«Розробка технології отримання карбідотитанових покриттів методом електронно-променевого осадження»

Соломка, Владислав Віталійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9136
Title:	«Розробка технології отримання карбідотитанових покриттів методом електронно-променевого осадження»
Authors:	Мацепа, Сергій Михайлович Соломка, Владислав Віталійович
Keywords:	Технології покриттів
Issue Date:	2024
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Розробка технології отримання карбідотитанових покриттів методом електронно-променевого осадження» Виконавець: студент групи мНТ-32 Соломка Владислав Віталійович. Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович. Кваліфікаційна робота містить 109 сторінок формату А4, 39 рисунків, 3 таблиці, 30 літературних джерел. В кваліфікаційній роботі магістра виконано : ■ Розроблено методику електронно-променевого випаровування з одного джерела простих багатокомпонентних порошкових систем з осадженням на підкладці градієнтних покриттів на основі карбіду титана. ■ Встановлено основні закономірності процесів, що відбуваються при нагріві, випаровуванні і конденсації компонентів, стосовно даної системи. ■ Визначені закономірності зміни складу, структури властивостей отриманого покриття карбіду як функції параметрів процесу і початкових складів. В даній роботі представлені результати дослідження градієнтних покриттів, що мають змінні склад і властивості по товщині, які одержують методом електронно-променевого випаровування і конденсації у вакуумі. При цьому особливу увагу в роботі надано осадженню твердих градієнтних покриттів на основі карбіду титана, вельми перспективного для захисту інструменту і відповідальних деталей машин, схильних до активного абразивного зносу і корозії.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9136
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Соломка.pdf Restricted Access		2.58 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
Міністерство освіти і науки України 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
 
До захисту допущено: 
Завідувач кафедри ТОМВ 
____________Георгій КАНАШЕВИЧ 
«_____»_____________2024р. 
 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи магістра 
 
на тему: «Розробка технології отримання карбідотитанових покриттів методом 
електронно-променевого осадження»  
 
 
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-32 
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка» 
Освітня програма – «Обробка металів за 
спецтехнологіями» 
Соломка Владислав Віталійович  
Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович 
Рецензент: начальник виробництва ТОВ «МНВК» 
«Станко-Груп» м.Черкаси 
Васильківський Олександр Вікторович 
 
 
 
 
 
 
Черкаси 2024 р. 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
Освітній рівень  магістерський. 
Спеціальність 131 «Прикладна механіка». 
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями» 
 
        ЗАТВЕРДЖУЮ: 
        Завідувач кафедри ТОМВ 
 Георгій КАНАШЕВИЧ 
        «       »       ____________2024р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на кваліфікаційну роботу магістра 
 
_Соломкі Владиславу Віталійовичу_ 
(прізвище, ім’я, по батькові) 
1. Тема роботи «Розробка технології отримання карбідотитанових покриттів 
методом електронно-променевого осадження». 
Керівник  роботи Мацепа Сергій Михайлович, ст. викладач 
                                            (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від 
 «16» вересня 2024р. №272/04 
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р. 
3. Вихідні дані до роботи: Технологія електронно-променевої обробки, Завдання 
до розділу охорона праці та безпека в НС 
4. Зміст пояснювальної записки: Тверді покриття і методи їх отримання; 
Електронно-променеве осадження у вакуумі; Устаткування, матеріали, 
техніка проведення експерименту і методи дослідження покриттів; 
Дослідження структури та властивостей твердих градієнтних покриттів на 
основі карбіду титана; Структура та властивості покриттів; Охорона праці 
та безпека в НС  
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових 
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі; Методи 
отримання зносостійких покриттів; Принципова схема електронно-променевої 
установки; Технологія отримання градієнтного покриття; Принципова схема 
випаровування; Розподіл елементів та зміна мікротвердості за товщиною 
покриття; Визначення адгезії градієнтного покриття; Структура 
градієнтного покриття; Охорона праці та безпека в НС; Висновки  
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується 
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата 
Розділ 
консультанта завдання видав завдання прийняв 
Розділ 1-3 Мацепа Сергій Михайлович   
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович   
 
7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р. 
Календарний план 
№ Назва етапів дипломного  Строк   
Примітка  
з/п роботи  виконання етапів роботи 
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024  
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024  
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024  
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024  
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024  
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024  
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024  
8 Захист роботи 17.12.-19.12.2024р.  
    
