Politechnika Koszalińska Międzyzdroje - Kopenhaga Właściwości azotku molibdenu otrzymanego metodą katodowego odparowania łukowego Adam Gilewicz, Bogdan Warcholiński, Dawid Murzyński 3.2. Skład chemiczny powłok 100 100 molibden azot 80 60 40 20 0 50 100 Intensywność względna -Mo2N (111) -Mo2N (200) -Mo2N (220) -Mo2N (311) 4 Fe (110) Fe (200) Fe (211) Fe (220) pN =3,0 Pa 2 3 pN =1,8 Pa 2 2 pN =1,0 Pa 2 Mo (110) Mo (220) 5 Intensywność względna MoN (200) MoN (222) 5 -Mo2N (111) -Mo2N (200) -Mo2N (311) Fe (110) Fe (200) Fe (211) Fe (220) 4 40 20 150 200 0,5 250 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Ciśnienie azotu [P] Ujemne napięcie polaryzacji podłoża [V] Zmiana składu chemicznego powłok Mo-N nanoszonych przy ciśnieniu cząstkowym azotu 1,8 Pa w zależności od napięcia polaryzacji podłoża Zmiana składu chemicznego powłok Mo-N nanoszonych przy napięciu polaryzacji podłoża -70 V w zależności od ciśnienia azotu w komorze roboczej 3.3. Chropowatość powierzchni powłok Chropowatość Ra [ m] 3.1. Struktura i skład fazowy powłok 60 0 Napięcie polaryzacji podłoża -10 V -70 V -150 V -250 V 0,12 3. WYNIKI BADAŃ Badania wykonano na próbkach z powłokami o grubości 2,2 0,2 μm. Określano strukturę oraz skład fazowy i chemiczny powłok, a także jakość ich powierzchni – chropowatość i gęstość powierzchniową makrocząstek. 80 0 0,14 2.2 Metody badawcze struktura warstw – dyfrakcja rentgenowskiej (Co-Kα), skład atomowy otrzymanych warstw – metoda EDX i WDX, chropowatość powierzchni – profilograf Hommel Werke T8000, rozkładu wielkości makrocząstek na powierzchni powłok – mikroskop metalograficzny Nikon® Eclipse MA200 z oprogramowaniem Imaging Software NIS-Elements. molibden azot Udział pierwiastka w powłoce [%] Udział pierwiastka w powłoce [%] 1. WPROWADZENIE Struktura fazowa powłok Mo-N silnie zależy od parametrów technologicznych ich nakładania, głównie od ciśnienia azotu w komorze roboczej i napięcia polaryzacji podłoża. Wzrost ciśnienia azotu powoduje zmianę struktury fazowej z sieci regularnej przestrzennie centrowanej molibdenu Mo, poprzez fazy tetragonalne ściennie centrowane -Mo2N, ’-Mo2N, ’’-Mo2N, regularną γ-Mo2N do heksagonalnej δ-MoN. Ze względu na różne struktury sieci krystalograficznej charakteryzują się one różnymi właściwościami fizycznymi. Dobre właściwości tribologiczne: niski wskaźnik zużycia i współczynnik tarcia w połączeniu z wysoką twardością i dobrą przyczepnością do podłoża czyni z nich dobrego kandydata do zastosowań tribologicznych. Utlenianie azotku molibdenu do warstwowego tlenku molibdenu MoO3 umożliwia ich wykorzystanie jako powłoki samosmarowe w węzłach tribologicznych pracujących w wysokich temperaturach. . 2. PREPARATYKA PRÓBEK I METODY BADAWCZE 2.1. Technologia Wieloźródłowy układ PVD → katodowe odparowanie łukowe, podłoża – HS6-5-2, hartowane, szlifowane i polerowane do Ra ~ 0,02 m, czyszczenie podłoży – chemicznie i trawienie jonami metalu w próżni 0,5 Pa Ar, napięcie polaryzacji – 600V, czas 10 min, grzanie podłoży do 300 ˚C, gaz reakcyjny: azot, ciśnienie 0,6 3,0 Pa, napięcia polaryzacji podłoża: -10 V, -70 V, -150 V, -250 V, prąd łuku: 140 A. 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Ciśnienie cząstkowe azotu [Pa] Chropowatość Ra powierzchni powłok Mo-N dla różnych napięć polaryzacji podłoża w zależności od ciśnienia cząstkowego azotu w komorze roboczej. 3.4. Gęstość powierzchniowa makrocząstek. UB = -250 V 3 UB = -150 V 2 UB = -70 V 1 1 UB = -10 V pN =0,6 Pa 2 0 40 60 80 0 100 40 120 60 0 Kąt dyfrakcji 2 Kąt dyfrakcji 2 [ ] MoN+Mo2N MoN+Mo2N Ciśnienie cząstkowe azotu [Pa] 100 120 0 [] Dyfraktogramy powłok Mo-N nanoszonych przy różnych napięciach polaryzacji podłoża i ciśnieniu cząstkowym azotu 0,6 Pa Dyfraktogramy powłok Mo-N nanoszonych przy napięciu polaryzacji podłoża równym -70 V i różnych ciśnieniach cząstkowych azotu 3,0 80 Mo2N MoN+Mo2N 2,5 Procentowy udział makrocząstek na powierzchni powłok Mo-N w zależności od napięcia polaryzacji podłoża i ciśnienia azotu 4. PODSUMOWANIE Cienkie powłoki Mo-N wytworzono metodą katodowego odparowania łukowego. Możliwe jest wytworzenie dwóch różnych faz Mo-N charakteryzujących się różnymi strukturami krystalograficznymi: regularnej γ-Mo2N i heksagonalnej δ-MoN w zależności od doboru parametrów technologicznych. Przy niskich ciśnieniach azotu w komorze roboczej powstaje regularny azotek molibdenu. Wzrost ciśnienia azotu sprzyja powstawaniu fazy heksagonalnej. 2,0 Mo2N Mo2N Mo2N Mo2N W przeciwieństwie do ciśnienia azotu, regularna faza γ-Mo2N powstaje przy wyższych napięciach polaryzacji podłoża. Przyspieszone jony uderzając o powierzchnię powłoki zwiększają jej temperaturę i aktywują proces tworzenia się regularnego azotku molibdenu. Mo2N Mo2N Mo2N Mo2N + Mo Mo2N Mo2N Wzrost napięcia polaryzacji podłoża, tak jak i wzrost ciśnienia cząstkowego azotu powoduje zwiększenie stałej sieci krystalicznej powłok. 1,5 1,0 0,5 Mo2N + Mo Mo2N + Mo Wzrost napięcia polaryzacji podłoża sprzyja powstawaniu powłok o niskiej chropowatości. 0,0 0 50 100 150 200 250 Ujemne napięcie polaryzacji podłoża [V] Tablica stabilności faz układu Mo-N przy różnych napięciach polaryzacji podłoża i ciśnieniach cząstkowych azotu Badania współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013