Механические свойства пленок оксида хрома в зависимости от технологических факторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механические свойства пленок оксида хрома в зависимости от технологических факторов

Производство приборов, работающих в условиях повышенных воздействий внешних факторов предполагает использование материалов, способных работать в экстремальных условиях. Это особенно актуально для приборов, использующихся в космической технике, получение и применение таких материалов обуславливается необходимостью использования их свойств, способных оставаться стабильными при эксплуатации в широком диапазоне внешних воздействий

Известно, что получаемые из металлоорганических соединений (МОС) пленки имеют ряд положительных свойств:

· стойкость при их эксплуатации в условиях агрессивных сред,

· повышенная устойчивость при механических воздействиях, а также хорошая плотность осадков и величина адгезии к различным подложкам,

· термоустойчивость.

Эти пленки в виде карбидов хрома (Cr₇C₃) применяются для получения матриц и пресс-форм в автомобилестроении, фотошаблонов и масок в производстве печатных плат электронной техники а также как износоустойчивые при нанесении на режущий инструмент.

В процессе осаждения с повышением температуры хром интенсивно вступает во взаимодействие с углеродом и углеродосодержащими радикалами, кислородом, что характеризуется с точки зрения термодинамики уменьшением свободной энергии процесса.

Целью работы является исследование механических свойств пиролитических пленок, получаемых термораспадом металлоорганического соединения хрома в окислительной среде, для этого были получены пленки на специально сконструированной установке с различным составом исходных компонентов МОС-окислитель от 10:1 до 1:1, на металлических подложках и подложках из пористого никеля.

Подготовленные подложки размещались в реакционной камере установки, где на них термическим разложением определенного состава исходных компонентов МОС-окислитель, получали слои с заданными свойствами. Полученные образцы подвергались отжигу выше температуры распада хроморганического соединения до 900⁰С.

Твердость того или иного материала в определенной степени отражает его физические характеристики внутреннего состояния, зависит от состава и структуры конкретного материала. В частности, твердость является функцией величины структурных напряжений в пленке, а также зависит от условий получения. Для пленок из металлоорганических соединений хрома характерно увеличение твердости при больших температурах распада, термообработка полученных пленок увеличивает твердость за счет дополнительного образования карбидов.

Характерно, что увеличение твердости происходит в результате того, что повышается количество искажающих кристаллическую решетку и увеличивающих микронапряжения факторов. Оказалось, что самый высокий уровень микронапряжений возникает при повышенном содержании в хроме углерода. Однако, с увеличением твердости, как следствие происходит увеличение хрупкости хромовых пленок.

Для сравнения - твердость пленок из МОС хрома изменяется от 600 до 2000 кг/мм², в то время как гальванические пленки хрома имеют твердость порядка 70 - 90 кг/мм².

Установлено, что содержание углерода колеблется от 0,3 до 13%. Увеличение твердости хромовых пленок можно получить вводя и другие элементы, например, молибден или ванадий, при этом микротвердость достигает 2100 - 2300 кг/мм² и даже 2700 кг/мм² на образцах предварительно покрытых никелем.

Величина микротвердости пиролитических хромовых пленок определялась с помощью микротвердомера ПМТ-З. Для уменьшения влияния подложки на величину твердости пленки её изготавливают из стали. Наличие комплекса положительных свойств пиролитических пленок хрома дает возможность использовать их в различных областях техники. Для исследования этих свойств применялись методики, используемые при испытаниях материалов в космическом приборостроении, такие исследования проводились с целью применения положительных свойств пиролитических пленок при изготовлении приборов различного функционального назначения.

Испытания проводились с целью проверки механической прочности оптических параметров на образцах, подложки которых изготавливались из нержавеющей стали, алюминия, пористого никеля после нанесения плёнок черного хрома, полученных термораспадом в окислительной среде: после воздействия агрессивных сред, термических воздействий и определения износоустойчивости.

Измерения проводились на специальном оборудовании в соответствии с программой лабораторно-отработанных испытаний (ЛОИ).

По результатам измерений микротвердости построена зависимость от исходных компонентов МОС-окислитель, которая приведена на Рис.1, из которой видно, что при увеличении окисной фазы в осажденной пленке, например, до состава 1:1, микротвердость её уменьшается Рис.2, так как кислород несколько лучше растворяется в хроме и его охрупчивающее действие менее эффективно.

Однако, из приведенной зависимости на Рис.1 следует, что незначительные добавки окислителя (соотношение исходных компонентов МОС-окислитель 10:1) в процессе термораспада повышают микротвердость пленки до 2100 кг/мм² [5]. По данным электронных микроскопических исследований можно сделать вывод, что незначительное введение окислителя в процессе получения карбидной пленки еще не приводит к образованию химических соединений хрома, а вносит значительные искажения в структуре образующего карбида хрома. Это, по-видимому, приводит к увеличению микротвердости получаемой пленки. Дальнейшее образование и увеличение окисной фазы в пленке приводит к её разрыхлению и как следствие - падению микротвердости.