    
 
 
 
Здобувач                                       ___________              Владислав СОЛОМКА 
      Підпис       Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ 
 
Керівник                                       ___________           ___Сергій МАЦЕПА__ 
      Підпис       Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ 
 
4 
АНОТАЦІЯ 
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Розробка технології отримання 
карбідотитанових покриттів методом електронно-променевого осадження» 
Виконавець: студент групи мНТ-32 Соломка Владислав Віталійович. 
Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович. 
Кваліфікаційна робота містить 109 сторінок формату А4, 39 рисунків, 3 
таблиці, 30 літературних джерел. 
В кваліфікаційній роботі магістра виконано :  
■ Розроблено методику електронно-променевого випаровування з 
одного джерела простих багатокомпонентних порошкових систем з 
осадженням на підкладці градієнтних покриттів на основі карбіду титана. 
■ Встановлено основні закономірності процесів, що відбуваються при 
нагріві, випаровуванні і конденсації компонентів, стосовно даної системи. 
■ Визначені закономірності зміни складу, структури властивостей 
отриманого покриття карбіду як функції параметрів процесу і початкових 
складів. 
В даній роботі представлені результати дослідження градієнтних 
покриттів, що мають змінні склад і властивості по товщині, які одержують 
методом електронно-променевого випаровування і конденсації у вакуумі. 
При цьому особливу увагу в роботі надано осадженню твердих градієнтних 
покриттів на основі карбіду титана, вельми перспективного для захисту 
інструменту і відповідальних деталей машин, схильних до активного 
абразивного зносу і корозії. 
5 
ABSTRACT 
Master's Qualification Work Topic: "Development of technology for 
producing titanium carbide coatings by electron beam deposition" 
Performer: Student of Group mNT-32, Vladyslav Solomka  
Supervisor: Senior Lecturer Serhii Matsepa 
The qualification work contains 109 A4 pages, 39 figures, 3 tables, and 30 
references. 
In this master's qualification work, the following tasks were carried out: 
■ A methodology for electron beam evaporation from a single source of 
simple multi-component powder systems with deposition on a substrate of gradient 
coatings based on titanium carbide was developed. 
■ The main patterns of processes occurring during heating, evaporation, and 
condensation of components, relevant to this system, were established. 
■ The regularities of the change in the composition, structure, and properties 
of the obtained titanium carbide coating as a function of process parameters and 
initial compositions were determined. 
This work presents the results of studying gradient coatings with variable 
composition and properties across the thickness, obtained by electron beam 
evaporation and condensation in a vacuum. Special attention is given to the 
deposition of hard gradient coatings based on titanium carbide, which is highly 
promising for protecting tools and critical machine parts prone to active abrasive 
wear and corrosion. 
 
