ОСОБЕННОСТИ МНОГОФАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ (44-49)

44 Националь ная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20
протонами ядра, которые работают как антенны без
нагрузки, то он и будет переизлучён с
минима льными поте рями, что и наблюдается в
опыте.
Как извес тно процесс приёма
электромагнитного излучения заключается в
преобразовании электромагнитных волн,
пришедших в точку расположения приёмной
антенны, в направляемые электромагнитные
волны , воздействующие на входное устройство
приёмника. Это преобраз ование вы полняется
приёмной антенной. Поэтому элементы приёмной
антенны должны обладать свойством
электропроводимости – поскольку в данном случае
элементами антенны являются кварки , то следует
предположить их эл ектропроводимость и
соо тветственно предположи ть, что о ни имеют
составную линейную конструкцию.

А.П. Пудовкин , Ю.Н. Панасюк , А.А. Иванков
Основы Теории Антенн
Рекомендовано Учебно -методическим
объединением по образованию в области
радиотехники , электроники , биомедицинской
техник и и автоматизации в ка честве уч ебного
пособия Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ
2011 УДК 621.37(075/8) ББК A815я73 П881

ОС ОБЕННОСТИ МНОГОФАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ

Юров Виктор Михайлович
кандидат физ. -мат. наук, доцент
Гученко Сергей Алексеевич
докторант PhD
Маханов Канат Мэтович
кандидат физ. -мат . наук, доцент
Карагандинский государственный университет им ени Е.А. Букетова,
Казахстан , Караганда

MULTI -PHASE COATING FEATURES

Yurov Viktor
Candidate of p hys. -mat. sciences, associate professor
Guche nko Sergey
PhD student
Makhanov Kanat Matovich
Candid ate of p hys. -mat. sciences, associate professor
Karaganda State University named after EA . Buketova ,
Kazakhstan , Karaganda

Аннотация
Одна из ключевых проблем, которые следует решить при создании наноком позицио нных магнетронны х
покрытий, - генерация многоко мпонентных потоков, осаждаемых на по дложку. В настоящее время для
понимания механизмов фо рмирования различных функциональных и нанокристаллических покрытий и
управления их качеством необходимо использов ать широкий набор метод ов исследования. Поэтому в
настоящем работе представлены использованные нами методы исследования ф изико -механических и
физико -химических свойств исследуемых покрытий .
В работе обнаружено образ ование сверхтвердых покрытий, полученных при одновременном
распы лении титанового к атода и мишен и 12Х18Н10Т в среде азота, когда происходит образование
нитридных фаз;
Этот результат име ет важное практическое значение для упрочнения деталей механизмов и машин
различных отраслей промышленности, в то м числе и для деталей а грегатов тепл овых электроста нци й.
Abstract
On e of the key problems that should be solved when creating nanocomposite magnetron coatings is the
generation of m ulticomponent flows dep osited on a substrate. At prese nt, to understand the mechanisms of
formation of various functional and nanocrystalline c oatings and control their quality, it is necessary to use a wide
range of research methods. Therefore, this work presents the methods we used to study the physicomecha nical and
physicochemical properties of the coatings under study.
The work revealed the f ormation of superhard coatings obtained by simultaneous sputtering of a titanium
cathode and a 12X18H10T target i n a nitrogen medium whe n nitride phases form;
This res ult is of great practical importance for hardening the details of mechanisms and machines of various
industries, including for parts of units of thermal power plants.
Ключевые слова: покрытие, магнетрон, нанокомпозит, поверхность, напыление
Key words : coating, magnetron, nano composite, surface, spu ttering .