Увеличение микротвердости при незначительных добавках окислителя было использовано для получения износоустойчивых осадков на режущем инструменте, износоустойчивость которых повышалась в 5-6 раз.

пленка оксидокарбид хрома

Рис. 1 - Зависимость микротвердости оксикарбида хрома от состава

Рис. 2 - Зависимость твердости осажденного хрома от характера слоев

Механические свойства оксикарбидохромовых пленок.

Испытания проводились на образцах из нержавеющей стали и пористом никеле, покрытых пиролитической оксикарбидохромовой пленкой. Состав исходных компонентов МОС-окислитель выбран 3:1, толщина пленки 8-10 мкм.

Результаты испытаний приведены в таблице 1, из которой следует:

· Коэффициент диффузного отражения изменяется от 2,2 до 3,4% при этом наблюдаются хорошие результаты по параметру сцепления (адгезии), отрыв происходил когезионно по припою.

· Наблюдалась хорошая устойчивость при воздействии температуры в вакуумной среде до 1000⁰С, на воздухе до 400⁰С без изменения своих первоначальных свойств по механическим и оптическим характеристикам.

· Воздействие линейных и ударных перегрузок до 207 g не вызывает механических повреждений оксикарбидохромовой пленки.

· Аналогичные результаты получены при климатических испытаниях и испытаниях в условиях агрессивных сред.

Таблица 1 - Результаты механических испытаний.

Процесс термораспада металлоорганического соединения (МОС) хрома в окислительной среде связан с образованием сложных структур, включающих окисные и карбидные группы фаз расположенные в определенной последовательности друг относительно друга.

Рентгеновскими и электронографическими исследованиями установлено, что такое взаимное расположение фаз в большей мере зависит от концентрации исходных компонентов МОС-окислитель, например, для состава 1:1 в пленке присутствует в основном оксидные группы фаз. Поскольку в составе пленки могут находится различные соединения хрома, а также хром в свободном состоянии, то выделяясь по границам зерен, он может придавать пленке определенные физикомеханические свойства. Этим, по-видимому, можно объяснить повышенные значения износоустойчивости, стойкости к агрессивным средам, а также увеличение адгезионных свойств пиролитических пленок хрома.

Наличие в отдельных составах пленок карбидов хрома еще больше увеличивает её механические параметры. Если на границах зерен происходит выделение оксидных фаз хрома, то наблюдается изменение электрофизических свойств пиролитических пленок в сторону увеличения удельного сопротивления.

Таким образом, изменение состава исходных компонентов МОС-окислитель, а также введение дополнительных добавок (кислород воздуха, ацетилацетонат алюминия) приводит к значительному изменению физикомеханических свойств, получаемых оксикарбидохромовых пленок: удельное сопротивление, микротвердость, адгезия, стойкость к агрессивным средам.

Механические испытания образцов пленок черного хрома на различных подложках по техническим заданиям приборов, работающих в сложных условиях внешней среды и механических перегрузок, показали возможность использования их в технологических процессах при изготовлении оптических и оптоэлектронных приборов, а также как износоустойчивые и стойкие к агрессивным средам, пленки, имеющие следующие функциональные особенности:

· Светопоглощающие для работы в условиях агрессивных сред и механических перегрузок с интегральным коэффициентом поглощения 97-98% в видимой области и 80% в ИК области спектра.

· Проводящие с удельным сопротивлением с = 10 - 10³ Ом*см

· Износоустойчивые пленки на режущем инструменте (обработка вязких и твердых материалов Ni, Ti, Mo и их сплавов) при незначительных добавках окислителя в процессе термораспада хроморганического соединения.

Литература

1. Слушков А.М., Петров Б.И., Левин К.П. Газофазное получение новых функциональных материалов и пленок. I Украинская республиканская конференция, Ужгород, 1989, вып.1., с.33.

2. Глезер A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы. Рос. хим. журнал. 2002,Т.46, №5, с. 57-63.

3. Шмидко И.Н., Родионов Е.В. Влияние технологических факторов на механические свойства пленок оксида хрома. Труды IV-й международной Самсоновской Конференции “Материаловедение тугоплавких соединений”, Киев, Украина, 2014 г., с.121

4. Салахова Р.К. Влияние легирующих добавок молибдена и ванадия на свойства хромовых покрытий Cr(III). 6-я Международная конференция Покрытия и обработка поверхности. Сборник тезисов докладов. 2009 г., с.120-122

Размещено на Allbest.ru