 
6 
ЗМІСТ 
Вступ………………………………………………………………..………………8 
Розділ 1. Тверді покриття і методи їх отримання ………………………………10 
1.1 Види твердих покриттів…………………………………………………11 
1.2 Методи отримання зносостійких покриттів…………………………...14 
1.2.1 Хімічне осадження з газової фази…………………..…..………..14 
1.2.2 Плазмове напилення……………………………………..…..........21 
1.2.3 Детонаційне напилення…………………………………...……….28 
1.2.4 Наплавка………………………………………………..…………..32 
1.2.5 Електроіскрове легування………………………………..………..34 
1.2.6 Дифузійне насичення……………………………………..…..........36 
1.2.7 Електронно-променеве осадження у вакуумі………..…………...37 
1.2.7.1 Застосування електронно-променевої технології для 
отримання функціонально-градієнтних покриттів…...................................................41 
1.2.7.2 Тверді градієнтні покриття на основі карбідів…………...45 
Розділ 2. Устаткування, матеріали, техніка проведення експерименту і методи 
дослідження покриттів ………………………………………………………………...47 
2.1 Експериментальна установка, її конструкція, обладнання, що 
використовується для проведення експериментів…………..………………………..47 
2.2 Матеріали для отримання твердих градієнтних покриттів……..….…54 
2.3 Техніка проведення експерименту…………………………….……….54 
2.4 Методи дослідження покриттів………………………………………...58 
Розділ 3. Дослідження структури та властивостей твердих градієнтних 
покриттів на основі карбіду титана ………………………….………………………..63 
3.1 Дослідження особливостей випаровування та конденсації порошкових 
сумішей Со-Ті-С, N-Со-Ті-С, N-Со-Сг-Ті-С….………………………………………63 
3.1.1 Попередній відпал порошкових сумішей……………….……………64 
3.1.2 Випаровування карбідотитанових таблеток…………………………66 
3.2 Структура та властивості покриттів…………………………...……….69 
7 
3.2.1 Покриття типу Со-Ті-С…………………………………..……………69 
3.2.2 Покриття типу Ni-Co-Ti-C…………………………….….…………...78 
3.2.3 Складні карбідні покриття типу Ni-Co-Cr-Ti-C……………………..82 
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних 
ситуаціях………………………………………………………………………………...93 
4.1 Охорона праці на ділянці по елекронно-променевій обробці 
матеріалів………………………………………………………………………………..93 
4.2 Чистота приміщення……………………………….……………............94 
4.3 Мікроклімат………………………………………………………...........99 
4.4 Шумо- та віброзахист ділянки………………………………….……..100 
4.5 Засоби пожежозахисту на ділянці………………………..…….……...101 
4.6 Електрична безпека……………………………………………....…….101 
4.7 Цивільна оборона на ділянці…………………………………….…….102 
Висновки ………………………………………………………………………...105 
Список використаної літератури……………………………………….……….107 
8 
ВСТУП 
Основні властивості деталей і інструментів визначаються складним 
комплексом чинників. Вони залежать, наприклад, від хімічного складу, структури і 
кристалохімічної будови матеріалу, які визначають найважливіші експлуатаційні 
властивості виробу - міцність, ударну в'язкість, мікротвердість, теплостійкість, 
теплопровідність, корозійну стійкість і стійкість проти окислення при підвищених 
температурах і ін. У свою чергу, вказані властивості матеріалу визначають 
контактні характеристики, термомеханічний напружений стан і працездатність 
інструменту або деталі. Разом з тим, застосування традиційних методів підвищення 
властивостей деталей і інструментів, схильних до активного абразивного зносу і 
корозії за рахунок складного легування матеріалів в даний час в значній мірі вже 
вичерпало себе і, крім того, істотно обмежено через дефіцитність і дорожнечу ряду 
елементів. 
У зв'язку з цим, актуальною задачею є створення принципово нових твердих 
композиційних матеріалів, а також покриттів, які володіють підвищеною 
поверхневою зносостійкістю і відносно високою міцністю, а також в’язкістю. 
Захисні покриття на основі таких твердих матеріалів можуть істотно продовжити 
термін служби деталей і інструментів. 
В даний час захисні покриття знаходять найширше застосування в 
промисловості, і багато сил і засобів виділяється для розробки нових видів 
покриттів і методів їх отримання. 
Шляхом створення покриття із заданими профілями концентрацій і структури 
можливе отримання системи покриття з наперед заданими властивостями по його 
товщині. Закон зміни властивостей може варіюватися, залежно від тих або інших 
задач, що ставляться перед покриттям. Такі функціональні градієнтні покриття, і 
особливо тверді градієнтні покриття - це новий напрям в області захисних 
покриттів. 
В даній роботі представлені результати дослідження градієнтних покриттів, 
що мають змінні склад і властивості по товщині, які одержують методом 
9 
електронно-променевого випаровування і конденсації у вакуумі. При цьому 
особливу увагу в роботі надане осадженню твердих градієнтних покриттів на 
основі карбіду титана, вельми перспективного для захисту інструменту і 
відповідальних деталей машин, схильних до активного абразивного зносу і корозії. 
Метою роботи є створення технології осадження нових твердих 
композиційних покриттів із заданими градієнтами концентрацій і структури з 
відповідними характеристиками, а також визначення основних закономірностей 
одночасного електронно-променевого випаровування і конденсації у вакуумі 
елементів і з'єднань, які служать основою вказаних покриттів. 
Для досягнення вказаної мети в роботі розв'язувалися наступні задачі: 
розробка методики електронно-променевого випаровування з одного джерела 
простих багатокомпонентних (до шести компонентів) порошкових систем з 
осадженням на підкладці градієнтних покриттів на основі карбіду титана; 
встановлення основних закономірностей процесів, що відбуваються при нагріві, 
випаровуванні і конденсації компонентів, стосовно даної системи; визначення 
закономірностей зміни складу, структури і властивостей отриманого покриття 
карбіду, як функції параметрів процесу і початкових складів, вивчення 
можливостей оптимізації їх структури і службових характеристик. 
10 
РОЗДІЛ 1. ТВЕРДІ ПОКРИТТЯ І МЕТОДИ ЇХ ОТРИМАННЯ 
Кристалохімічна будова покриття, його фізико-механічні і теплофізичні 
властивості можуть значно відрізнятися від відповідних властивостей 
взаємодіючих матеріалів. У зв'язку з цим, покриття слід розглядати як своєрідне 
«третє середовище» , яке, з одного боку, може помітно змінювати поверхневі 
властивості матеріалу, що захищається, з іншою - впливати на контактні процеси, 
деформації, сили взаємодії і температури контакту, спрямованість теплових 
потоків, термодинамічний напружений стан частини, що зношується, і т.д. Задаючи 
властивості покриття шляхом варіювання його хімічного складу і будови, можна 
змінювати основні характеристики процесу взаємодії частин, що труть, і, зрештою, 
керувати найважливішими вихідними параметрами процесу - зносом і якістю 
поверхневого шару деталей, що труть. Крім того, процес нанесення покриття 
дозволяє направлено впливати на поверхневі дефекти матеріалу, що, в поєднанні з 
можливістю формування стабільних характеристик покриття, може сприяти 
помітному підвищенню надійності деталі або інструменту, що захищається. 
Таким чином, нанесення зносостійких покриттів на інструментальні матеріали 
і деталі, схильні до активного абразивного зносу, дозволяє наблизитися до рішення 
задачі створення "ідеального матеріалу", що володіє високою зносостійкістю в 
поєднанні з достатньою міцністю і в'язкістю. Зносостійкий інструмент або деталь, 
виготовлений з такого матеріалу, може задовольняти найвищим вимогам, що 
пред'являються до якості, продуктивності і надійності [1,2]. 
 
