Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 7(27)
Рубрика журнала: Технические науки
Секция: Материаловедение
Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2, скачать журнал часть 3
УЛУЧШЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНОЙ НАНОСИСТЕМЫ TiN[BCN/BN]n/c-BN
Многослойные структуры с нанометровой толщиной периода, которые также называют гетероструктурами, были изучены в последние годы для их использования в качестве защитных твердых покрытий. Привлекательность таких структур зависит от их улучшенных механических и трибологических свойств по сравнению с их индивидуальными компонентами [1]. Таким образом, многие исследования, описанные в литературе, показывают, что в качестве многослойного компонента используются тройные материалы, такие как AlCN [2], CrAlN [3], TiCN [4], BiMnO3 [5] и т.д. Стабильность и возможность генерации гетероструктур получают посредством процесса физического осаждения из паровой фазы (PVD).
Усиления твердости в тонкопленочных изоструктурных гетероструктурах были успешно смоделированы с помощью теорий силы дислокационных изображений, возникающих из первой модели Кёлера [6], основанной на различиях модулей сдвига, в сочетании с коррекцией Чу и Барнетта, предполагающей распространение дислокаций внутри отдельных слоев [7]. Так же, есть информация об улучшении механических и электрохимических свойств в изоструктурных гетероструктурах [8-10]. Среди этих изоструктурных систем выделяют металло-керамические и керамические-керамические гетероструктуры, которые получили особое внимание, поскольку эти комбинации могут демонстрировать высокие значения твердости, которые зачастую превышают более чем на 100%, по сравнению с остальными, но при этом сохраняется хорошая пластичность и высокие антикоррозионные свойства. Примеры этих гетероструктур, изученных за последние 10 лет, включают в себя Ti/TiN [10], TiN/ZrN [11], BCN/CN/BN [13] и B4C/BCN/c-BN [14].
Однослойные покрытия нитрида, которые характеризуются высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью, стали все шире использоваться для укрепления и защиты конструкционных сталей, которые в свою очередь подверженных износу и коррозии. Но существует значительный недостаток таких покрытий, ограничивающих их использование в зависимости от их толщины, что во многих случаях не превышает 3 мкм. В связи с этим, расширение использования технологии магнетронного распыления PVD для повышения прочности деталей машин возможно с развитием многослойных покрытий с более высокой комбинацией свойств. Одним из наиболее важных параметров, определяющих эксплуатационные свойства против коррозии однослойных покрытий нитрида, является размер и количество пор, которые в результате тонкости защитного слоя протыкают его до основания и тем самым вызывают процесс коррозии. Известно, что покрытия PVD имеют значительно меньшую пористость по сравнению с покрытиями, полученными с помощью других способов.
Необходимо принимать во внимание, что коррозионное разрушение нитридных покрытий (одиночных или многослойных) под действием коррозионной среды происходит при структурных дефектах (поры, микротрещины и т. Д.). Поэтому коррозионная стойкость многослойных нитридных покрытий выше, чем у однослойных покрытий, что объясняется особенностями их микроструктуры, в том числе отсутствием круговых кристаллов, характерных для однослойных покрытий [10]. Целью данного исследования является увеличение знаний об этой интересной группе эпитаксиальных керамических-керамических многослойных материалов путем изучения системы, состоящей из карбонитрида бора (B-C-N), который используется в качестве тройного компонента материала, и нитрида бора (B-N) - в качестве бинарного соединения. Были разработаны мультислои BCN/BN, которые достигают реальной нанометровой шкалы. Многослойные слои BCN/BN используются в качестве системы связи между пленками TiN и c-BN. С учетом этого на Si (100) были спроектированы и осаждены многослойные пленки TiN[BCN/BN]n/c-BN с общей толщиной 3 мкм, и стальные подложки AISI 4140 с двухслойными периодами (Λ) в широком диапазоне, от нанометров до сотен нанометров, для изучения микроструктурной эволюции с уменьшением толщины двухслойных слоев и связанных с ними электрохимических свойств.
В результате проведения опыта получили инфракрасный спектр покрытия [BCN/BN]1/c-BN, нанесенный на Si (100), который изображен на рисунке 1. Спектр представляет собой интенсивную функцию поглощения, расположенную приблизительно на 1400 см-1. Эта полоса возникает из-за колебаний решетчатой структуры h-BN [16]. Пик около 1100 см-1 может быть связан с Sp3 B-N(c-BN) [17].
Полоса около 740 см-1, скорее всего, связана с графитоподобным гексагональным нитридом бора (gh-BN). Пики, центрированные при 849 см-1 и 1000 см-1, могут быть связаны с C-H, а карбид бора (B4C, B-C) связан с колебаниями несопряженных алкенов и азометамических групп соответственно [18]. Линия C-H становится возможной из-за загрязнения углеводородами, которые возникают из-за воздействия окружающей среды. Кубические и гексагональные микродомены были получены в нитридных покрытиях при 300 °С и потоке азота 3,7 см3/мин, хотя для сравнения их присутствия в В можно было бы использовать некоторые ИК-материалы с Sp3-подобной (кубической BN) B-C-,C-N- и c-BN связью. Поскольку однозначно определены трехмерные связи атомов B, C и N, можно заключить, что аморфные покрытия B-C-N составлены преимущественно из кубических c-BN-подобных и гексагонально-BN-подобных простых микродоменов. Результаты хорошо согласуются с другими спектрами Фурье, полученными для материалов B-C-N, gh-BN и h-BN, нанесенных через физические процессы [19].
