Проведено исследование покрытия из нитрида титана (TiN), нанесенного методом ионно-плазменного напыления на подготовленную поверхность образца стали 40Х. Для измерения толщины покрытия часть поверхности закрывалась маской из медной фольги. Свойства и характерные особенности микрорельефа поверхности образца до и после нанесения покрытия исследовались с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Описана и применена методика определения толщины покрытия с высокой точностью на основе результатов АСМ сканирования переходной между подложкой и покрытием зоны на поверхности образца. Вычисленная неопределенность измеренного значения толщины значительно меньше, чем при использовании других методов. Методом инструментального индентирования измерены механические свойства покрытия; показана важность точного определения толщины для корректного измерения характеристик покрытия методом индентирования.
шероховатость, твердость, модуль Юнга, измерение толщины покрытия, инструментальное индентирование, сканирующая зондовая микроскопия.
Использование твердых покрытий в различных отраслях современной промышленности позволяет в значительной степени повысить прочностные, функциональные и трибологические характеристики изготавливаемых изделий, что способствует увеличению срока их эксплуатации. Нитрид титана (TiN) широко используется как материал для износостойких, коррозионностойких, защитно-декоративных покрытий, диффузионных барьеров в электронике, тонких пленок электромеханических систем и т. д. Это обусловлено высокими значениями прочностных характеристик нитрида титана, его химической стабильностью, низким коэффициентом трения, высоким сопротивлением коррозии и износостойкостью, а также высокой термостабильностью и адгезией нитрида титана к подложке [1, 2]. Биологическая совместимость нитрида титана позволяет применять его в ортопедии и ортопедической стоматологии. Функциональные свойства покрытий TiN, как и любых других покрытий, в значительной степени определяются их микроструктурой [3], именно поэтому активно исследуется структура подобных покрытий, её зависимость от условий нанесения [4–6], а также толщина полученного покрытия. Известны различные методы определения толщины покрытий (группа магнитных методов, ультразвуковой, радиационный, оптический, емкостный, вихретоковый методы [7], использование направленных волн [8] и другие). Однако, точность их невысока в сравнении с вертикальным разрешением современных сканирующих зондовых микроскопов.
Целью настоящего исследования является изучение структуры и особенностей микрогеометрии покрытия TiN на подложке из стали 40Х, определение его толщины с высокой точностью при помощи сканирующего зондового микроскопа, а также определение механических свойств покрытия при помощи техники инструментального индентирования. Подготовка образца для исследования и эксперименты проводились на оборудовании РЦКП НОЦ «Материалы» ДГТУ.
1. Zhang, S. TiN coating of tool steels: a review / S. Zhang, W. Zhu // Journal of Materials Processing Technology. - 1993. - Vol. 39. - P. 165-177.
2. Кудряков, О. В. Комплексная индент-диагностика металлокерамических нанокомпозиционных покрытий / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2014. - Т. 80, № 11. - С. 48-53.
3. Наноструктурные и нанокомпозитные сверхтвердые покрытия / А. Д. Коротаев [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2005. - Т. 8, № 5. - С. 103-116.
4. Hainsworth, S. V. The effect of the substrate on the mechanical properties of TiN coatings / S. V. Hainsworth, W.C. Soh // Surface and Coatings Technology. - 2003. - Vol. 163-164. - P. 515-520.
5. Titanium nitride/vanadium nitride alloy coatings: mechanical properties and adhesion characteristics / B. A. Latella [et al.] // Surface and Coatings Technology. - 2006. - Vol. 200. - P. 3605- 3611.
6. Влияние давления азота при осаждении сверхтвердых TiN покрытий на их свойства / А. А. Андреев [и др.] // Физическая инженерия поверхности. - 2007. - Т. 5, № 3-4. - С. 203-206.
7. Состояние методов и средств контроля толщины покрытий (обзор) / С. Н. Глоба [и др.] // Вестник НТУ «ХПИ». - 2014. - № 19 (1062). - С. 84-112.
8. Non-destructive evaluation of coating thickness using guided waves / P.-C. Ostiguy [et al.] // NDT & E International. - 2015. - Vol. 76. - P. 17-25.
9. Nečas, D. Gwyddion: an open-source software for SPM data analysis / D. Nečas, P. Klapetek // Cent. Eur. J. Phys. - 2012. - Vol. 10, iss. 1. - P. 181-188.
10. Головин, Ю. И. Наноиндентирование как средство комплексной оценки физико-механических свойств материалов в субмикрообъемах (обзор) / Ю. И. Головин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - Т. 75, № 1. - С. 45-59.
11. Bull, S. J. New developments in the modelling of the hardness and scratch adhesion of thin films / S. J. Bull, D. S. Rickerby // Surface and Coatings Technology.- 1990. - Vol. 42. - P. 149-164.
12. Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // Journal of Materials Research.- 1992. - Vol. 7, iss. 6. - P. 1564-1583.
13. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний: ГОСТ Р 8.748 - 2011 (ИСО 14577-1:2002) / Государственная система обеспечения единства измерений. - Москва : Стандартинформ, 2013. - 24 с.