11 
1.1 Види твердих покриттів 
Зносостійкі покриття знайшли широке застосування в науці і техніці. Це 
космічна техніка, машинобудування, енергетика, транспорт, нафтова і 
вугільна промисловість, хімія і багато що інше. Залежно від призначення 
застосовують ті або інші види покриття і вибирають самий оптимальний 
спосіб їх нанесення. 
Керамічні покриття (ZrО2, AI2O3) разом із зносостійкими якостями 
володіють теплозахисними властивостями і з успіхом застосовуються для 
потреб авіакосмічної промисловості і газотурбінобудування, де захищаються 
робочі і направляючі лопатки газотурбінних двигунів і енергетичних 
установок, що підвищує термін служби у декілька разів. 
Фахівцями НВО «Донікс» розроблена технологія нанесення керамічних 
покриттів з широким спектром складу і властивостей на поверхні різних 
деталей, наприклад для повітряних фурм доменних печей (жаростійкі плівки 
на основі тугоплавких оксидів). Нанесення подібного покриття дозволяє 
продовжити термін експлуатації фурми в два рази і понизити теплові втрати 
на 20% (за наслідками випробувань на Донецькому металургійному заводі). 
У зв'язку з підвищеною увагою до покриттів останніми роками, разом з 
традиційними твердими матеріалами, розробляються і застосовуються 
абсолютно нові види покриттів і методи їх отримання. До відносно нових і 
нетрадиційних можна віднести антифрикційні мастила на основі полімерів 
(покриття на основі рідкого скла, епоксидних і фенолоформальдегідних 
смол) [3]. 
Технологія іонної розпиленості чистого графіту при низьких 
температурах і тиску дозволила одержувати надтонкі (3-10ангстрем) суцільні 
плівки і забезпечувати збереження класу чистоти поверхні виробу після 
нанесення покриття. Штучний алмаз, отриманий у такий спосіб, володіє 
підвищеними механічними властивостями, перевершує природний алмаз по 
міцності в 3-4 рази, по твердості - в 2-3 рази. Алмазні плівки, що наносяться 
12 
на вироби, збільшують термін служби останніх не менше ніж в 10 раз. 
Створюються багатошарові зносо і корозійну стійкість покриття. По 
аналогії з твердими сплавами проводяться дослідження з метою створення 
багатошарових покриттів на сталях [4]. З'являється можливість 
використовування дуже крихких і кристалохімічно несумісних з матеріалом, 
що захищається, систем, але володіючих найбільшою термодинамічною 
стійкістю серед всіх відомих з'єднань. Ці системи здатні зберігати високу 
твердість при високих температурах, мають підвищену пасивність по 
відношенню до будь-якого оброблюваного матеріалу. До таких систем можна 
віднести, наприклад, деякі оксиди (особливо AI2O3), бориди (HhB2, NbB2, 
TaB2) і нітриди кремнію Si3N4. Очевидно, вказані системи найбільш доцільно 
використовувати в багатошарових композиційних покриттях як бар'єрні 
шари, які могли б ефективно стримувати активні дифузійні процеси, служити 
своєрідним термоізолюючим шаром, знижувати схильність матеріалу, що 
захищається, до корозії і окислення при високих температурах. Значний 
інтерес для покриттів представляють подвійні, потрійні системи карбідів, 
нітридів, а також карбонітридів перехідних металів. Висока термодинамічна 
стійкість, твердість і міцність обумовлена великою подібністю структур і 
близькими розмірами атомів, що забезпечують наявність значних областей 
взаємної розчинності. 
Двошарові, карбідні покриття TiC-VC (зовнішній шар - VC, внутрішній 
шар - ТіС і на сталевих виробах дозволяють збільшити термін їх служби при 
роботі в умовах дії високих питомих навантажень. Так, за даними [5], в 
результаті нанесення покриттів TiC-VC зносостійкість виробів із сталі У8 в 
умовах абразивного зносу зростає в 5-11 разів в порівнянні з виробами з цієї 
сталі без покриття. 
Вже довгі роки продовжують використовуватися і удосконалюються 
добре відомі металоподібні покриття на основі карбідів, нітридів, бориду, 
силіцидів різних металів, і особливо перехідних металів IV-VI груп 
13 
періодичної системи елементів. На сьогоднішній день це, мабуть, 
найпоширеніші види твердих покриттів. Вони знайшли своє застосування в 
багатьох галузях промисловості, і в першу чергу в захисті ріжучого 
інструменту [6-8]. 
У міру збільшення змісту карбідів титана (ТіС) і вольфраму (WC) значно 
збільшується зносостійкість для твердих сплавів груп ВК (WC-Co) і ТК (WC-
ТіС-Со), яка зберігається при підвищених температурах. Це сприяє значному 
підвищенню працездатності інструментів, виготовлених з вказаних сплавів 
при підвищених швидкостях різання. Проте ефективність таких інструментів 
різко знижується у міру збільшення товщини стружки, що зрізається. В цих 
умовах значно краще працюють твердосплавні інструменти з підвищеним 
вмістом кобальту, оскільки вони володіють високою міцністю при вигині і 
ударною в’язкістю, а також зменшеною схильністю до крихкого руйнування. 
З початку 60-х років широке розповсюдження отримали зносостійкі 
матеріали з нанесеними на них покриттями карбідів. Карбіди перехідних 
металів ІV-VІ груп періодичної системи елементів володіють рядом 
унікальних властивостєй. Це висока температура плавлення і висока 
твердість, яка в даний час і визначає технічну значущість цих матеріалів. 
Саме завдяки цим показникам, карбіди складають основу більшості сучасних 
твердих сплавів і покриттів, вживаних для виготовлення ріжучих 
інструментів і зносостійких деталей [6, 9-11]. Карбід титана є одним з 
найефективніших матеріалів, що використовуються як зносостійке покриття, 
і це пов'язано, перш за все з тим, що ТіС в найбільшій мірі задовольняє 
вимогам, що пред'являються до покриттів: високі зносостійкість і твердість 