Наиболее перспективны ми для получения наноструктурированных покрытий явл яются

Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20 45
вакуумные ионно -плазменные методы:
магнетронного распыления, ионного и вак уумно -
дугового осаждения. Это связано с тем, что кроме
термического фак тора появляются и др угие -
высоки е степень ионизации, плотность потока и
энергия частиц. Качество покрытия можно
регулировать путем изменения температуры
подложки, давления рабочего газа, п отенциала
подложки и других технологических параметров
[1].
Получе ние нанокомпозитов с по мощью
магн етронных и ионно -плаз менных методов требует
осаждения на подложку многокомпонентных
потоков. В большинстве случаев си нтез покрытий
сложного элементного состава реализуется путем
послойного или одновр еменного осаждения на
по дложку в атмосфере реак ционных га зов потоков
от двух и сточников: ио нных [2], магнетронных [3],
вакуумно -дуговых [4] и их комбинации [5].
Одна из ключевых проблем, которые следует
решить при создании нанокомпозицио нных
магнетронных покрытий, - генерация
мно гокомпонентных потоков, осаждаемы х на
подложку.
В наст оящем исследовании мы синтезировали
мишени Cr-Mn -Si-Cu -Fe-Al, Fe-Cu -Al, Fe-Mn -Cu -Al
и некоторые другие . Использовались также
титановые, медные, алюминиевые мишени и
мишени из стали 12Х18Н10Т для одновре менного
распыления при получении многослойных и
многоф азных покрытий.
Получение многофазных мишеней
проводилось в вакуумной печи, показанной на
рисунке 1а, путем плавления исходной смеси
металлов. Для получения мишеней диаметром 100
мм и толщиной 8 мм, был а изготовлена графитова я
форма, п оказанная на рисунке 1б. Вид мишеней,
полученных таким способом, показан на рисунке
1в.



Рисунок 1 - Двухколпачковая вакуумная печь (а), графитовая форма для плавки металла (б), вид
мишеней, полученных методом ваку умной плавки (в).

В н аших иссле дованиях использовалс я
оптический металлографический микроскоп
«Эпиквант». Общее увеличение микроскопа равно
произведению увеличения объектива на
увеличение окуляра, так как изображение предмета
увеличивается в объе ктиве и окуляре. Увеличение
сов ременных м еталлографических мик роскопов
«Эпиквант» может быть от 60 крат до 1500 при
визуальном наблюдении и до 2000 крат при
фотографировании.
Электронно -микроскопическое исследование
было проведено на растровом электронном
микроско пе MIRA 3 фирмы TESCAN .
Исследова ния проводились при у скоряющем
напряжении 20 кВ и рабочем расстоянии около 15
мм. Для каждого образца было сделано по 4 снимка
с 4 т очек поверхности при разных увеличениях: 245
крат, 1060 крат, 4500 крат и 14600 крат. Путем
энергодисперсионных сп ектров по специальной
пр ограмме PHI -RHO -Z были определены
концентрации элементов. Концентрации элементов
определены использованием аналитических
сигналов Al K, Si K, Cr K, Mn K, Fe K, Cu К
имеющие максимальные интенсивн ости. Пр и
определении значения массовых ( G, %)
концентраций эл ементов по PHI -RHO -Z были
применены метод Bence и Albee . Для исследования
поверхности покрытий в наномасштабе нами
использ овался атомно -силовой микроскоп NT -206 .
Большая часть экспериментальных данных
получена нами в Материа ловедческо м це нтре
коллективног о пользования при Томском
государственном университете (г.Томск, Ро ссия).
Толщина покрытий и их элементный состав
измерялись с помощью электронного ми кроскопа
Quanta 200 3 D, который представляет собой
систему с электронным и сфокусир ованным
ионным пучками. Исследование фазового состава и
структурных параметров образцов проводилось на
дифрактометре XRD -6000 на CuK α-излучении.
Анализ фазового состава, размеров областей
когерентного рассеяния, упругих напря жений
(∆d/d) пров еден с использов анием баз данных
PCPD FWIN и PDF4+, а так же программы
полнопрофил ьного анализа POWDER CELL 2.4.
Для образцов была определена нанотвердость

