WPŁYW WYŻARZANIA W NISKOTEMPERATUROWEJ PLAZMIE NA WŁASNOŚCI UŻYTKOWE WARSTW KOMPOZYTOWYCH TYPU WARSTWA AZOTOWANA+Ti(N,C,O)

Transkrypt

1 KOMPOZYTY (COMPOSITES) 4(2004)9 Pweł Mńkowski 1, Jerzy Roert Soiecki 2, Tdeusz Wierzchoń 3 Politechnik Wrszwsk, Wydził Inżynierii Mteriłowej, ul. Wołosk 141, Wrszw WPŁYW WYŻARZAIA W ISKOTEMPERATUROWEJ PLAZMIE A WŁASOŚCI UŻYTKOWE WARSTW KOMPOZYTOWYCH TYPU WARSTWA AZOTOWAA+Ti(,C,O) W prcy przedstwiono nowy sposó ksztłtowni skłdu chemicznego i włściwości wrstw kompozytowych typu wrstw zotown+ti(,c,o), polegjący n wygrzewniu jej w plzmie wodorowo-zotowej wyłdowni jrzeniowego. Wrstwy te zostły wytworzone przy zstosowniu mieszniny gzowej złożonej z pr tetrizopropoksytytnu, wodoru i zotu w temperturze 500 C n uniwerslnym stnowisku do oróek jrzeniowych (rys. 1). W ten sposó w strefie wierzchniej tlenowęglozotku tytnu zwiększ się zwrtość zotu, zmniejsz zwrtość tlenu i węgl, co korzystnie wpływ n chropowtość powierzchni (rys. rys. 2 i 3) i włściwości użytkowe, jk np. odporność n zużycie przez trcie (rys. 4). Słow kluczowe: proces PACVD, wyłdownie jrzeniowe, wrstwy kompozytowe, struktur, włściwości EFFECT OF AEALIG I LOW-TEMPERATURE PLASMA O THE PERFORMACE PROPERTIES OF THE ITRIDED LAYER+Ti(,C,O) TYPE COMPOSITE LAYERS The pper presents new method of modifying the chemicl composition nd properties of the composite lyers of the nitrided lyer+ti(,c,o) type. The method consists of nneling the lyer in glow dischrge generted y hydrogen-nitrogen plsm. The lyers were produced in universl pprtus designed for glow dischrge tretments (Fig. 1), using gseous mixture composed of the tetrisopropoxytitnium vpours, hydrogen nd nitrogen. The process ws conducted t temperture of 500 C. The finl nneling does not ffect the thickness of the Ti(,C,O) ut it influences on the chemicl composition of the coting. It increses the nitrogen content in the ner-surfce titnium oxycronitride lyer, wheres the oxygen nd cron contents decrese, this lso reduces the roughness of the surfce (Figs 2 nd 3), nd improves the performnce properties, such s the frictionl wer resistnce (Fig. 4). The ction of hydrogen is responsile for the chnges in the chemicl composition especilly in the decresing the oxygen nd cron content. The scheme of the formtion of the composite lyer nitrided+ti(,c,o) type sujected to the finl nneling in the hydrogen nd nitrogen tmosphere is proposed (Fig. 6). Key words: PACVD process, glow dischrge, composite lyers, structure, properties WSTĘP Techniki inżynierii powierzchni stwrzją szerokie możliwości wytwrzni wyroów o żądnych włściwościch n zie istniejących mteriłów, przystosowując je do wymgń eksplotcyjnych, co stnowi ich istotną zletę z ekonomicznego punktu widzeni. Stąd też rozwój metod inżynierii powierzchni w osttnich ltch jest rdzo dynmiczny. Z sprwą inżynierii powierzchni nstąpił istotny postęp w wytwrzniu nowej genercji nrzędzi, iomteriłów, elementów urządzeń energetycznych prcujących w ekstremlnych wrunkch, elementów silników lotniczych i smochodowych, tkże mteriłów stosownych w przemyśle kosmicznym. Corz większą