при високих і низьких температурах; добра хімічна стабільність; невеликий 
коефіцієнт тертя, добре зчеплення з поверхнею матеріалу-основи; 
окалиностійкість; мала схильність до схоплювання і холодної зварки; 
здатність не руйнуватися під впливом механічних і теплових навантажень. 
У зв'язку з розвитком прогресу з'являються все нові види покриттів і 
14 
методи їх отримання. Останнім часом з'явився новий, маловивчений клас 
покриттів: покриття із змінними властивостями по товщині [12]. В світовій 
практиці такі покриття отримали назву функціональні градієнтні покриття. 
В даній роботі розглянуті тверді градієнтні покриття на основі карбіду 
титана. 
1.2 Методи отримання зносостійких покриттів 
В даний час є ціла гамма методів нанесення покриття, причому число 
нових способів безперервно збільшується. Залежно від необхідних міцності, 
товщини і пористості покриттів, розмірів, геометрії і природи напилюваної 
деталі засовують найбільш відповідний у кожному конкретному випадку 
метод. Всі методи нанесення покриттів можна розділити на три великі групи 
[6 ]: 
1) хімічні - осадження з газової фази, плакіруючі покриття і др.; 
2) фізичні - вакуумне напилення, іонна гальванізація, катодна 
розпиленість, плазмове напилення і ін.; 
3) фізико-хімічні - електроліз розплаву, реактивна розпиленість і ін. 
Один з найбільш поширених у всьому світі методів отримання 
зносостійких покриттів - це метод хімічного осадження з газової фази, метод 
CVD (Chemical Vapour Deposition). 
1.2.1 Хімічне осадження з газової фази 
В даний час з метою отримання тугоплавких покриттів в Західній 
Європі, США і Японії і інших країнах більше половини інструментального 
оснащення піддають обробці методом CVD [6]. 
Для отримання на робочих поверхнях з'єднань тугоплавких металів як 
початкові продукти використовують газоподібні галогеніди. В результаті 
взаємодії з іншими складовими сумішей (воднем, аміаком, окислом вуглецю і 
ін.) утворюються і конденсуються необхідні покриття. 
Процеси CVD, в результаті яких утворюються карбіди, нітриди, 
карбонітриди, борид і оксиди тугоплавких металів IV-VI груп Періодичної 
15 
системи елементів, можуть протікати як при нормальному тиску, так і при 
деякій розрядці. Якість покриття, його властивості і структура залежать від 
ряду параметрів процесу газо-фазового осадження. Найістотнішу роль грає 
температура на межі розділу конденсату і інструментального матеріалу. Від 
температури залежать структура покриття і міцність його зчеплення з 
твердосплавною основою. 
До основних переваг даного методу можна віднести його 
універсальність, що дозволяє отримати покриття на поверхні виробу складної 
конфігурації і заданих розмірів, мінімальне забруднення поверхні, що 
покривається, добре зчеплення з основою, висока густина і однорідність 
покриттів, що наносяться, можливість використовування устаткування 
масового виробництва, отримання багатошарових покриттів, легко 
здійснюваний контроль хімічного складу покриття. 
Методи CVD отримали широке розповсюдження для нанесення 
покриттів на основі карбідів, нітридів, карбонітридів титана, а також оксиду 
алюмінію на багатогранні непереточувані твердосплавні пластинки. На 
основі методів CVD розроблені технології, вживані відомими фірмами - 
виробниками твердосплавних інструментів «Сандвік Коромант» (Швеція), 
«Теледайн» (США), «Планз’є» (Австрія), «Відіа Крутий» (ФРН), «Юджин 
Карбон» (Франція) і ін. 
В основі методів CVD отримання покриттів на ріжучих інструментах 
лежать гетерогенні хімічні реакції в парогазовому середовищі, що оточує 
інструмент, в результаті яких утворюється покриття, що конденсується на 
його поверхні, формуючи рівномірний однорідний шар. При масовому 
виробництві багатогранних твердосплавних пластин з покриттями звичайно 
застосовують процес водневого відновлення пари галогеніда тугоплавкого 
металу при температурах 1000-1100°С. В процесі отримання покриття 
температура грає найважливішу роль і сильно впливає на швидкість 
осадження, структуру і властивості покриттів. 
16 
Розглянемо процес отримання твердого захисного покриття на прикладі 
карбіду титана. Правильна організація технологічних процесів осадження 
карбіду титану з газової фази вимагає ясності в розумінні термодинаміки і 
кінетики цих процесів. 
Як відомо, рівноважний стан системи визначається її складом, 
температурою і тиском. При одному і тому ж загальному складі системи 
(початковому або цінніший рівноважному) немає значення перебирати різні 
газоподібні неорганічні і органічні з'єднання титана - кінцевий результат 
буде однаковий. Проте склад системи не може бути вибраний яким завгодно 
через обмеженість летючих з’єднань титана, придатних для 
використовування осадження карбіду титана з газової фази. 
В переважній більшості досліджень і здійснених в промисловості 
технологічних процесах при осадженні карбіду титана як початкові речовини 
використовуються хлориди титана (рідше - інші галогеніди титана), 
вуглеводні і водень. Найзручнішим носієм титана в газовій фазі є 
тетрахлорид титана ТІС14. В звичайних умовах це легко гідролізуюча 
безбарвна рідина з точкою замерзання – 23°С і точкою кипіння 136°С. 
Тетрахлорид титана відносно дешевий і доступний, оскільки є основним 
початковим з'єднанням для виробництва металевого титана. 
В спрощеному вигляді реакція осадження карбіду титана з суміші ТІС14, 
СН4 і Н2 може бути записана у вигляді ТІС14 + СН4 + Н2 →ТіС + НС1. 
При розумних співвідношеннях ТІС14 : СН4 : Н2, що найчастіше 
використовуються на практиці, і тиску, близькому до атмосферного, 