46 Националь ная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20
покрытий с помощью системы н аноидентирования
по методу Оливера и Фара с использовани ем
индентера Берковича при н агруз ке 1 г и выдержки
15 с.
Нами использовался микротвердомер HVS -
1000A. Данный прибор разраб отан с
использованием последних достижений в
механике, оптике, электрон ике и компьютерных
технологиях для проведения испытаний на
твер дость мета ллических и н еметалличе ских
материалов, особ о мелких деталей или тонких
закаленных слоев. В результате прибор способен
обеспечивать стабильными и достоверными
высокоточными результатами. Он так же может
использоваться для исследования структуры
металлических материалов и для опр еделения
распределени я цементита по поверхности и
экспериментов с определением тве рдости по
методу Кнупа.
Для исследования элементного состава были
сделаны три пробы на разных участках выбранной
площадки покрытия Cr-Mn -Si-Cu-Fe-Al (рис. 2).

а)
б) в)
Рисунок 2 – РЭМ -покр ытия (а), толщина покрытия (б), РФЭС покрытия Cr -Mn -Si-Cu -Fe -Al (в).

На рисунке 2в показан элементный с остав
покрытия в одной точке выбранной площадки. В
таблице 1 приведены процен тные соотношения
хим ических элементов покры тия. Для о бразца № 1
была опред елена нанотвердость покрытия Cr-Mn -Si-
Cu -Fe-Al в газ овой среде азота, которая равна 7,413
ГПа, что соответствует 686,57 единицам твердости
по методу Виккерса. Было определены: модуль
текучести данного п окрытия, который р авен 169,51
ГПа , текучесть составляе т 0,68 %, и релаксация
покрытия равна 0,05%. Для опр еделения всех выше
перечисленных параметров было определено число
Пуассона для покрытия Cr-Mn -Si-Cu -Fe-Al в газовой
среде аз ота, равное приблизительно 0,30.
Таблица 1
Фазов ый состав покрытия Cr -Mn -Si-Cu -Fe-Al в среде азота
Образец Обнар уженные
фазы
Соде ржание фаз,
об.%
Параметры
решетки, Ǻ Размеры ОКР, нм
Образец
Cr-Mn -Si-Cu -Fe-Al
в среде аз ота, 40
мин
FeN 0.0324 60,6 а = 3,598 103,4

TiN 0.31 O0.31

39,4

а = 4,211

25,6

На образе ц № 2 из нержавеющей с тали было
нанесено покрытие 12Х18Н10Т+ Ti в газ овой среде
азота в течение 40 мин. На рис. 3а показано
электронно -микроскопическое изображение (РЭМ)
покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде азота
модельного образца до начала иссл едовании ( а),
Для измерения толщ ины нанесенного слоя
покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде азота
модельного образца № 2 на его поверхности была
вырезана площадка сфокусирова нным ионным
пучком. Толщина слоя составляет 1,5 микрона. На
рис. 3б показана толщин а покрытия в газовой среде
азота модельного образца № 2, а на рис. 3в -
элементный состав покрытия.

а) б)
в)
Рисунок 3 – РЭМ -покрытия (а), толщина покрытия (б), РФЭС покрытия12Х18Н10Т+ Ti
в г азовой среде азота (в).

Результаты исследования фазового состава и структурных параме тров приведены в таблице 2.

Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20 47

Таблица 2
Фазовый состав покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде аз ота
Образец Обнаруже нные
фазы
Соде ржание фаз,
об.%
Параметры
решетки, Ǻ Размеры ОКР, нм
12Х18Н10Т+ Ti
в газовой среде
азота
FeN 0.032 4 9,8 а = 3.592 10,35
TiN 85,5 а = 4,240 14,71
Fe-α 4,6 а = 2.864 7,29

