Особенности формирования структуры и свойств вакуумно-дуговых покрытий при использовании композитных порошковых катодных материалов на основе титана

В настоящие время произведено разные методы нанесения ионно плазменных покрытий. Метод вакуумно-дуговые напыления считается наиболее перспективный и распространенный. Вакуумно-дуговые напыления позволяет контролировать свойством, составом и структурой покрытый за счет изменения технологических параметров (парциальное давления реакционного газа, температура подложки, напряжение смещения и др). Основной целю диссертации является разработка технологических основ изготовления спеченных порошковых катодов для вакуумно-дугового синтеза нитридных покрытий с нанокристаллической структурой. В качестве исследуемых объекта выбрал?и система титан-кремний.

Введение
Актуальность темы диссертации …………………………………………………………………… 9
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………….. 12
1.1 Общие понятия порошковой металлургии ………………………………………………. 12
1.2 Основы физики спекания двухкомпонентых систем ……………………………….. 13
1.3 Наноструктурные композиционные покрытия (свойства и методы
получения)…………………………………………………………………………………………………… 17
1.3.1 Твёрдые износотойкие покрытия – основные направления развития ……. 17
1.3.2 Современные методы получения износостойких покрытий ………………… 18
1.3.3. Влияние различных элементов на свойства покрытий ………………………… 23
2. Материалы, методы и оборудование. ……………………………………………………. 26
2.1. Использованные материалы ………………………………………………………………… 26
2.2. Изготовление композитных катодов ……………………………………………………. 28
2.3 Оборудование и методы нанесения покрытий ……………………………………….. 30
3. Результаты исследования ………………………………………………………………………… 34
3.1 Объемные изменения и структурные преврашения при спекании
порошковых смесей Ti-Si …………………………………………………………………………….. 34
3.2 Спекание порошковых композиций титан-силицид Ti5 Si3 ………………………. 36
3.3 Эффект обеденения кремнием покрытий полученных вакуумно-дуговым
распылением катодов титан кремний …………………………………………………………. 38
3.4 Фазовый состав , структура и свойства вакуумно-дуговых покрытий
(Ti,Si)N ……………………………………………………………………………………………………….. 42
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективност и ресурсосбережение …… 49
4.1.1 Потенциальные потрибители результатов исследования ……………………… 49
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………..50
4.1.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………… 51
4.2 Организация и планирование работ ………………………………………………………. 53
4.2.1 Определение трудоёмкости выпольнения работ………………………53
4.2.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта …………………………………… 59
4.2.3 Расчет затрат на материалы …………………………………………………………….. 59
4.2.4 Расчет затрат на оборудование ……………………………………………………….. 60
4.2.5 Расчет зароботной платы ………………………………………………………………….. 61
4.2.6 Расчет затрат на социальный налог ……………………………………………………. 62
4.2.7 Расчет затрат на электроэнергию …………………………………………………….. 62
4.2.8 Расчет прочих расходов ……………………………………………………………………. 64
4.2.9 Расчет обший себестоимости разработки …………………………………………. 64
4.2.10 Расчет прибыли …………………………………………………………………………… 64
5 Социальная безопасность …………………………………………………………………………. 68
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …………. 68
5.2 Производственная безопастность ……………………………………………………………. 71
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………………… 73
5.2.2 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия опаасных и
вредных факторов на исследователья …………………………………………………………… 79
5.3 Экологические безопасность …………………………………………………………………. 82
5.4 Безопасност в рчезвучайных ситиуциях ………………………………………………….. 84
Заключение ………………………………………………………………………………………………… 88
Список использованных источников …………………………………………………………… 89
ПРИЛОЖЕНИЕ А ……………………………………………………………………………………….. 97

1.Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и
металлургии волокна. – М.: Металлургия, 1972 – 336 с
2.Пинес Б.Я. О спекании (в твердой фазе). Порошковая металлургия,
2006 №5/6 102-108.
3.Гегузин Я.Е. Физика спекания.-М:Наука,1967.-360 с
4.ФедорченкоИ.М,АндриевскийР.А..Основыпорошковой
металлургии. Изд-во АН УССР, Киев,1963, с.420.
5.Скороход В.В., Солонин С.М.. Физико – металлургические основы
спекания порошков. – М:Металлургия,1984. – 159с.
6.Андриевский Р.А.. Введение в порошковую металлургию.// Изд-во
Илим.Фрунзе 1988.
7.ВолосоваМ.А..Повышениестойкостибыстрорежущего
инструментазасчетвакуумно-плазменнойповерхностнойобработки.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических
наук. – М.: Изд. центр МГТУ «Станкин», 2003.
