Ионно–плазменные покрытия на основе нитридов и карбидов переходных металлов с регулируемой стехиометрией (стр. 2 )

Только хром имеет Rc/Rм = 0.609, т. е. больше чем 0.59 и поэтому его карбиды (Cr23C6, Cr7С3, Cr3C2) имеют сложные структуры и не обладают областями гомогенности [53].

Зная иерархию требований к свойствам материала покрытий, необходимо выбрать базовый химический элемент или сплав элементов, максимально удовлетворяющих основным требованиям, т. е. необходимо выбрать основу материала покрытия. Задача синтеза материалов для защитных покрытий сводится к выбору легирующих элементов (металл и неметалл) и состава покрытий (фазовый и химический). При синтезе покрытий важной является корреляция структуры и состава материала с его свойствами, т. е. разработка количественных закономерностей зависимости свойств покрытий от их химического состава и структуры.

Таблица 1.1

Атомные радиусы переходных металлов IV–VI групп, углерода, азота

и кислорода (R) и отношения радиусов неметалла и металла RХ/RM

Элемент	Å	Rc/Rм	RN/RM	R0/RM
Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W C N O	1.467 1.597 1.585 1.338 1.456 1.457 1.267 1.386 1.394 0.772 0.740 0.660	0.526 0.483 0.486 0.576 0.530 0.529 0.609 0.556 0.553 - - -	0.504 0.463 0.467 0.553 0.508 0.508 0.584 0.534 0.531 - - -	0.450 0.414 0.417 0.493 0.453 0.453 0.521 0.476 0.473 - - -

При выборе покрытий используют некоторые характеристики металлов IV – VI групп Периодической системы элементов [115] и их фаз внедрения (табл. 1.1, 1.2 и 1.3).

Из сказанного следует, что при разработке ионно–плазменных покрытий новых составов для режущих инструментов необходимо учитывать влияние легирования (по металлической составляющей) и нестехиометрии (по неметаллической составляющей) на эксплуатационные свойства материала покрытия.

Таблица 1.2

Свойства элементов IV–VI А групп Периодической системы элементов [115]

Свойство	Ti	V	Cr	Zr	Nb	Mo	Hf	Ta	W
Кристаллическое строение
Тип решетки	ГПУ/ ОЦК	ОЦК	ОЦК	ГПУ/ ОЦК	ОЦК	ОЦК	ГПУ/ ОЦК	ОЦК	ОЦК
Параметр решетки, нм:
а	0.2951	0.30301	0.2884	0.3223	0.33021	0.314737	0.3197	0.33074	0.31652
с	0.4679/а=0.3306	–	–	0.5147/а=0.3610	–	–	0.5057/ а=0.3615	–	–
Атомные и ядерные свойства
Порядковый номер, z	22	23	24	40	41	42	72	73	74
Атомный радиус, rа, нм	0.145	0.134	0.128	0.160	0.147	0.139	0.159	0.146	0.140
Атомный объем, Ω, 10–6 м3/моль	10.8	8.35	7.23	13.97	10.83	9.42	13.42	10.9	9.54
Атомная масса А, а. е.м.	47.9	50.942	51.996	91.220	92.906	95.941	178.49	180.903	183.852
Потенциал ионизации U, эВ	6.83	6.74	6.746	6.84	6.88	7.29	7.5	7.70	7.98
Теплофизические свойства при 20С
Плотность ρ, кг/м3	4.5	6.11	7.194	6.51	8.57	10.2	13.09	16.6	19.25
Температура плавления, Тпл,С	1664±4	1897 (1700)	1877±15	1855±5	2477 (2415)	2587 (2625)	2230±15	2997 (2850)	3379±2
Температура кипения, Тк,С	3169	2897	2200	4327	4727	5227	5225	5292	5372
Удельная теплота плавления Lm, 10–3 Дж/кг	402	345.41	265.65	265.65	296.59	382	122	170.6	184
Удельная теплота испарения при Тк L, 10–3 Дж/кг	8820	8974.9	1798	1798	7359.1	6191	–	4314	4810
Теплопроводность λ, Вт/(мּК)	20.0– 21.9	33.2	88.6	21.4	53	162	23	45.2– 63.0	130– 134
Теплоемкость ср, 10–3Дж/(кгּК)	0.52	0.50	0.474	0.27– 0.51	0.27	0.24– 0.25	0.143	0.14	0.13
Термическое расширение αt, 10–6 К–1	13 (= =8.4)	7.8–8.7	4.4	24.0 (5.0–^) (7.4–II)	7.1	5.1–5.2	6.59	6.6–7.5	4.6–5.5
Давление пара при Тпл, Па	5.2·10–3 (4.9·10–1)	2.21·10–2 (3.06)	9.9·102	5.33·10–4 (1.68·10–3)	11.2·10–2 (7.55·10–2)	2.94·10–2 (3.47)	9.23·10–2	3.77·10–1 (7.76·10–1)	4.67·10–2 (4.27)
Электрические и магнитные свойства при 20С
Удельное электросопро– тивление ρэ, 10–8 Омּм	39–45	18.5– 19.9	14.1	38.9–50	13.3– 16.0	5.0–5.7	30	13.0– 14.7	5.0–5.4
Магнитная восприимчи– вость cуд, 10–9 м3/кг	3.19– 3.36	5.3–5.0	3.5	1.34	2.20	0.82– 0.93	0.42	0.85	0.29– 0.32
Работа выхода электронов W, эВ	4.12	4.28	4.58	3.84	3.99	4.33	3.9	4.12	4.50
Механические свойства (в отожженном состоянии) при 20С
Предел прочности при растяжении σв, МПа	300– 700	380– 520	410	220– 575	300– 600	490– 980	420	210– 470	600– 1480
Предел текучести при растяжении σ0,2, МПа	180– 330	290– 450	360	80–130	250–420 (491)	430– 650	228	185– 400	530– 800 (1460)

Продолжение таблицы 1.2

Свойство	Ti	V	Cr	Zr	Nb	Mo	Hf	Ta	W
Относительное удлинение δ, %	20–50	25–30 (14)	44	15–40	10–50	5–45	33	5–45	0–20
Модуль нормальной упругости Е, ГПа	96–104	147	288.1	68–102	100	329	140	177	407
Модуль сдвига G, ГПа	38	54	110	36	59	20	31.0	69	149
Коэффициент Пуассона, ν	0.36	0.35	0.31	0.32– 0.35	0.39	0.31	0.33– 0.37	0.35	0.30
Твердость по Бринеллю НВ, МПа	1810	630	1000	640– 685	735	1370– 1815	1600	440– 1230	2570

Примечание. Разброс значений по данным разных источников.