in the range 40-50 GPa that corresponds to super hard condition. Dependence of penetration depth of indenter is revealed during testing in a pair of "diamond - multiperiod TiNx/ZrNx coating" and coefficient of friction on the ratio H/E, which characterizes the elasticity of material.

Проведені комплексні дослідження методами структурного аналізу (прецизійний XRD-метод і ра- строва електронна мікроскопія) в поєднанні з випробуваннями на фізико-механічні властивості (твер- дість, модуль пружності, сила тертя і коефіцієнт тертя). Такі комплексні дослідження є основою для оптимізації властивостей многоперіодной систем TiNx/ZrNx шляхом зміни їх структурних станів (стру- ктурна інженерія). Основними параметрами зміни були: число шарів (n) від 134 до 534 (при загальній товщині покриттів близько 10 мкм) і величина негативного потенціалу зсуву Ub. Виявлено формуван- ня двофазного (TiNx і ZrNx) стану. На субструктурного рівні найбільш чутливою до Ub є мікродеформа- цій. Зростання мікродеформації зі збільшенням числа ZrNx шарів (при найбільшому Ub = – 200 В) сві- дчить про визначальний внесок опромінення важкими Zr іонами в утворення дефектів при форму- ванні покриття. Встановлено, що при оптимальних технологічних параметрах отримання многоперіо- дной нітридних покриттів TiNx/ZrNx їх твердість знаходиться в межах 40-50 ГПа, що відповідає над- твердому стану. Виявлено залежність глибини проникнення індентора при випробуваннях в парі «алмаз - багатошарове покриття TiNx/ZrNШx» і коефіцієнта тертя від співвідношення Н/Е, яке характе- ризує пружність матеріалу.

Проведены комплексные исследования методами структурного анализа (прецизионный XRDметод и растровая электронная микроскопия) в сочетании с испытаниями на физико-механические характеристики (твердость, модуль упругости, сила трения и коэффициент трения). Такие комплекс- ные исследования являются основой для оптимизации свойств многопериодных систем TiNx/ZrNx пу- тем изменения их структурных состояний (структурная инженерия). Основными параметрами изме- нения были: число слоев (n) от 134 до 534 (при общей толщине покрытий около 10 мкм) и величина отрицательного потенциала смещения Ub. Выявлено формирование двухфазного (TiNx и ZrNx) состоя- ния. На субструктурном уровне наиболее чувствительной к Ub является микродеформация. Рост мик- родеформации с увеличением числа ZrNx слоев (при наибольшем Ub = – 200 В) свидетельствует об определяющем вкладе облучения тяжелыми Zr ионами в образовании дефектов при формировании покрытия. Установлено, что при оптимальных технологических параметрах получения многопериод- ных нитридных покрытий TiNx/ZrNx их твердость находится в пределах 40-50 ГПа, что соответствует сверхтвердому состоянию. Выявлена зависимость глубины проникновения индентора при испытани- ях в паре паре «алмаз- многопериодное покрытие TiNx/ZrNx» и коэффициента трения от соотношения Н/Е, которое характеризует упругость материала.