Search

The conditions of application of multilayer vacuum-arc nitride coatings on a substrate made from polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) are considered using the samples of (TiAlCrY)N/ZrN, (TiZr/TiSi)N, (TiAlSiY)N/CrN compositions. A schematic diagram of a vacuum-arc installation for applying similar coatings is presented, and the technological conditions of coating formation are considered. The structure and composition of the coatings were studied during diffractometric studies, and the performance of coated tools was examined when turning hardened steel. A large amount of the droplet phase in the (TiAlCrY)N/ZrN coating was established. The lattice parameters of two nitrides with an fcc crystal lattice were determined: ZrN – 4.590 Å, TiAlCrYN – 4.203 Å. CSR (coherent scattering region) of the ZrN phase is 5.4 nm at the microstrain level ε = 4.79·10¯³. High homogeneity and low defects in the thickness of the (TiZr)N/(TiSi)N coating were established – the amount of droplet phase is insignificant. The CSR of the coating is 24.2 nm at the level of microstrain ε = 5.76·10¯³, and the predominant texture orientation is (111). A small amount of the droplet phase was found in the (TiAlCrY)N/CrN coating. Both coating layers are characterized by the formation of phases with a cubic (fcc) crystal lattice, and a strong (111) texture occurs. The crystallographic planes (111) of the phase grains are mainly oriented parallel to the coating interface. The size of the CSR is 14.6 nm. It is shown that multilayer vacuum-arc coatings lead to an increase in the tool life of PCBN cutting tools by reducing the effect of adhesive sticking of the processed material and reducing the intensity of chemical interaction in the cutting zone. Розглянуто умови нанесення багатошарових вакуумно-дугових нітридних покриттів на підкладку з полікристалічного кубічного нітриду бору (ПКНБ) на прикладі композицій (TiAlCrY)N/ZrN, (TiZr/TiSi)N, (TiAlSiY)N/CrN. Наведено принципова схема вакуумно-дугової установки для нанесення подібних покриттів, розглянуто технологічні умови формування покриттів, запропоновано діаграма режиму роботи випарників та обертання підкладки. Структура і склад покриттів вивчено при дифрактометричних дослідженнях, механічні властивості оцінені з використанням нанотвердоміру «Micron-gamma» з індентором Берковича, працездатність інструментів з покриттям розглянута при точінні загартованої сталі. Встановлено велика кількість краплинної фази у покритті (TiAlCrY)N/ZrN. Визначено параметри гратки двох нітридів з ГЦК кристалічною решіткою: ZrN – 4,590 Å, TiAlCrYN –4,203 Å. ДКР фази ZrN 5,4 нм при рівені мікронапружень ε = 4,79·10¯³. Встановлено висока однорідність і мала дефектність по товщині покриття (TiZr)N/(TiSi)N – кількість краплинної фази незначна. ДКР покриття становить 24,2 нм при рівні мікронапружень ε = 5,76·10¯³, переважна орієнтація текстури (111). Встановлено незначна кількість краплинної фази у покриття (TiAlCrY)N/СrN. У обох шарах покриття характерно утворення фаз с кубічною (ГЦК) кристалічною решіткою, має місце сильна текстура (111). Кристалографічні площини (111) зерна фаз переважно орієнтовані паралельно інтерфейсу покриття. Розмір ДКР становить 14,6 нм. Показано, що багатошарові вакуумно-дугові покриття призводять до збільшення ресурсу роботи різальних інструментів з ПКНБ за рахунок зниження впливу адгезійного налипання оброблюваного матеріалу та зниження інтенсивності хімічної взаємодії в зоні різання та впливі кисню воздуху.

