Влияние азота на структуру и механические свойства AlTiCN покрытий, формируемые методом импульсного магнетронного распыления высокой мощности

Abstract

На основании результатов комплексного исследования, включающего методы атомно-силовой микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, были определены структура и количественно-элементный состав композиционных покрытий AlTiCN, сформированных методом магнетронного распыления с помощью импульсов высокой мощности (HIPIMS). Установлено, что существенным параметром при формировании таких покрытий является интенсивность потока (расход) азота, наличие баланса химических соединений которого (TiN, AlN) в формирующей плазме в конечном итоге определяет прочность и трибологические характеристики покрытия и износостойкость инструмента. Показано, что зависимость твердости от расхода азота носит нелинейный характер с выраженным максимумом, при этом оптимальные трибологические свойства (сочетание высокой износостойкости, трещиностойкости и низкого трения) достигаются при расходе азота в диапазоне 10–15 мл/мин, что подтверждает эффективность применения данных покрытий для упрочнения инструмента.

Based on the results of a comprehensive study involving atomic force microscopy, tip-enhanced Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy, the structure and elemental composition of AlTiCN composite coatings formed by high-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) were determined. It was established that the nitrogen flow rate (consumption) is a significant parameter in the formation of such coatings. The balance of nitrogen compounds (TiN, AlN) in the forming plasma ultimately determines the strength and tribological properties of the coating and the wear resistance of the tool. It is shown that the dependence of hardness on nitrogen consumption is nonlinear with a pronounced maximum, while optimal tribological properties (a combination of high wear resistance, crack resistance and low friction) are achieved with a nitrogen consumption in the range of 10–15 ml/min, which confirms the effectiveness of using these coatings for hardening tools.