rolę odgrywją w procesch oróek powierzchniowych metody wykorzystujące kty- wcję elektryczną środowisk gzowego, m.in. procesy PACVD (Plsm Assisted Chemicl Vpour Deposition), RFCVD (Rdio Frequency CVD), MWCVD (Microwve CVD), PDT (Plsm Diffusion Tretments - szczególnie proces zotowni jrzeniowego), pozwljące n uzyskiwnie nowych mteriłów ntyściernych i ntykorozyjnych [1, 2]. Ogólną tendencją stje się dążenie do oniżeni tempertury procesów wytwrzni wrstw powierzchniowych, co w metodch CVD, tj. chemicznego osdz-ni wrstw powierzchniowych z fzy gzowej z udzi-łem rekcji chemicznych, prowdzących do utworzeni nowej fzy stłej o ściśle określonym skłdzie chemicznym i mikrostrukturze, możliwe jest poprzez wprowdzenie prekursorów rekcji chemicznych w postci pr związków metloorgnicznych i orgnicznych pierwi-stków tworzących wrstwę [2-4]. W rtykule przedstwiono dni nd wytwrzniem wrstw kompozytowych typu dyfuzyjn wrstw zotown z powierzchniową powłoką tlenowęglozotku tytnu-ti(,c,o), poprzez połączenie w jednej opercji technologicznej metod zotowni jrzeniowego w tmosferze rektywnej 2 +H 2 i procesu PACVD 1 mgr inż., 2 dr inż., 3 prof. dr h. inż.

2 Wpływ wyżrzni w niskotemperturowej plzmie n włsności użytkowe wrstw kompozytowych Rys. 1. Schemt urządzeni do relizcji procesów PACVD z zstosowniem dozownik ciekłych związków orgnicznych i metloorgnicznych: 1 - komor roocz (nod) ogrzewn oporowo, 2 - stolik z prókmi (ktod), 3 - zsilcz npięciowy, 4 - ziornik ze związkiem orgnicznym Fig. 1. Schemtic representtion of the pprtus for conducting PACVD processes, equipped with feeder for dosing liquid orgnic nd metllorgnic compounds: 1 - rection chmer (node), resistnce heted, 2 - smple holding tle (cthode), 3 - voltge supply unit, 4 - orgnic compound continer w tmosferze pr Ti(OC 3 H 7 ) 4 +H orz modyfikcji skłdu chemicznego wytworzonej powłoki Ti(,C,O) i jej topogrfii poprzez wygrzewnie w niskotemperturowej plzmie wodorowo-zotowej, wodorowej czy zotowej w spekcie optymlizcji ich włsności użytkowych. METODYKA BADAŃ Wrstwy kompozytowe typu wrstw zotown+ +Ti(,C,O) poddno wygrzewniu w plzmie wodorowej, zotowej i wodorowo-zotowej w czsie 1 h ezpośrednio po procesie PACVD. rysunku 1 przedstwiono schemt stnowisk, n którym wytwrzno wrstwy kompozytowe. Mteriłem podłoż ył stl 33H3MF o skłdzie chemicznym: 0,33% C, 0,4% Mn, 0,17% Si, 2,4% Cr, 0,37% Mo, 0,2% i i żelzo. Wrstwy kompozytowe otrzymywno, stosując jednostopniowe procesy, tj. ezpośrednio po zotowniu jrzeniowym relizowno proces PACVD poprzez wprowdzenie do komory rooczej pr Ti(OC 3 H 7 ) 4 w mieszninie z zotem i wodorem. rysunku 2 przedstwiono mikrostruktury wytwrznych wrstw i morfologię ich powierzchni. Wrstwy te poddno nlizie rentgenowskiej, określjąc ich skłd fzowy (dyfrktometr rentgenowski Philips PW 1810, promieniownie CoKα) orz zdno rozkłd pierwistków tworzących powłokę metodą GDOS (Glow Dischrge Opticl Spectroscopy). Bdno również topogrfię powierzchni n profilometrze sknującym Form Tlysurf Series 2, odporność n zużycie przez trcie metodą trzy włeczki + stożek [5]. WYIKI BADAŃ rysunkch 2 i 3 przedstwiono