Structural Engineering of the Vacuum Arc ZrN/CrN Multilayer Coatings

(1)

C

Х

-

ыхХ

ы

Х

ZrN/CrN

г г

1,*

_,

г г

2

_,

г г

3

бХ г г

1

_,

г г

1

бХ г г

2

1 Х Х Х« »бХ гХ бХзжбХлжеезХ бХ

2 Х Х Х« »бХ гХА ябХжбХлжженХ бХ

3 Х Х яХ А Х бХ гХ бХибХеижйзХ бХ

Э Х04.02.2016; Х Х Х– 02.03.2016рХ online 15.03.2016)

Х Х Х ZrNдшrNХ Х Х Х Х Х Х Х

-Х Х Х бХ Х Х

Х ХЭ Х Х )Х Х Х Х Х Х в

Х ХЭ–Us)Х Х Х Х Х Х - Х гХ в

б Х Х Х Х Хке Х Х–Us Х Х Х Х Х ХCrN

Х Х ХZr Х Х Х Х Х бХ Х Х ХZrN Х

Х гХ Х Х Х Х Х Х в

Х Х Х Х –UsбХ Х Х - Х Х

Х Х Х Х Х Х Х гХ Х Хйз Х Х в

ХZrNдшrNХ Х Х Х ХЭзе )Х Х Х Х–Us.

ы Х : , ZrN/CrN, Х бХ бХ б

бХ бХ .

DOI: 10.21272/jnep.8(1).01042 PACS numbers: 81.07.Bc, 61.05. p,68.55.jm, 61.82.Rx

*_{[email protected]}

Х Х Х Х

Х Х Х Х Х

Х Х Х Х

Х Х Х Х Х Х в

Х Х Х Х[ж-н]гХ Х Х в

бХ Х Х Х Х Х

Х Х бХ Х в

Х Х Х гХ Х

Х Х бХ Х Х Х в

Х Х бХ Х Х в

Х Х Х Х Х[о

-жж]гХ Х Х ХХ Х

( Х Х Х Х

Х Х Х Х ) в

Х Х Х

Х ХIV (Ti, Zr)Х ХVI (Cr, Mo)Х Х

[ибХ жз]бХ Х Х Х ZrN/CrN Х

Х Х г

Х Х Х Х

Х Х Х Х Х Х

Х Х Х Х Х бХ

Х Х Х бХ Х - Х

- Х Х Х Х

Х Х Х Х Х

Х Х Х Х[1, 3]: Х

Х бХ Х Х Х Х в

Х Х Х Х г

Х Х Х Х

Х Х Х Х Х Х Х в

бХ Х Х Х Х Х в

Х г

Х Х Х Х Х Х

Х Х Х ХZrN/CrN в

Х Х бХ Х Х в

Х бХ Х Х Х Х Х Х

Х Х Х

-Х Х Х Х в

Х Х - Х Х Х

Х г

Х Х в

Х

Х Х Х в

Х CrN-ZrNХ Х Х - Х

Х« -л»Х[жз]гХ Х Х Х в

Х пХ Х Х Х в

рХ Х Х – Х Эообок%)гХ Х

Х Х Х Х ХЭCr Х

Zr)Х Х Х Х зе  20  2 Х Х Х

жз жн же .

Х Х бХ Х Х Х

Х Х Х Хн д Х Х Х

Хкйе-570, Х Х Х Х Х

Х ХжебХзебХйеХ Хжке Х Х Х Хз- Х в

Х Х Х Х Х гХ

Х Х Х Х Х

Х пХ Х Х Х Х в

Х ХжеецбХ Х ХЭ N)Х Х Х

Х Х Х же– 5…к10– 3 бХ в

Х Х Х Х Х– 250 бХ в

Х ХЭ )Х Х Х Хзке…ике°шгХ

Х Х Х 10 Х Х в

Х Х Х Х Э–Us)

Х–жзеХ Х– 150 бХ Х Х Х Х– Us.

Х Х Х

CrN-ZrNХ Х Х Х Х в

Х Х Х Х Х Х

Х Х Х

(2)

Хм Х Х Х– 1200 Х[жи]г

Х Х ХCrNХ ХZrNХ Х Х

Х ХSRIM [14].

Х бХ Х Х Х в

Х Х Х Х в

Х Э -й)Х cХ Х шu-K

-гХ Х Х Х

Х Х Х бХ

Х Х Х Х Э Х

)гХ Х Х бХ Х

Э бХ )Х Х Х Х

Х Х Х в

Х Х Х бХ Х Х в

Х Х Х гХ Х в

Х Х Х Х

іowderХщiffractionХыileгХ Х а а и и и

я и ь а и а ии [15, 16].

Х Х Х Х Х

Х Х Х Х в

ХяъOLХяSM-нйеХ ХEDX.