Layers based on titanium nitride doped with molybdenum and silicon were used to create a multilayer composite. In this case, the mismatch between the lattice periods of (TiMo)N and (TiSi)N layers was about 1%. It was found that in the (TiMo)N/(TiSi)N multilayer composite, such a mismatch of the periods in the constituent layers does not change the single-phase state of the composite even at relatively large layer thicknesses (about 350 nm). The creation of a (TiMo)N/(TiSi)N composite with a nanometer layer thickness allows one to reduce the magnitude of macrostresses (a large value of which is characteristic of single-layer (TiMo)N coatings) and change the substructural characteristics in a wide range of values. It has been established that the use of multi-element (TiMo)N and (TiSi)N layers in a multilayer coating design allows one to achieve a high-hard state with high adhesive strength and good tribological characteristics. The highest properties (hardness – 34.8 GPa and adhesive strength 166.09 N) were achieved in coatings obtained at Ub = -200 V and a layer thickness of 80 nm, which are characterized by compression macrostresses of 7.85 GPa and microstrains 0.75%. Для створення багатошарового композиту використані шари на основі нітриду титану, легованого молібденом і кремнієм. При цьому невідповідність періодів решіток (TiMo)N- і (TiSi)N-шарів становила близько 1%. Встановлено, що в багатошаровому композиті (TiMo)N/(TiSi)N така невідповідність періодів у складових шарах не змінює однофазного стану композиту навіть при відносно великих товщинах шарів (близько 350 нм). Створення (TiMo)N/(TiSi)N-композиту з нанометровою товщиною шарів дозволяє зменшити величину макронапружень (більша величина яких властива одношаровим (TiMo)N-покриттям) і в широкому інтервалі значень змінювати субструктурні характеристики. Встановлено, що використання багатоелементних (TiMo)N- і (TiSi)N-шарів при багатошаровому дизайні покриттів дозволяє досягти високотвердого стану з високою адгезійною міцністю і гарними трибологічними характеристиками. Найбільш високі властивості (твердість – 34,8 ГПа і адгезійна міцність – 166,09 Н) були досягнуті в покриттях, отриманих при Ub = -200 В і товщині шару 80 нм, для яких характерна величина макронапружень стиску 7,85 ГПа і мікродеформації – 0,75%.

The effect of the bias potential applied to the substrate during deposition and the layer thickness on the elemental composition, structure, substructure, and stress-strain state of (TiMo)N/ZrN layers of multi-period coatings is studied. The results of elemental analysis indicate a decrease in the ratio (Ti + Mo)/Zr with an increase in the bias potential and with a decrease in the layer thickness. At the structural level, appearance of additional diffraction peaks for (TiMo)N/ZrN coatings with the thinnest (about 12 nm) layers was revealed. The appearance of such peaks is explained by the effect of mixing at the interface between layers due to the implantation of accelerated particles. It was found that alloying of Ti with Mo atoms in (TiMo)N layers leads to a large compression strain (about 5 %). In monometallic ZrN layers, the value of macrostrain is more than 2 times smaller. At the substructural level, the formation of (TiMo)N solid solution also leads to higher microdeformation in comparison with a similar parameter in ZrN monometallic layers. The hardness of multi-period (TiMo)N/ZrN composites reaches a high value of 35 GPa.