przykłdowo topogrfię powierzchni i mikrostruktury wrstw kompozytowych typu wrstw zotown+ti(,c,o) wytworzonych n modelowym mterile - żelzie i stli 33H3MF. Końcowe wygrzewnie nie wpływ n gruość powstłej powłoki, le podwyższ jej mikrotwrdość i oniż chropowtość powierzchni. Orók t wpływ n zminy skłdu chemicznego wytworzonej powłoki Ti(,C,O). Bdni skłdu chemicznego powłok wygrzewnych w plzmie zotowej wykzły, że zwrtość zotu w powłoce zwiększ się z 30 do około 37% t., wygrzewnie zś w tmosferze wodoru oniż zwrtość tlenu z około 20 do 12% t. orz węgl z 13 do około 8% t. Zstosownie z kolei plzmy wodorowo- -zotowej powoduje jednocześnie zmniejszenie zwrtości tlenu do 8% t., węgl do 7% t. orz podwyższenie zwrtości zotu do 40% t. leży więc podkreślić, że oddziływnie ktywnych cząstek tworzących się w plzmie wodorowej, tkich jk jony wodoru H * czy też tomy wodoru i rodniki H z

3 76 P. Mńkowski, J.R. Soiecki, T. Wierzchoń tlenowęglozotkiem tytnu, powoduje usuwnie tle nu orz węgl z wrstwy. Potwierdzją te wyniki dne literturowe wskzując, że rekcj plzmy wodorowej Rys. 2. Topogrfi powierzchni wrstw kompozytowych typu wrstw zotown+ti(,c,o) wytworzon n żelzie ez wygrzewni () i z końcowym wygrzewniem w plzmie wodorowo-zotowej () Fig. 2. Surfce topogrphy of the composite lyers of the nitrided lyer+ti(,c,o) type produced on model iron: () without finl nneling, () nneled in hydrogen-nitrogen plsm during the finl stge of the process 10 μm 10 μm Rys. 3. Mikrostruktur wrstw kompozytowych typu wrstw zotown+ti(,c,o) n stli 33H3MF ez wygrzewni, mikrotwrdość 1720 HV 0,02 () i po wygrzewniu w plzmie zotowo-wodorowej HV 0,02 () Fig. 3. Microstructure of the composite lyers of the nitride lyer+ti(,c,o) type produced on 33H3MF steel: () without finl nneling, microhrdness 1720 HV 0.02, () fter finl nneling in hydrogen-nitrogen plsm, microhrdness HV 0.02

4 Wpływ wyżrzni w niskotemperturowej plzmie n włsności użytkowe wrstw kompozytowych 77 z powierzchnią cił stłego zchodzi już w temperturze pokojowej, oczyszczjąc ją z tlenków i znieczyszczeń węglowych [6, 7]. Aktywne cząstki wodoru mogą powodowć odwęglni stli podczs procesu zotowni jrzeniowego [8, 9]. Zużycie liniowe [µm] Wrstwy Ti(,C,O) Czs trci [min] ez wygrzewni wygrzewn w 2 wygrzewn w H2 wygrzewn w H2+2 Rys. 4. Zużycie liniowe wrstw kompozytowych typu wrstw zotown+ti(,c,o) n stli 33H3MF ez i po wygrzewniu jrzeniowym w różnych tmosferch w funkcji czsu trci przy ncisku jednostkowym 400 MP Fig. 4. Liner wer versus friction time under unit lod of 400 MP, mesured in the composite lyers of the nitrided+ti(,c,o) type without finl nneling nd sujected to finl nneling in vrious tmospheres Twrdość tych wrstw w wyniku wygrzewni w mieszninie wodorowo-zotowej wyłdowni jrzeniowego wzrosł z 1750 HV 0,02 do 1890 HV 0,02 dl żelz. Zmieniją się również prmetry stereologiczne - średnie rytmetyczne odchylenie profilu chropowtości S zmieni się z 0,0901 μm dl wrstwy kompozytowej niewygrzewnej do wrtości 0,0795 μm dl wrstwy wygrzewnej w plzmie wodorowo-zotowej. Efektem tego oddziływni jest istotny wzrost odporności n zużycie