Ми и и ва и Х Х Х

« - »Х Х Х Х ХF  0,5 Х в

Х Х Х Х Х Х лк°бХ Х

Х Х Х Х в

Х Х Хи0 Х[жмбХжн]г

Х Х

Х Х ХZrN/CrN в

Х Х Х Х в

Х Х Х Х гХ Х г 1

Х Х Х Х Х Х бХ

Х Х Х Х гХ Х бХ

Х Х Х ХCrN Э Х )Х ХZrN Э в

Х )Х Х Х Х Х Х в

Х Х Х Х Х–

600 Х Хжз- Х ХЭ гж )Х Х Х

300 Х Хзй- ХЭ г 1 ).

Х Х Х Х Х

Х Х Х в

Х Х Х Х Х Х Х

Х Х ХшrNХ бХ Х Х

Х Х Х Х Х в

Х Х [жо]гХ Х Х

Х Х ХЭм…йн)10– 4 Х Х Х

Х Х Х ХCr2N ХCrN

Х Х Х ХЭ Х ХPN в

Х Х ХCrN)гХ Х Х

Х Х бХ Х Х Х в

бХ Х Х Х Х л-8 гХ

Х ХPNбХ Х Х Х в

Х[жжж]бХ Х Х Х Х Х в

Х бХ Х – 2,8 бХ Х Х Х

Х Х Х Х Хжк г

Х Х Х в

Х Х Х Х Х в

15-20 %гХ Х Х Х Х

0,25-0,3 %гХ Х бХ Х Х

Х Х Х в

Х Х Х Х в

Х Х Х Х[зебХзж]гХ Х

Х Х Х Х Х Х

PNЭ гзбХ Хз)гХ

г 1– Х Х Х Х Х

ХZrNдшrNХ Х Х 12 Х Х Х600

ХЭ )Х Х Х Х Х24 Х Х Х300 Э )

1E-3 20

30

2

H,

ГП

a

PN, Toрр 1

г 2– Х Х Х Х Х

ХPN: 1) –Us– 120 бХз) –Us– 120 бХ–Ui– 1200

Х бХ Х Х Х в

Х бХ Х Х

Х Э гзбХ Х ж)Х Х в

Х Хзж Х Х ХPN Х в

Х Х ХЭ Х ХCr2N)бХ Х

Х Х из Х Х Х

(Cr2N + CrN)Х Х Х Х Х

Х Х бХ Х Х Х

Х Х г

Х Х Х Х в

Х ХPN Х Х ХZrN

, Х Х ХPN Х в

(3)

Х Х[жжж]гХ Х Х Х

бХ Х Х ХCrNбХ Х Х Х

4,810– 3 Х Х Х Х в

Х Э Х жже )Х Х Х в

Х Х Х ебк%гХ Х Х Х

Х Хик г

Х Х

-Х Х Х Х Х в

Х Х бХ Х Х Х

Х Х Х Х ХPN в

гХ Х Х Х Х Х

Cr-NбХ Х Х Х Хизбжи г%Х Х

Х Х Х Х

34,88 г%Х Х Х Х Х в

гХ ХZrN Х Х Х в

Х Х пХZr – 54,83 г%бХ ХN –

45,17 г%бХ Х Х ХZrN0,78.

Х б Х Х Х

Х Х Х гХ Х

бХ Х Х Х Х Х

Х Х Х , Х Х в

- Х Х Х в

гХ Х Х ХSRюM, в

Х Х бХ Х Х Х

Х Х Х Х Х жке бХ Х

Х Х Х Х Х

Х Х–Us  – 150 бХ Х Х Х

Cr → ZrN Х Х Х Х

Х Х 0,8 бХ Х Х – 0,3 Х Х в

Х Х Х ебм д Х Э Х жеХ )гХ Х

Х Х Х Х Х бХ г гХ Х

Zr → CrN Х Х Х Х

Х Х 1 бХ Х Х– 0,5 Х Х Х

Х Х ебн д гХ Х бХ Х

Х Х Х Х Х ХCrN

Х Х Х ,

- Х Х Х Х Х Х в

бХ Х Х Х Х ХЭебжл Х ХZr

Хебжи Х ХCrN).

Х Х Х Х

Х Х - Х

Х[жжбХзебХзз].