8.Царьков С.М. Износостойкие покрытия на твердых сплавах //
Материаловедение. – 1997. – №8-9. – С.53-54.
9.Ljungcrantz H., Engstrom C., Hultman L. e.a. Nanoindenatation
hardness,abrasive wear, and microstructure of TiN/NbN polycrystalline
nanostructured multilayer films grown by reactive magnetron sputtering // J.Vac. Sci.
Techn. -1998. – V.5. – P.3104-3113.
10. Junhua X., Geyang L., Minguan G. The microstructure and mechanical
properties of TaN/TiN and TaWN/TiN superlattice films // Thin Solid Films. – 2000.
V.-370. – P.45-49.
11. Thomas G.J., Siegel R.W., Eastman J.F. Grain boundaries in nanophase
palladium: High resolution electron microscopy and image simulation // Scripta
met.mater. – 1990. – V.24. – P.201-206.
12. Shtansky D.V., Tsuda O., Ikuhara Y. e.a. Crystallography and Structural
Evolution of Cubic Boron Nitrade Films During Bias Sputter Deposition // Acta
mater. – 2000. –V.48. – P.3745-3759.
13. Штанский Д.В., Левашов Е.А., Шевейко А.Н. и др. Состав,
структураисвойстваTi-Al-B-Nпокрытий,полученныхвакуумным
реактивным распылением СВС-мишеней// Цветные металлы. – 2000. Т.4. –
С.116-120.
14. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в
ультродисперсных средах. –М.: Наука, 1984. 224 c.
15. GleiterH.Materialswithmicrostructures:Retrospectivesand
perspectives // Nanostruct Mater. – 1992. V.1. – №1. –P.1-19.
16. Siegel R.W. What do we really know about atomic-scale structures of
nanophase materials? // Journal of Physics and Chemistry of Solid. – 1994. – V.55. –
№10. – P.1097.
17. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы,
полученные интенсивной пластической деформацией. – М.: Логос, 2000. 272 c.
18. Lijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon // Nature. – 1991. –
V.354.
19. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и
свойства. – Екатеринбург: УрОРАН, 1998. 199 c.
20. СидороваЕ.Н.,ДзидзигуриЭ.Л.,ЛевинаВ.В.идр.
Сплавообразование в ультрадисперсных порошках системы железо-никель//
Материаловедение. – 2001. -№9. С.47-52.
21. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные
проблемы // Рос.Хим. Ж. – 2002. – Т. XLVI. -№5. – С.50-56.
22. Veprec S.J. The search for novel, superhard materials // J.Vac. Sci.
Techn. – 1999. – V.5. – P.2401-2418.
23. Veprec S., Argon A.S. Towards the understanding of the mechanical
properties of super- and ultrahard nanocomposites// J.Vac. Sci. Techn. B. – 2002. –
V.20. – №2. – P.650-664.
24. Veprec S., Nesladek P., Niederhofer A. e.a. Recent progress in the
superhardnanocrystallinecomposites:towardstheirindustrializationfnd
understanding of the origin of the superhardness // Surf.Coat.Techn. – 1998. – V.108-
109. – P.138-143.
25. Andrievsky R.A., Kalinnikov G.V. Physical-mechanical and physical
properties of thin nanostructured boride/nitride films // Surf.Coat. Techn. – 2001. –
V.142-144. – P. 573-578.
26. Musil J., KunC F., Zeman H. e.a. Relationships between hardness,
Young`s modulus and elastic recovery in hard nanocomposite coatings // Surf. Coat.
Techn. – 2002. – V.154.- P.304-313.
27. Rebholz C., Leyland A., Mztthews A. Deposition and characterization of
TiAlBN coatings prodused by direct electron-beam evappration o Ti and Ti-Al-B-N
material from a twin crucible source // Thin Solid Films. -1999. – V.343-344. –
p.242-245.
28. Bunshah R.F., Nimmagadda R., Dunford W. e.a. Structure and properties
of refractory compounds deposited by electron beam evaporation// Thin Solid Films.
-1978.- V.54. – p.85-106.
29. Andrievski R.A. Review. Films of interstitial phases: synthesis and
properties// Journal of materials science. – 1997. – V.32. – p.4463-4484.
30. Suda Y., Nakazono T., Ebihara K. e.a. Effects of r.f. bias on cubic BN
films synthesis by pulsed Nd: YAG laser deposition // Thin Solid Films. – 1996. –
V.281-282. P.324-326.
31. Riviere J.R. Formation of hard coatings for tribological and corrosion
protection by dynamic ion mixing// Surf.Coat.Techn. – 1998. –V.108-109. P.276-
283.