Для образца № 2 была определена
нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т с Ti в газовой
среде азота, которая равна 35,808 ГПа, что
соответствует 3 316, 2 единицам тв ердости по
методу Викк ерса. Был и определены: модуль
текучести покрытия 12Х18Н10Т с Ti в газовой
среде азота, который равен 378,56 ГПа, текучесть
его составляет 0,15 %, и релакс ация покрытия равна
0,05 %. Для определения всех выше перечисленных
параметров б ыло определено число П уассона дл я
покрытия 12Х18Н10Т с Ti в газовой среде азота
равное пр иблизительно 0,27.
На образец № 3 из нержавеющей стали так же
было нанесено покрытие 12Х18Н10Т+ Ti в газовой
среде аргона в течение 40 мин. На рис. 4а показано
электро нно -микроскопическое из ображение
покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде аргона
образца до начала исследования. Толщина слоя
составляет 989,98 нм. На рис. 4б показана то лщина
покр ытия 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде аргона
образца № 3, а на рис. 4в - элементный состав
покрытия.

а) б) в)
Рисунок 4 - РЭМ -покры тия (а), толщина покрытия (б), РФЭС покрытия
12Х18Н10Т+ Ti в г азовой среде аргона (в)

Из приведенных выше экспериментальных
данных следует, что при нанесении покр ытий в
течение 40 минут формируются покр ытия
толщ иной (1 -1,5) мкм. Элеме нтный анализ показал
высокое содержание Cr в покрытии Cr-Mn -Si-Cu -
Fe-Al в газовой среде азота - 89,09 %. Покрытие
12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде азота содержит 73
% Ti, а покрытие 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде
аргона имеет высо кое содержание Fe - 64 ,96 %.
Дан ное исследование элеме нтного состава
показало, что все элементы рабочих миш еней
присутствуют в их покрытиях, однако соотношение
между ними может значительно и зменяться. Это
хорошо видно из сравнения РФЭС -спектров катода,
пол ученного н ами в [6] (р ис. 5), и РФЭС покрытия,
показан ного на рис. 2.

Рисунок 5 - РФЭС -катода Cr -Mn -Si-Cu -Fe -Al [6]

48 Националь ная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20
В первом и во втором покрытиях в результате
ионно -плазменной обработки образов ались
нитриды, что и оправдывает возрастание их
нанотвердост и. В третьем покрытии нано твердо сть
увеличилась незнач ительно относительно
нанотвердости подложки.
Для покрытия Cr-Mn -Si-Cu -Fe-Al в газовой
среде азота нанотвердость равна 7,413 ГПа, для
покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде азота
35,808 ГПа и для покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в газово й
среде ар гона она равна 3,339 Г Па. Из приведенных
данных след ует, что наибольшей нанотвердостью
обладает покрытие 12Х18Н10Т+ Ti, полученное
одновреме нным распылением титанового катода и
катода из нержавеющей стали в газовой среде азот а.
Представляет инт ерес сравнени е полученных
результат ов с известными данными по
наноиндентированию др угих материалов. Такие
данные представлены в табл . 3.
Таблица 3
Свойства материалов, рассчитанные по данным наноиндентирования [7]
Материал Н, ГПа Е, ГПа R, %
Титан (ОТ4 -1) 4,1 130 19
Многослойная пленка Ti/-C:Н 8,0 128 34
Аморфная лента Zr-Cu -Ti-Ni 11,5 117 42
Кремний (100) 11,8 174 62
Тонкая пленка Ti-Si-N 28,4 295 62