The effect of negative bias potential (Ub = -40, -110, and -200 V) during the deposition of multi-element coatings on their composition, structure and mechanical properties was studied. It was established that during the transition from a multi-element alloy to a nitride, a single-phase state possible to form on its basis (based on the fcc metal lattice, structural type NaCl). In this case, the composition (FeCoNiCuAlCrV)N of coatings with increasing Ub is depleted by the element with the lowest enthalpy of formation of nitride (Cu). In (AlCrTiNbSi)N and (AlCrTiZrNbV)N coatings, the content of low-mass elements (Si and Al) decreases with increasing Ub. In (TiZrHfVNb)N coatings of strong nitride-forming elements with increasing Ub to 200 V, the composition practically does not change. The structure of such coatings is characterized by the presence of a texture with the [111] axis. The presence of weak nitride-forming elements in (FeCoNiCuAlCrV)N coatings leads to the formation of texture [110] for large Ub = 110…200 V. In such coatings, the hardness does not exceed 35 GPa. It is shown that to achieve high hardness at high Ub it is necessary to increase the content in the high-entropy alloy of elements with high nitride-forming ability. In this case, in (TiZrHfVNb)N coatings (made of strong nitride-forming elements with a large mass) at Ub = 200 V, the hardness exceeds 45 GPa. Досліджено вплив негативного потенціалу зміщення (Ub = -40, -110 і -200 В) при осадженні багатоелементних покриттів на їх склад, структуру і механічні властивості. Встановлено, що при переході від багатоелементного сплаву до нітриду на його основі можливе формування однофазного стану (на основі ГЦК металевої решітки структурний тип NaCl). При цьому склад (FeCoNiCuAlCrV)N-покриттів зі збільшенням Ub збіднюється елементом з найменшою ентальпією утворення нітриду (Cu). У (AlCrTiNbSi)N- і (AlCrTiZrNbV)N-покриттях зі збільшенням Ub зменшується вміст елементів з малою масою (Si і Al). У (TiZrHfVNb)N-покриттях, що складаються з сильних нітрідоутворюючих елементів з великою масою, при збільшенні Ub до 200 В склад практично не змінюється. Структура таких покриттів характеризується наявністю текстури з віссю [111]. Наявність слабких нітрідоутворюючих елементів у (FeCoNiCuAlCrV)N-покриттях призводить при великих Ub = 110…200 В до формування текстури [110]. У таких покриттях твердість не перевищує 35 ГПа. Показано, що для досягнення високої твердості при великих Ub необхідно збільшувати вміст у високоентропійному сплаві елементів з високою нітрідоутворюючою здатністю. При цьому в (TiZrHfVNb)N-покриттях (з сильних нітрідоутворюючих елементів з великою масою) при Ub = 200 В твердість перевищує 45 ГПа.

The influence of the pressure of a mixed gaseous atmosphere (80%C2H2+20%N2) and the supply of a high-voltage negative potential in a pulsed form on the elemental and phase composition, structure and physico-mechanical characteristics of the vacuum-arc molybdenum-based coatings. It is shown that in the temperature deposition range 400…550 °С as a result of plasma-chemical reactions, the maximum nitrogen atoms content in the coating does not exceed 1.5 at.%. It is found, that at the maximum pressure of РC2H2+N2= 2.3∙10-1 Pа when the γ-MoC phase is formed, an superhard state of 50.5 GPa (at a constant potential -200 V, without additional high-voltage pulse action) and 51.1 GPa (at a constant potential -200 V, with additional high-voltage pulse action) is reached. Для вакуумно-дугових покриттів на основі молібдену досліджено вплив тиску змішаної газової атмосфери (80%C2H2+20%N2) і високовольтного негативного потенціалу (подається на підкладку в імпульсної формі) на елементний і фазовий склад, структуру і фізико-механічні характеристики формованого матеріалу. Показано, що в температурному інтервалі підкладки при осадженні 400…550 °С в результаті плазмохімічних реакцій максимальний вміст атомів азоту в покритті не перевищує 1,5 ат.%. Виявлено, що при найбільшому тиску РC2H2+N2 = 2,3∙10-1 Па, коли формується фаза γ-MoC, досягається надтверде стан 50,5 ГПа (при постійному потенціалі -200 В, без додаткового високовольтного імпульсного потенціалу) і 51,1 ГПа (при постійному потенціалі -200 В, з додатковим високовольтним імпульсним потенціалом).