32. Matsumoro A., Muramatsu M., Takahashi Y. e.a. Syntesis of Ti-N thin
films prepared by dynamic ion mixing technique and their mechanical properties//
Thin Solid Films. – 1999. – V.349. – p.199-204.
33. Richthofen A.V., Cremer R., Domnick R e.a. Preparation of
polycrystalline Ti-Al-O films by magnetron sputtering ion plating: constitution,
structure and morphology// Journal of Analytical Chemistry. – 1997. – V.358. –
p.308-311
34. Белянин А.Ф., Одинцов М.А., Сушенцов Н.И. и др. Получение
пленок AlN реактивным ВЧ магнетронным распылением // Материалы V
международной научно-технической конференции «Высокие технологии в
промышленности России». – Международная академия информатизации, 1999.
– С.181-183
35. Андреев А.А, Саблев Л.П., Шулаев В.М., Григорьев С.Н..
Вакуумно-дуговые устройства и покрытия. Под ред. Неклюдова И.М., Шулаева
В. М. Харьков, 2005. 240с
36. Аксенов И.И. Вакуумная дуга в эрозивных источниках плазмы. Под
ред. И.М.Неклюдова, В. М. Шулаева. Харьков, 2005. 216с
37. Mahan J.E. Physical vapor deposition of thin films: John Wiley & Sons,
2000
38. РешетнякЕ.Н.,СтрельницкийВ.Е..Синтезупрочняющих
наноструктурных покрытий. Вопросы атомной науки и техники,№2,2008, с.119-
130
39. Martin P.J., Bendavid A.. Properties of Ti1-xSixNy films deposited by
concurrent cathodic arc evaporation and magnetron sputtering //Surf. and Coat.
Technol. 2003, v. 163-164, p. 245–250
40. Shtansy D.V., Tsuda O., Ikuhara Y. e.a. Crystallography and Structural
Evolution of Cubic Boron Nitride Films During Bias Sputter Deposition// Acta mater.
– 2000. V.48.- P.3745-3759
41. Schintlmeister W., Packer O., Raine T. Wear characteristics of hard
material coatings produced by chemical vapour deposition with particular reference
to machining// Wear. – 1978. – V.48. – P.251-266
42. Csorbai H., Kovats A., Katai S. e.a. In situ diagnosis of chemical species
for the growth of carbon nanotubes in microwave plasma-enchanced chemical vapor
deposition // Diamond and Related Materials. – 2002. – V.11. – p.519-522.
43. WangW.L.,LiaoK.J.,WangS.X.e.a.Nicrostructureand
semiconducting properties of c-BN films using r.f. plasma CVD thermally assited by
a tungsten filament// Thin Solid Films. – 2000. – V.368. P.283-286
44. Kuhr M., Reinke S., Kulich W. Nucleation od cubic boron nitride (c-BN)
with ion-induced plasma-enhanced CVD// Diamond and Related Materials. – 1995. –
V.4. – P.375-380.
45. Lee E.-A., Kim K.H. Deposition and mechanical properties of Ti-Si-N
coated layer on WC-Co by RF inductively coupled plasma-enhanced chemical vapor
deposition// Thin solid films. – 2002. – V.420. –P.371-376.
46. Karvankova P., Veprek-Heijman M.G.J., Zindulka O. e.a. Superharf nc-
TiN/a-BN and nc-TiN/a-TiBx/a-BN coatings prepared by plasma CVD an PVD: a
comparative study of their properties// Surf.Coat.Teachn. – 2003. V.163-164. –P.149-
156.
47. Mitterer C., Holler F., Reitberger D. e.a. Industrial applications of
PACVD hard coatings //Surf.Coat.Techn. – 2003. V. 163-164. –P.716-722.
48. Veprek S., Jilek M. Super- and ultrahard nanocomposite coatings:
generetic concept for their preparation, properties and industrial applications //
Vacuum. – 2002. – V.67. – P.443-449.
49. Musil J., Veprek J.. Magnetron sputtering of hard nanocomposite
coatings and their properties// Surf. Coat. Techn. 2001, v.142-144, p.557-566.
50. Musil J. Hard and superhard nanocomposite coatings// Surf. Coat. Techn.
2000, v.268, p.322-330.
51. Veprek S., Reiprich S. A concept for design of novel superhard coatings//
Thin Solid Films. 1995, v.268, p.64-71.
52. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationship in
single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surf. Coat. Techn. 2003, v.174-
175, p.725-731.
53. Mayrhofer P.H., Willmann H., Mitterer C. Recrystallisation and grain
growth of nanocomposite Ti-B-N coatings// Thin Solid Films. 2003, v.440, p.174-179.