Рисунок 1. Фурье-спектроскопия для пленки [BCN/BN]1/c-BN, выращенной на фазе отрицательного напряжения смещения -100 В
Спектр съемки XPS для покрытия TiN[BCN/BN]1/c-BN показан на рисунке 2. Пики при 532,8 эВ, 457,6 эВ, 399,3 эВ, 284,2 эВ и 192,1 эВ соответствуют O1s, Ti2p, N1s, C1s и B1s, соответственно. Изменение энергии связи по сравнению с TiN и c-BN обусловлено образованим тройного соединения B (C, N), а не композита TiN и c-BN. Расчет площадей пиков без учета TiN и c-BN дает атомное отношение B:C:N = 0,219:0,499:0,257, что аналогично стехиометрии B0,24 C0,50 N0,26 [20].
Рисунок 2. XPS-спектр покрытий Ti-C-N, нанесенных на Si на фазе отрицательного напряжения смещения -100 В
На основании полученных результатов, можно сделать следующие выводы.
Многослойные покрытия TiN[BCN/BN]n/c-BN были успешно получены при помощи магнетронного распыления с двухслойными периодами от 2 до 80 нм. Результаты Фурье- и XPS-спектроскопии показывают стехиометрический BCN с наличием c-BN. Исследование показало, что двуслойный период (Λ) и двухслойное число (n) оказывают заметное влияние на электрохимическую природу всех покрытий. В ходе эксперимента было установлено, что многослойные покрытия с n = 25, Λ = 80 нм улучшают коррозионные свойства, увеличивая антикоррозионную стойкость от 0,67 кОм·см2 - для непокрытой стали 4140 и 10,10 кОм·см2 - для многослойного материала с n = 25. А так же было установлено снижение скорости коррозии:
- от 18,51 мм в год - для непокрытой стали 4140;
- до 6,62 мм в год - для покрытия, выращенного с n = 1, Λ = 2 мкм;
- до 0,22 мм в год - для многослойных покрытий, выращенных с помощью n = 25, Λ = 80 нм.
Список литературы:
- J. Romero, J. Esteve, A. Lousa, Surf. Coat. Technol. 188 (2004) 338.
- L. Yate, J.C. Caicedo, A. HurtadoMacias, F.J. Espinoza-Beltrán, G. Zambrano, J. Muñoz-Saldaña, P. Prieto, Surf. Coat. Technol. 203 (2009) 1904.
- J.E. Sanchéz, O.M. Sanchéz, L. Ipaz, W. Aperador, J.C. Caicedo, C. Amaya, M.A. Hernández Landaverde, F. Espinoza Beltran, J. Muñoz-Saldaña, G. Zambrano, Appl. Surf. Sci. 256 (2010) 2380.
- J.C. Caicedo, C. Amaya, L. Yate, W. Aperador, G. Zambrano, M.E. Gómez, J. Alvarado-Rivera, J. Muñoz-Saldaña, P. Prieto, Appl. Surf. Sci. 256 (2010) 2876.
- M. Grizalez, E. Martínez, J.C. Caicedo, J. Heiras, P. Prieto, Microelectron. J. 39 (2008) 1308.
- J.S. Koehler, Phys. Rev. B 2 (1970) 547.
- X. Chu, S.A. Barnett, J. Appl. Phys. 77 (1995) 4403.
- Philip C. Yashar, William D. Sproul, Vacuum 55 (1999) 179.
- U. Helmersson, S. Todorova, S.A. Barnett, J.E. Sundgren, L.C. Markert, J.E. Greene, J. Appl. Phys. 62 (2) (1987) 481.
- P.V. Nazarenko, A.G. Molyar, I.E. Polishchuk, O.G. Yachinskaya, A.A. Il'in, Met. Sci. Heat Treat. 32 (4) (1990) 305.
- J.C. Caicedo, C. Amaya, L. Yate, O. Nos, M.E. Gómez, P. Prieto, Mater. Sci. Eng., B 171 (2010) 56.
- C. Morant, D. Cáceres, J.M. Sanz, E. Elizalde, Diamond Relat. Mater.16 (2007) 1441.
- G. Bejarano, J.C. Caicedo, P. Prieto, A.G. Balogh, Phys. Stat. Sol. (C) 4–11, (2007) 4282–4287.
- X. Chu, S.A. Barnett, J. Appl. Phys. 77 (1995) 4403.
- M. Murakawa, S. Watanabe, S. Miyake, Mater. Sci. Eng., A 140 (1991) 753.
- A. Weber, U. Bringmann, R. Nikulski, C.-P. Klages, Diamond Relat. Mater.2 (1993) 201.
- S. Noyan Dilek, H.Ö. Özbelge, N.A. Sezgi, T. Dou, Ind. Eng. Chem. Res. 40 (3) (2001) 751.
- C. Zhuang, J. Zhao, F. Jia, C. Guan, Z. Wu, Y. Bai, X. Jiang, Surf. Coat. Technol. 204 (2009) 713.
Оставить комментарий