Właściwości azotku molibdenu otrzymanego metodą katodowego

Właściwości azotku molibdenu otrzymanego metodą katodowego

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