рівновага реакції практично повністю зсувається управо при температурах 
вище 900-1200°С 
Для точного розрахунку рівноваги реакції необхідно враховувати всі 
можливі продукти взаємодії в системі C-H-Cl-Ті. Оскільки абсолютно всі 
продукти взаємодії (у тому числі радикали, полімерні молекули в газовій фазі 
і т.д.) врахувати неможливо, то звичайно в розрахунках враховують 
17 
найстійкіші речовини. 
Розрахунок проводиться таким чином. Склад системи задається 
співвідношенням С : Н : СІ : Ті (причому ніякого значення не має, якими 
початковими речовинами досягнуте це співвідношення), в програму ЕОМ 
вводять термодинамічні дані всіх речовин, загальний тиск і температуру і в 
результаті розрахунку одержують рівноважний розподіл речовин. Графічно 
результати розрахунку звичайно представляють в координатах: розподіл 
рівноважних речовин — температура (р — const, склад = const); розподіл 
рівноважних речовин - тиск (Т = const, склад = const); розподіл рівноважних 
речовин - склад (р = const, T= const). 
Основна мета такого аналізу - визначення умов, при яких більша частина 
титана знаходиться в конденсуючому стані у вигляді ТіС і ніяких інших 
конденсуючих фаз (особливо вуглецю) немає. Для того, щоб добитися таких 
умов при мінімальних температурах (а саме, при мінімальних температурах 
виходять найякісніші покриття), необхідно зменшувати тиск, збільшувати 
розбавлення системи воднем і знижувати співвідношення СІ: Ті. 
При осадженні карбіду титана небажаним супутнім процесом може 
виявитися осадження твердого вуглецю. За інших рівних умов цей процес 
тим більш вірогідний, чим вище температура осадження. 
Основний недолік і основні помилки розглянутого вище методу 
розрахунку рівноваги викликаний ігноруванням утворення розчинів речовин 
в конденсуючій фазі та ігноруванням широкої області гомогенності карбіду 
титана. 
Кінетика і механізм осадження карбіду титана з газової фази 
визначаються температурою, співвідношенням газових компонентів, 
загальним тиском газу, швидкістю газового потоку, типом вуглецю. На 
структуру покриття (зернистість, ступінь кристалічної, переважна 
кристалічна орієнтація), окрім перерахованих чинників, впливають також 
хімічний склад і стан поверхні підкладки. 
18 
Лімітуючою стадією процесу осадження може бути або дифузія 
компонентів в газовій фазі, або швидкість хімічної реакції. Серед різних 
реакцій найповільнішої, як правило, виявляється реакція розкладання 
вуглеводнів. 
За звичайних умов осадження при низьких температурах (Т<1000°С) 
лімітучою стадією є швидкість реакції, а при високих - дифузія в газі. Звідси 
витікає, що при однаковому тиску і складі газу при низьких температурах 
швидкість осадження карбіду титана мало чутлива до зміни швидкості 
газового потоку а при високих температурах - до зміни температури. В 
кінетичній області швидкість осадження має параболічний характер, тобто 
товщина покриття при постійній температурі збільшується пропорційно. В 
початковій стадії (приблизно 1хв) процес нестабільний, потім протягом 
довгого часу швидкість осадження залишається постійною. 
Змінюючи умови осадження, можна отримати найрізноманітнішу 
структуру опадів карбідів, починаючи від ниткоподібних кристалів, "вусів" 
(дуже низькі температури і малі концентрації вуглеводнів в газовій суміші) і 
кінчаючи грубими, шорсткими осіданнями, що складаються з окремих 
правильно обмежених монокристалів щодо великих розмірів (високі 
температури). Гладкі, дрібнозернисті осідання одержують при середніх 
температурах (1000-1100°С) і помірних концентраціях вуглеводнів в газовій 
фазі. 
В останньому випадку на початковій стадії процесу на підкладці 
утворюються зародки, які, розростаючись, зливаються в суцільне покриття. 
Надалі товщина покриття росте, як указувалося вище, по параболічному 
закону. 
Основними виробниками устаткування для процесу CVD є: акціонерне 
суспільство «Берна Олтен» (Швейцарія) і фірма «Сиентіфік коатингз» 
(СІЛА). На рис.1 представлена схема установки для нанесення покриттів 
методом CVD. 
19 
Технологія отримання покриттів, в даному випадку з карбіду титана, 
полягає в наступному: деталь, на яку необхідно нанести, покриття, ретельно 
очищається і помщається в реактор для нанесення покриття. Реактор, що 
герметизується, вакуумувався для усунення кисню, який є шкідливою 
домішкою, і заповнюється захисним газом. Після нагріву реактора з деталями 
до температури нанесення покриття захисна атмосфера замінюється хімічно 
активними газами. В процесі нанесеня покриття тиск хімічно активних газів 
(наприклад, метану) повинен підтримуватися постійним. Як побічний 
продукт утворюється НС1, який необхідно постійно видаляти і 
нейтралізувати у водному розчині NaOH. Пониження тиску сприяє десорбції 
хлористого водню з поверхні деталі, на яку виміні наноситься покриття. 
Після нанесення покриття хімічно активні гази змінююються інертним газом 
і вироби охолоджуються до кімнатної температури. Для отримання 
високоякісного шару карбіду титана необхідно використовувати дуже чисті 
(перш за все по кисню) гази з мінімальним вмістом вологи. За одне 
завантаження обробляється велика кількість деталей. Температура нанесення 
покриттівв складає 750-1050°С залежно від матеріалу покриття; швидкість 
осадження Змкм/год. Споживана потужність однієї печі 50-60 кВт. 
Незважаючи на широке застосування методу CVD, перш за все за 
кордоном, і його очевидні переваги перед іншими методами, він 
використовується тільки для обмеженого класу матеріалів. Застосування 
покриттів з карбіду титана, отриманих методом CVD, найбільш ефективне 
для твердих сплавів. 
20 
 