It is proposed to use the multiperiod binanolayer composites (TiAlSi)N/MeN (Me-Zr, Nb, Cr, Mo) for controlling the structure, stress state and mechanical properties of a multi-element nitride (TiAlSi)N. The deposition of the layers was carried out by the method of vacuum-arc evaporation at different bias potentials on the substrate Uₕ = -110 and -200 V. It has been determined that mononitrides with a high Me-N binding energy in the binanolayer composite determine the crystallite growth in thin (nanometer) layers. The growth texture is formed in composites containing mononitrides based on transition metals with a relatively small atomic mass (Cr, Mo) at Uₕ = -110 V. The growth texture is formed at a larger Ub = -200 V when dealing with mononitride based on heavy metal (Zr). The greatest hardness is achieved in textured materials deposited at Uₕ = -200 V. This is typical both for a monolayer multi-element nitride (TiAlSi)N (hardness is 42.5 GPa) and for multiperiod nanolayer composites based on it (the highest hardness is 47.9 GPa for a composite (TiAlSi)N/ZrN). Запропоновано використовувати багатоперіодні бінаношарові композити систем (TiAlSi)N/MeN (Me – Zr, Nb, Cr, Mo) для управління структурою, напруженим станом і механічними властивостями багатоелементного нітриду (TiAlSi)N. Осадження шарів здійснювалося методом вакуумно-дугового випаровування при різних потенціалах зміщення на підкладці Uₕ = -110 і -200 В. Встановлено, що в бінаношаровому композиті мононітриди з великою енергією зв'язку Me–N задають переважну орієнтацію росту кристалітів у тонких (нанометрових) шарах. При Uₕ = -110 В текстура зростання формується в композитах, які містять мононітриди на основі перехідних металів з відносно невеликою атомною масою (Cr, Mo). У разі мононітриду на основі важкого металу (Zr) текстура утворюється при більшому Uₕ = -200 В. Найбільша твердість досягається в текстурованих матеріалах, осаджених при Uₕ = -200 В. Це характерно, як для моношарового багатоелементного нітриду (TiAlSi)N (досягнута твердість 42,5 ГПа), так і для багатоперіодних наношарових композитів на його основі (найбільша твердість 47,9 ГПа отримана для композиту (TiAlSi)N/ZrN). Предложено использовать многопериодные бинанослойные композиты систем (TiAlSi)N/MeN (Me – Zr, Nb, Cr, Mo) для управления структурой, напряженным состоянием и механическими свойствами многоэлементного нитрида (TiAlSi)N. Осаждение слоев осуществлялось методом вакуумно-дугового испарения при разных потенциалах смещения на подложке Uₕ = -110 и -200 В. Установлено, что в бинанослойном композите мононитриды с большой энергией связи Me–N задают преимущественную ориентацию роста кристаллитов в тонких (нанометровых) слоях. При Uₕ = -110 В текстура роста формируется в композитах, содержащих мононитриды на основе переходных металлов с относительно небольшой атомной массой (Cr, Mo). В случае мононитрида на основе тяжелого металла (Zr) текстура образуется при большем Uₕ = -200 В. Наибольшая твердость достигается в текстурированных материалах, осажденных при Uₕ = -200 В. Это характерно как для монослойного многоэлементного нитрида (TiAlSi)N (достигнута твердость 42,5 ГПа), так и для многопериодных нанослойных композитов на его основе (наибольшая твердость 47,9 ГПа получена для композита (TiAlSi)N/ZrN).

Influence of the period value Λ (at different negative potential Ub that supplied during deposition) on phase composition, structure, stress-strain state and hardness of multiperiod coatings ZrNₓ/MoNₓ is investigated by using complex methods of validation structural state at combined with microindentation. Formation in layers ZrNx and MoNx the phases with cubic lattice and preferred orientation of crystallites with axis [100] is established. Stress-strain state of compression with increasing Ub is amplified and reaches maximum value (– 6.7 GPa) at Λ = 20 nm and Ub – 110 V. Hardness of coating increases with decreasing Λ from 300 to 20 nm. Coatings that obtained with Λ = 20 nm and Ub – 110 V have the highest hardness 44 GPa. Relaxation of structural compressive stresses and decreasing hardness is happening at smaller Λ and larger Ub – 110 V (as a result of radiation-stimulated forming defect and mixing). Data of computer modeling of defectiveness at atomic level at bombardment of ions that accelerated in field Ub are used to explain the results. Використовуючи комплекс методів атестації структурного стану в поєднанні з мікроіндентуванням досліджено вплив величини періоду Λ (при різному негативному потенціалі Ub, що подається при осадженні) на фазовий склад, структуру, напружено-деформований стан і твердість багатоперіодних покриттів ZrNₓ/MoNₓ. Встановлено формування в шарах ZrNx і MoNx фаз з кубічної решіткою і переважною орієнтацією кристалітів з віссю [100]. Напруженно-деформований стан стиснення зі збільшенням Ub посилюється, досягаючи максимального значення (– 6,7 ГПа) при Λ = 20 нм і Ub – 110 В. Твердість покриттів збільшується зі зменшенням Λ від 300 до 20 нм. Покриття, отриманні при Λ = 20 нм і Ub – 110 В мають найбільшу твердість 44 ГПа. При меншому Λ і великому Ub – 110 В (в результаті радіаційно-стимульованого дефектоутворення і перемішування) відбувається релаксація структурних напружень стиску та зменшення твердості. Для пояснення отриманих результатів використані дані комп'ютерного моделювання пошкоджуваності на атомному рівні при бомбардуванні прискореними в поле Ub іонами.