Результат сравнения показывает, что
нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т+ Ti в среде
азота превосходит все представл енные в таблице 3
мате риалы, среди которых п оследние три
используются как упрочняющие и абразивные
покрытия.
Структурно -фазовый анализ выявил, что
покрытие Cr-Mn -Si-Cu -Fe-Al в газовой среде азота
имеет две фазы FeN 0.0324 - 60,6 %, TiN - 39,4 %,
покрытие 12 Х18Н10Т+ Ti в газовой с реде азота
имеет три фазы FeN 0.0324 - 9,8 %, TiN - 85,5 %, Fe - α
- 4,6 %. Последнее обстоятел ьство приводит к
резкому возрастании нанотвердости. В табл. 4
приведены свойства нитридных покрытий.
Видно, что и в этом случае тв ердость
по крытий 12Х18Н10Т+ Ti в газовой среде азота
(35,808 ГПа) превосходит твердость всех
представленных в таблице 3 покрытий.
Одна из ключевых проблем, которые следует
решить при создании нанокомпозицио нных ионно -
плазменных покрыт ий - генерация
многоко мпонентных потоков, осаждаемых н а
подложку. Основная идея, использованная в
настоящей работе, заключалась в следующем: для
генерации многокомпонентных потоков ионов
различных металлов, осаждаемых на по дложку, мы
использовали многофазн ый композиционный
като д на одной пушке вакуумной устан овки и
однофазный катод из титана на другой пушке.
Таблица 4
Свойства нитридных покрытий [8]
Нитрид Температ ура плавл ения
покр ытия 0С
Микро -
тве рдость
покр ытия
ГПа
Электропр оводность
покрытия, мкОм -1·м-
1
Поверх.
натяжение
покрытия, Д ж/м 2
Поверх.
натяжени е
металла,
Дж/м 2
TiN 2945 20,0 40 0,474 1,933
ZrN 2955 16,0 18 0,518 2,125
HfN 3330 22,0 32 0,610 2,503
NbN 2320 14,0 78 0,670 2,741
TaN 3360 17,5 180 0,735 3,014

В процессе одновременного ра спыл ения
различных катодов ионы мета ллов
перемешиваются в плазме и, после осаждения,
формируют п окрытие.
Заключение.
В настоящей работе показано:
- исследован структурно -фазовый состав
многофазных покрытий ;
- обнаружено образ ование сверхтвердых
покрытий, получ енных при одновременно м
распылен ии титанового к атода и мишени
12Х18Н10Т в среде азота, когда происходит
образование нитридных фаз ;
- этот результат имеет важное практическое
значение для упрочнения деталей механизмов и
машин различных отраслей промышленнос ти, в
том числе и для деталей аг регатов тепл овых
элект роста нций .
Работа выполнена по программе МОН РК.
Гранты №0118РК000063 и №Ф.078 1.

Литература
1. Юров В.М., Вертягина Е.Н., Гученко С.А.
и др. Влияние технологических параме тров на
свойства композиционных по крытий Mn -Fe-Cu -Al
// Вестник ра звития науки и обр азов ания, 2011. - №
2. - С. 18 -22.
2. Watanabe H., Sato Y., Nie C. et al. The
mechanical properties and micr ostructure of Ti -Si-N
nanocomposite films by ion pfliting //Surf. and Coat.
Technol. - 2003. - V. 169 -170. - P. 452 -455 .
3. Ca rvalho S., Ribeiro E/, Rebouta L . et al.
Effect of morphology and structure on the ela stic
behavior of (Ti, Si, Al) N nanocomposites // Surf. and
Coat. Technol. - 2003. -V. 174 -175. - P. 984 -991 .

Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20 49
4. Flink A., Larson T., Sjolen J. at. al. Influence
of Si on t he microst ructure of are evap orat ed (Ti, Si)N
thin films; evidence for cubic solid solutions and their
thermal stability // Surf. and Coat. Technol . - 2005. -V.
200. - P. 1535 -1542 .
5. Li Z.G., Mori M., Miyake S. at. al. Structure
and pro perties of Ti -Si-N fi lms prepar ed by ISP
assisted magn etron spattering // Surf. and Coat.
Technol . - 2005. -V. 193. - P. 345 -349.
6. Гученко С.А., Ибраев Н.Х., Афанасьев
Д.А. Композиционные катоды для ио нно -
плазменных покрытий // Вестник КарГУ, сер.
Физика, 2 009. - № 4 (56). - С. 41 -47.
7. Го ловин Ю.И. Наноиндентир ование и
механические свойства материалов в нано шкале
(обзор) // ФТТ, 2008. - Т. 50. - № 12. - С. 2113 -2142.
8. Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А. и др.
Структура и свойства многофазных ио нно-
плазменны х покрытий. - Караган да: Изд -во
Каза хстанско -Российско го ун -та, 2013. - 150 с.