Рис.1.1 - Схема установки для нанесення покриттів методом CVD: 
1 - газ; 2 - піч; 3 - фільтр; 4 - випаровувач; 5 - реактор; 6 – насос 
 
Також його можна застосовувати для деяких сортів сталей: 20X13, 
ЖХ13, У8,7Х3, армко-заліза, сталей 12Х18Н10Т, 45, ХВГ [13]. Мала товщина 
покриття з карбіду титана і його висока твердість в значній мірі ускладнюють 
механічну обробку деталі. Коефіцієнт термічного розширення карбіду титана 
(7,42-106 К1) істотно відрізняється від коефіцієнта термічного розширення 
сталі (11-16-106 К1), що обмежує товщину шару карбіду титана. 
Метод CVD поки не знайшов широкого застосування для отримання 
покриттів на сталях, але інтенсивні дослідження по створенню зносостійких 
покриттів на сталях методом хімічного осадження з газової фази проводяться 
в багатьох країнах. Основним стримуючим чинником є висока для основи (в 
даному випадку - сталі) температура осадження при нанесенні покриття 
методом CVD -950-1050°С. При цих температурах відбуваються структурні 
перетворення в матеріалі-основі, що приводить до зміни розмірів 
інструменту. До недоліків процесу CVD в застосуванні до сталей слід 
віднести низьку стійкість останніх до дії хлористого водню, низьку 
21 
швидкість осадження покриттів (3 мкм/год) і достатньо велику енергоємність 
процесу. 
1.2.2. Плазмове напилення 
До другої групи методів можуть бути віднесені методи фізичного 
осадження покриття (методи ФОП), що отримали назву в світовій практиці 
назву PVD cal vapor deposition). 
Процеси PVD включають вакуумне випаровування елемента – 
утворювача з’єднання покриття. Можлива його часткова або повна іонізація 
(при частковій іонізації утворюється пароплазмова фаза). Може 
здійснюватися подача реакційного газу, протікати хімічні і плазмохімічні 
реакції. Паровий потік конденсується на робочих поверхнях деталі або 
ріжучого інструменту, що захищається. 
Широке розповсюдження в промисловості отримали вакуумно-плазмові 
методи. Застосування вакуумно-плазмових методів значно розширює 
технологічні можливості деталей з покриттями. Ці методи дозволяють більш 
ефективно керувати процесами отримання покриттів із заданими 
властивостями, а також попереджати утворення геометричних, 
кристалохімічних і фізико-механічних дефектів на поверхневих шарах 
матеріалу, що захищається [6]. 
Можливість широкого варіювання температурою в зонах нанесення 
покриттів дозволяє використовувати вакуумно-плазмові методи як 
універсальні методи для нанесення покриттів на підкладки з твердих сплавів 
і сталі. Вакуумно-плазмові методи універсальні і з погляду можливості 
отримання широкої гамми моношарових, багатошарових і композиційних 
покриттів на базі нітридних, карбідів, карбонітридних, оксидних, борідних 
з'єднань тугоплавких металів IV-VІ груп  Періодичної системи елементів. 
Найхарактернішою особливістю покриттів, що отримуються вакуумно-
плазмовим методом, є відсутність перехідної зони між покриттям і 
інструментальним матеріалом. Це обумовлено вельми слабкою взаємодією 
22 
між конденсатом і субструктурами інструментального матеріалу в умовах 
відносно низьких температур останнього. Ця обставина є вельми важливою, 
оскільки створюється можливість отримання комплексу властивостей на 
робочих поверхнях інструменту практично без погіршення його об'ємних 
властивостей - міцності і в'язкості. 
Суть плазмового напилення полягає в наступному: в плазмовий струмінь 
вводиться напилювана речовина у вигляді порошку. Порошок інтенсивно 
нагрівається, розплавляється з поверхні, розпилюється і при взаємодії з 
поверхнею оброблюваної деталі утворює покриття. Основними перевагами 
цього методу нанесення покриттів є універсальність і невисока температура 
поверхні, що покривається. 
За кордоном великий асортимент устаткування для плазмового 
напилення розроблений фірмами "Метко" (Італія) і "Плазма - технік АГ" 
(Швейцарія). Принципова схема пристрою для плазмового нанесення 
покриттів представлена на рис. 1.2. 
 