54. He J.L., Sethuhara Y., Shimuzu I., Miyake S.. Structure refinement and
hardness enhacement of titanium nitride films by additional of copper// Surf. Coat.
Techn. 2001, v.137, p.38-42.
55. Myung H.S., Lee H.M., Shaginyan L.R., Han J.G.. Microstructure and
mechanical properties of Cu doped TiN superhard nanocomposite coatings// Surf.
Coat Techn. 2003, v.163-164, p.591-596.
56. Musil J., Zeman P., Hruby H., Mayrhofer P.H.. ZrN/Cu nanocomposite
film – a novel superhard material // Surf. Coat. Techn. 1999, v.120-121, p.179-183
57. Musil J., Vicek J., Zeman P.. Morfology and microstructure of hard and
superhard Zr-Cu-N nanocomposite coatings// Japan Journal of Applied Physics. 2002,
v.41, part 1, N 11A, p.6569-6533.
58. Musil J., Hruby H., Zeman P. et.al. Hard and superhard nanocomposite
Al-Cu-N Films prepared by magnetron sputtering// Surf. Coat. Techn. 2001, v.142-
144, p.603-609.
59. Polonsky I.A., Chang T.P., Keer L.M. e.a. An analysis of the effect of
hard coatings on near-surface rolling contact fatigue initiation induced by surface
roughness // Wear. – 1997 – V.208. – P.204-219
60. Polonsky I.A., Chang T.P., Keer L.M. e.a. A study of rolling-contact
fatigue of bearing steel coated with physical vapor deposition TiN films: Coating
response to cyclic contact stress and physical mechanisms underlying coating effect
on the fatigue life // Wear. – 1998. V.215. – P.191-204
61. Chen Y.-H., Lee K.W., Chiou W.-A. e.a. Synthesis and structure of
smooth, superhard TiN/SiNx multilayer coatings with an equiaxed microstructure
//Surf. Coat. Techn. – 2001. – V.146-147. –P.209-214.
62. Oc-Nam Park, J. H. Park, S.-Y. Yoon, Mi-Hye Lee, K. Ho Kim,
Tribological behavior of Ti-Si-N coating layers prepared by a hybrid system of arc
ion plating and sputtering techniques.// Surf.Coat.Techn 179, 83-88 (2004).
63. Ye Xu, Liuhe Li., Xun Cai, Paul K. Chu. Hard nanocomposite Ti-Si-N
films prepared by DC reactive magnetron sputtering using Ti-Si mosaic target.
Sur.Coat. Techn, 201, 6824-6827 (2007).
64. Diserens M., Patscheider J., Levy F. Improving the properties of titanium
nitride by incorporation of silicon // Surf. Coat. Techn. – 1998. –V.108-109. – P.241-
246.
65. Hu X., Han Z., Li G. e.a. Microstructure and properties of Ti-Si-N
nanocomposite films // J. Vac. Sci. Nechnol. A. – 2002. – V.20. -№6. –P. 1921-1926.
66. Watanable H., Sato Y., Nie C. e.a. The mechanical properties and
microstructure of Ti-Si-N nanocomposite films by ion plating // Surf. Coat.Techn. –
2003. V. -169-170. – P.452-455
67. Veprek S., Argon A.S. Towards the understanding of the mechanical
properties of super- and ultrahard nanocomposites // J.Vac.Sci. Technol. B. – 2002.
V.20. -№2. – P. 650-664.
68. Martin P.J., Bendavid A. Properties of Ti1-xSixNy films deposited by
concurrent cathodic arc evaporation and magnetron sputtering // Surf.Coat.Techn. –
2003. –V. 163-164. – P.245-250
69. Veprek S., Haussmann M., Reiprich S. e.a. Novel thermodynamically
stable and oxidation resistant superhard coating materials // Surf. Coat. Techn. – 1996.
–V. 86-87. – P.394-401.
70. Veprek S., Reiprich S., Shizhi L., Superhard Nanocrystalline Composit
Materials: The c-TiN/a-Si3N4 System // Appl. Phys. Lett. – 1995. – V.66. – №20
71. Sun X., Reid J.S., Kolawa E. e.a. Reactivelli sputtered Ti-Si-N films I.
Physical properties // J.Appl. Phys. – 1997. V.81. – №2. – P.656-663.
72. Tsuji Y., Gasser S.M., Kolawa E. e.a. Texture of copper films on
Ta35Si18N47 and Ti33Si23N44 underlayers // Thin Solid Films. – 1999. – V.350. – P. 1-4.
73. Хороших В.М.. Капельная фаза эрозии катода стационарной
вакуумной дуги. Физическая инженерия поверхности , 2004, т. 2, № 4, с 200-213