przez trcie (rys. 4). leży zznczyć, że przy wygrzewniu przez około 2,5 h w plzmie wodorowo-zotowej w strefie zewnętrznej tworzy się wrstewk Ti (rys. 5). rysunku 6 przedstwiono model tworzeni się wrstwy kompozytowej zgodnie z oprcownym sposoem ich wytwrzni. Intensywność [j. w.] C Ti Czs rozpylni [s] Rys. 5. Rozkłd pierwistków i morfologi przełomu wrstwy kompozytowej typu wrstw zotown+ti(,c,o) po 2,5 h wygrzewniu w plzmie wodorowo-zotowej Fig. 5. Chemicl composition nd the surfce morphology of Ti(,C,O) type coting on iron sujected to finl nneling in 2+H 2 plsm for 2.5 h O Ti(OC 3 H 7 ) 4 + H ezpośredni rozpd do produktów uocznych rekcje frgmentcji tetrizopropoksytytnu Ti(OC 3 H 7 ) 4 w tmosferze zotu i wodoru z udziłem wyłdowni jrzeniowego prowdzące do powstni cząstek ktywnych oecnych w plzmie CO 2, H 2 O, niskie węglowodory C, Ti *, TiO *, C, O, *, H, 2 *, chemisorpcj H 2 O CH 4 dyfuzj dyfuzj Ti(,C,O) Ti Ti(,C,O) żelzo efekt procesu PACVD żelzo efekt wygrzewni w plzmie H żelzo H *, *, H, 2 *, *, H Rys. 6. Model tworzeni się wrstwy kompozytowej typu wrstw zotown+ti(,c,o) poddnej końcowemu plzmowemu wygrzewniu w tmosferze wodoru i zotu Fig. 6. The scheme of the composite lyer nitrided+ti(,c,o) type formtion sujected to the finl plsm nneling in the hydrogen nd nitrogen tmosphere

5 78 P. Mńkowski, J.R. Soiecki, T. Wierzchoń WIOSKI Poprzez wygrzewnie w niskotemperturowej plzmie powłoki tlenowęglozotku tytnu w różnych tmosferch gzowych możn ksztłtowć ich włsności użytkowe, tkie jk: mikrotwrdość, odporność n zużycie przez trcie, odporność korozyjną. Jest to związne ze zminą ich topogrfii powierzchni i skłdu chemicznego wytworzonych powłok w strefie wierzchniej wrstwy kompozytowej. Przeprowdzone dni struktury i włściwości wrstw kompozytowych wytworzonych n żelzie i stli 33H3MF wykzły, że tworzące się wrstwy typu wrstw zotown+ti(,c,o) mją dyfuzyjny chrkter i chrkteryzują się wysoką odpornością n zużycie przez trcie. LITERATURA [1] Rie K.T., Recent dvnces in plsm diffusion processes, Surfce nd Cotings Technology 1999, 1-3, 12, [2] Burkowski T., Wierzchoń T., Surfce Engineering of Metls, CRC Press LLC, Boc Rton, ew York, London [3] Postępy nuki o mteriłch inżynierii mteriłowej, prc ziorow T. Wierzchoń, Współczesn inżynieri powierzchni, Wydwnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002, [4] Hoppe S., Elwrt J., Moglichkeiten der Komintion des Plsmnitrierens mit Oerflchentechnologien, Elektrowrme Interntionl 1995, 53, B4, B [5] Polsk orm P-83/H-04302, (1983). [6] Mozetic M., Dischrge clening with hydrogen plsm, Vcuum 2001, [7] Crosseley A., Sofield C.J., Sugden S., Clmpit R., Brdley C., In-situ low temperture clening of silicon surfces using hydrogen toms, Vcuum 1995, 46, [8] Shrd T., Misr D.S., Avsthi D.K., Meht G.K., Dissocition kinetics of moleculr hydrogen in microwve plsm nd its influence on the hydrogen content in dimond films, Solid Stte Communictions 1996, 98, 10, [9] Egert P., Mlisk A.M., Silv H.R.T., Speller C.V., Decrurtion during plsm nitriding, Surfce nd Cotings Technology 1999, 221, Recenzent Henryk Morwiec