Технические науки/ 8. Обработка материалов в машиностроении

 

1докторант PhD Платонова Е.С., 1д.т.н. Жетесова Г.С.,

2к.ф.-м.н. Юров В.М., 2магистр Гученко С.А.

 

1Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

2Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, Казахстан

 

Поверхностная энергия ионно-плазменных покрытий Zn-Cu-Al

 

Введение

Получение покрытий с заданными свойствами, которые необходимы для нормального функционирования изделий в процессе их эксплуатации, всегда было насущной проблемой практического материаловедения. К числу свойств изделий, для которых важно состояние поверхности относятся: трибологические, коррозионная стойкость, износостойкость и др.

При работе различных машин и механизмов во многих случаях основную роль играет поверхность металла и физико-химические процессы на его поверхности. Одной из основных характеристик, определяющей свойства поверхности, тонких пленок и покрытий, является их поверхностная энергия или поверхностное натяжение.

Определение поверхностного натяжения твердого тела представляет собой сложную задачу, поскольку атомы (молекулы) поверхности неподвижны. Исключение составляет пластическое течение чистых металлов при температуре, близкой к температуре плавления. Обзор методов определения поверхностного натяжения твердых тел дан в работах [1-4].

 

Методика эксперимента

В настоящей работе покрытия Zn-Cu-Al наносились на стальную подложку площадью 1 см2 ионно-плазменным методом на установке ННВ-6.6 И1 с использованием композиционных катодов. Количественный анализ элементного состава покрытий проводился на электронном микроскопе JEOL JSM-5910. Результаты расчета стехиометрии дали следующий результат: Zn0,59Cu0,01Al0,40. Для исследования структуры покрытий в наномасштабе использовался атомно-силовой микроскоп (АСМ) NT-206. Поверхностное натяжение (энергия) для покрытий Zn-Cu-Al определялось по методике, описанной нами в работе [5].

 

Результаты эксперимента и их обсуждение

Структура покрытия Zn-Cu-Al, полученная на атомно-силовом микроскопе, показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структура покрытия Zn0,59Cu0,01Al0,40

Микроструктуру однофазных пленок качественно хорошо можно описать с помощью модели, предложенной в работе [6]. Однако для многофазных покрытий эта модель непригодна. Примеси останавливают рост зерна и стимулируют новое зародышеобразование. Это явление приводит, как правило, к формированию глобулярной структуры (рисунок 1). Этот факт описывает модель, которая была развита в работе [7].

Среднее значение величины поверхностного натяжения, полученное обоими методами, оказалось равным: σZn-Cu-Al = 0, 351 Дж/м2. Поверхностная энергия Гиббса G = σ·S (S - площадь поверхности покрытия) в случае идеальных твердых растворов является величиной аддитивной, поэтому должно выполняться соотношение:

                                                           

Используя данные из работы [4] для чистых металлов σZn, σСu и σAl, получаем σZn-Cu-Al = = 0, 412 Дж/м2. Экспериментальное и теоретическое значения для покрытий Zn0,59Cu0,01Al0,40 оказались близки между собой в пределах ошибки эксперимента: (σZn-Cu-Al.≈ 0,4 Дж/м2).

 

Выводы

Полученный результат позволяет сделать следующий важный вывод: используя свойство аддитивности поверхностного натяжения, можно подбирать компоненты покрытия так, чтобы уменьшать или увеличивать поверхностное натяжение покрытия по сравнению с чистыми металлами.

Литература

1        Gilman J.P. Direct Measurements of the surface energies of crystals // J. Appl. Phys., 1960. - V. 31. - № 2. - P. 2208-2216.

2        Гохштейн А.Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. - М.: Наука, 1976. - 256 с.

3        Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008. - 508 с.

4        Юров В.М., Портнов В.С., Лауринас В.Ч. и др. Размерные эффекты и физические свойства малых частиц и тонких пленок. - Караганда: Изд-во Казахстанско-Российского ун-та, 2013. - 116 с.

5        Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А., Завацкая О.Н. Поверхностное натяжение упрочняющих покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия, 2014. - № 1. - С. 33-36.

6        Thornton J.A. Structure and topography of sputtering coatings // Ann. Rev. Material Sci.-1977.-Vol. 7. - P. 239-260.

7        Barna P.B., Adamik M. Formation and Characterization of the structure of surface coating // In Protective Coatings end Thin Films. Edited Pfleau Y., Barna P.B.-1977.-Kluwer Academic, Dortrecht, The Netherlands. - P.279-297.