Х Х Х Х в

Х Эsin2ψ_- )Х [жк]Х Х Х в

- Х Х Х в

Х ХZrN ХCrN Х Х

ZrN/CrN бХ Х Х Х Х Х

Х бХ Х Х Х

Х Х Х гХ Х Х Х

Э Х Х– 3 %, ги)Х Х

Х Х Х Х в

бХ Х Х Х Х Х Х

г

Х Х Х Х Х

Х Х Х бХ Х в

Х Х ХCrN ХZrN Х Х

Э гй)гХ Х Х Х Х ХCrN в

Х бХ ХZrN – гХ

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -1,5

-2,0 -2,5 -3,0

2

h,



1

-1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0



,%

г 3– Х Х Х Х Хh

Х Х Х Х ХCrN (1)

ХZrN (2)

Х бХ Х Х Х в

Х Х Х бХ Х Х Х в

гХ Х Х ХCr ХZrN Э Х

Х Х Х Х Х в

Х )Х Х Х Х Х в

Х Х бХ Х Х

Х Х Х ХZr Х ХCrN – Х в

бХ Х Х Х Х г 4.

50 100 150 200 250

0,3 0,4 0,5 0,6





h,

0,3 0,4 0,5 0,6

CrN ZrN

г 4– Х Хε Х ХZrN

ХCrN Х Х Х Х Х–Us–150 Х Х

–Ui– 0

бХ Х Х Х Х Х Х

Э Х Х –Us)Х Х Х в

Х Х Х Х Х бХ Х

Х Х Х Х в

Х Х Х Х Х

Х Х Х Х в

Х Х Х Х г Х Х

Х Х Х в

Х Х Х Хо%Х Х Х в

г

Х Х Х в

Х Х бХ Х гХ

. 5 бХ Х Х Х Х Х в

Х Х Х в

Х Х Х Х

Э Х жХ Х гк)Х Х Х Х

Х Х Х Х Э в

Х Х [жби])гХ Х Х Х Х Х

Х Х Х Х

–Us Х Х Х Х Х Х

Х Х Х Э Х з Х

(4)

Х Х Х Х Х г

0 50 100 150 200 250 300

30 32 34 36 38 40 42

H, ГП

а

h,

1

2

г 5– Х Х Х ZrN/CrN Х

Х Х Х Х Х–UsЭж)Х Х Х–Us– 150 Х (2) ( N  4,810– 3 )

Х бХ Х Х Х

Х Х Х Х Х Х

Х Х бХ Х Х Х Х

Х Х Х бХ Х Х Х

ХZr ХCrбХ Х Х Х Х Х в

Х бХ Х Х Х Х

Х Х Х гХ Х Х в

TiN/CrN Х Х Х Х Х

Х Х Х в

Х , Х Х Х Х

Х Х Х Х Х в

Х [зи], Х Х Х в

Х Х Х Х Х[111]

.

Structural Engineering of the Vacuum Arc ZrN/CrN Multilayer Coatings

O.V. Sobol



1

_{, A.A. Andreev}

2

_{, V.F. Gorban}



3

_{, A.A. Meylekhov}

1

_{, . . Postelnyk}

1

_{, V.A. Stolbovoy}

2

1_NationalХTechnicalХUniversityХ«KharkivХіolytechnicХInstitute»бХзжбХыrunzeХSt_{., 61002 Kharkiv, Ukraine} 2_{National Science Center Kharkov Institute of Physics and Technology, 1, Akademicheskaya St., 61108 Kharkov,}

Ukraine

3_{Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, 3, Krzhizhanovsky St., 03680 Kyiv, Ukraine}

For multilayer system ZrN/CrN with a large difference in the atomic weights and radiation-induced defect formation of metal components, analyzed the influence of the layer thickness (in the nanometer range) and

sup-plied during the deposition negative bias potential (–Us) on the structure and hardness of the composite vacuum

arc coating. It was established that at the layer thickness less than 50 nm supply –Us leads to an increase of

mi-crostrain in the CrN layers under bombardment by ions of Zr with a large atomic radius and the mass, and the strain relaxation is observed in layers of ZrN. The observed effects are explained by an increase in energy

depos-ited ionized particles when applying –Us, which determines the radiation-induced mixing at interphase

bounda-ries of layers and leads to a fall hardness. The highest hardness 42 GPa in the ZrN/CrN system is achieved upon deposition of thin (20 nm) layers in the absence of –Us.

Keywords: Multilayer coating, ZrN/CrN, Layer thickness, Implantation, Mixing, Structure, Microstrain,

Hardness.

Хі

і Х

-

хХ

і ХZrN/CrN

г г

1

_,

г

_.

єє

2

_,

г г

3

бХ г г

1

_,

. .

1

бХ г г

2

1 Х Х« »бХ гХ бХзжбХлжеезХ бХ

2 Х Х« »бХ гХА бХжбХлжженХ бХ

3 Х Х Х А Х _, гХ бХибХеижйзХ бХ

Х Х ХZrNдшrNХ Х Х Х Х

-Х Х бХ Х Х Х Х Э Х

Х )Х Х Х Х бХ Х є Х Х (–Us)Х Х в

Х Х Х Х - Х гХ бХ Х Х Х Х

Хке Х Х–Us Х Х Х Х Х ХшrNХ

Х ХZrХ Х Х Х Х Х бХ Х Х ХZrNХ є Х Х в

гХ Х Х Х Х Х Х Х Х

–UsбХ Х єХ - Х Х Х Х Х Х в

Х Х гХ Х Хйз Х Х ХZrN/шrNХ є Х Х Х

ХЭзе )Х Х Х Х–Us.