A comprehensive study of the influence of the thickness of the layers, Us and PN on the structural engineering to obtain high mechanical properties in multilayer composite MoN / CrN vacuum-arc coatings has been conducted by means of scanning electron microscopy with energy analysis, X-ray diffraction studies microindentation and scratch testing methods. It has been determined that in the studied PN  (2- 30)  10 – 4 Torr, the content of nitrogen in the coatings varies from 6.3 to 33 at. %, which leads even at the greatest nitrogen content to the formation of lower phase by nitrogen, -Mo2N and isostructural CrN with the vacant sites in the nitrogen sublattice. The increase of thickness of the layers applied on the substrate in a stationary state promotes the increase of nitrogen content. Along with this, the lowest microdeformation and the average size of crystallites are formed at Ub  – 300 V, which defines the achievement of greater hardness of 35 GPa and high adhesion strength, which resists the destruction, Lc5  187.6 N.

ZrN-phase coatings with a cubic lattice (NaCl structure type) were produced by the method of vacuum-arc evaporation of a Zr cathode in nitrogen atmosphere at pressures PN between 0.02 and 0.64 Pa. The pressure increase at a bias potential of -150 V leads to formation of the growth texture [111] or to appearance of the bitextural state with the axes [111] and [311]. Additional pulsed-mode supply of high-voltage negative potential Uip = 800…2000 V, with pulse duration of 10 μs and frequency of 7 kHz, stimulates the emergence of texture [110]. At the substructure level, the Uip supply causes the microstrain relaxation and the crystallite size growth with increasing pressure. The observed changes are attributed to increased particle mobility and nitride formation activity under the action of Uip. The hardness increases with increasing pressure and reaches a value of 43 GPa. The Uip supply leads to a shift of the maximum hardness towards higher pressures. Методом вакуумно-дугового испарения Zr-катода в азотной атмосфере при давлении PN = 0,02…0,64 Па получены покрытия ZrN с кубической (структурный тип NaCl) кристаллической решеткой. Повышение давления при потенциале смещения -150 В приводит к образованию текстуры роста [111] или появлению битекстурного состояния с осями [111] и [311]. Дополнительная подача высоковольтного отрицательного потенциала Uпи = 800…2000 В в импульсном режиме с длительностью 10 мкс и частотой 7 кГц стимулирует появление текстуры [110]. На субструктурном уровне подача Uпи приводит к релаксации микродеформации и росту размеров кристаллитов при повышении давления азота. Наблюдаемые изменения связываются с повышением подвижности частиц и активности нитридообразования в условиях действия Uпи.. Твердость возрастает с увеличением давления и достигает значения 43 ГПа. Подача Uпи приводит к смещению максимальной твердости в сторону больших давлений.

Studies were made into erosion of titanium nitride coatings deposited onto stainless steel substrates in two different ways of vacuum-arc technology: with and without feeding high-voltage negative pulses on the substrate. A possible physical mechanism is offered and discussed to explain the different character of erosion behavior. Досліджено ерозію покриттів з нітриду титану, осаджених на підкладки з неіржавіючої сталі двома різними методами вакуумно-дугової технології: з подачею і без подачі високовольтних імпульсів негативної полярності на підкладку. Пропонується і обговорюється фізичний механізм для пояснення різного характеру ерозійної поведінки. Исследована эрозия покрытий из нитрида титана, осажденных на подложки из нержавеющей стали двумя различными методами вакуумно-дуговой технологии: с подачей и без подачи высоковольтных импульсов отрицательной полярности на подложку. Предлагается и обсуждается физический механизм для объяснения различного характера эрозионного поведения.