іХ : , ZrN/CrN, Х бХ І бХ бХ

(5)

1. Nanostructured coatings (Ed. by Cavaleiro Albano, De Hosson, Jeff Th. M.) (Springer-Verlag: 2006).

2. P.H. Mayrhofer, C. Mitterer, L. Hultman, H. Clemens,

Prog. Mater. Sci.51, 1032 (2006).

3. E. Sheinman, Metal Sci. Heat Treatment50 No 11-12, 600

(2008).

4. A. Gilewicz, B. Warcholinski, Tribology Int.80, 34 (2014).

5. F.R. Lamastra, F. Leonardi, R. Montanari, F. Casadei,

T. Valente, Surf. Coat. Technol.200 No 22-23, 6172 (2006).

6. K. Lukaszkowicz, L.A. Dobrzański, A. Zarychta, L. Cunha,

J. Achievement. Mater. Manufactur. Eng. 15 No 1-2, 47

(2006).

7. M.K. Samani, X.Z. Ding, N. Khosravian, B. Amin-Ahmadi,

Yang Yi, G. Chen, E.C. Neyts, A. Bogaerts, B.K. Tay, Thin

Solid Films578, 133 (2015).

8. M. Ertas, A.C. Onel, G. Ekinci, B. Toydemir, S. Durdu,

M. Usta, L. Colakerol, J. Chem., Nuclear, Mater.

Metal-lurgical Eng. 9 No 1, 53 (2015)

9. R.A. Koshy, M.E. Graham, L.D. Marks, Surf. Coat.

Tech-nol.202, 1123 (2007).

10.Harish C. Barshilia, Anjana Jain, K.S. Rajam, Vacuum72,

241 (2004).

11.O.V. Sobol, O.N. Grigorjev, Yu.A. Kunitsky, S.N. Dub,

A.A. Podtelezhnikov, A.N. Stetsenko, Sci. Sintering 38, 63

(2006).

12. . . , . . , . . , В

-я ( : : 2010)

(A.A. Andreyev, L.P. Sobolev, S.N. Grigor'yev,

Vakuumno-dugovyye pokrytiya (Kharkov: NNTs KhFTI: 2010)).

13.O.V. Sobol’бХ A.A. Andreev, S.N. Grigoriev, V.F. Gorban’б

M.A. Volosova, S.V. Aleshin, V.A. Stolbovoi, Metal Sci.

Heat Treatment54, No 3-4, 195 (2012).

14.http://www.srim.org/SRIM/Tutorials/Tutorials.htm

15. . . , . . , . . ,

я

( .: : 1972) (L.S. Palatnik, M.Ya. Fuks,

V.M. Kosevich, Mekhanizm obrazovaniya i substruktura

kondensirovannykh plenok (M.: Nauka: 1972)). 16.O.V. Sobol, Phys. Solid State53 No 7, 1464 (2011).

17.E. Aznakayev, Proc. Int. Conf. “SmallХ TalkХ – зееи”

TP.001, 8 (San Diego, California, USA: 2003).

18. . . , . . , . . ,

. . , № 2, 5

(2011) (S.A. Firstov, V.F. Gorban', N.A. Krapivka,

E.P. Pechkovskiy, Kompozity i nanomaterialy No 2, 5

(2011)).

19.O.V. Sobol', A.A. Andreev, V.A. Stolbovoy, N.V. Pinchuk,

A.A. Meylekhov, J. Nano- Electron. Phys. 7 No 1, 01026

(2015).

20.O.V. Sobol', A.A. Andreev, S.N. Grigoriev, V.F. Gorban',

S.N. Volosova, S.V. Aleshin, V.A. Stolbovoy, Problem.

Atomic Sci. Technol. No 4, 174 (2011).

21.N.A. Azarenkov, O.V. Sobol, V.M. Beresnev,

A.D. Pogrebnyak, D.A. Kolesnikov, P.V. Turbin,

U.M. Toruanyk, Metallofiz. Nov. Tekhnol. 35 No 8, 1061

(2013)

22.F. Lomello, M. Arab Pour Yazdi, F. Sanchette, F. Schuster,

M. Tabarant, A. Billard, Surf. Coat. Technol. 238, 216

(2014).

23.O.V. Sobol’, A.A. Andreev, V.A. Stolbovoy, V.F. ьorban’,

N.V. Pinchuk, A.A. Meylekhov, J. Nano- Electron, Phys.7