Рис. 1.2 - Схема установки для плазмового нанесення покриттів: 
1 - компресор; 2 - мастоводовіддільник; 3 - ресівер; 4 - балони з 
плазмоутворюючим газом; 5 - джерело живлення; 6 - пристрій подачі 
охолоджуючої води; 7 - пульт керування; 8 - живильник подачі порошкового 
23 
матеріалу; 9 - плазмовий розпилювач; 10 - насадка для подачі 
охолоджуючого повітря; 11- оброблюваний виріб; 12 - витяжна шафа. 
Найпростіша універсальна установка для плазмового напилення 
порошків складається з плазмового пальника (дві модифікації якої 
представлено на рис. 1.3) порошкового живильника і пульта керування. 
Технічні характеристики установки УМП-5-68: продуктивність за 
напилюваним матеріалом 3-5кг/г; робочий струм 320-340А; максимальна 
потужність 40кВт; потужність, що рекомендується, ЗОкВт; робоча напруга 
дуги 85-95В; витрата азоту до 3,5 м3/г; витрата води 3,5л/хв; К.П.Д. 
плазмотрона 60-80 % [14]. 
В різних варіантах установок для плазмового напилення в якості 
плазмоутворюючих газів використовуються аргон, азот, аміак, водень, гелій і 
їх суміші. Із збільшенням витрати плазмоутворюючого газу зменшується час 
перебування частинок у високотемпературній зоні і росте швидкість 
частинок, що сприяє кращій пластичній деформації частинок при ударі об 
підкладку. 
Серед покриттів, отриманих плазмовим напиленням, широке 
розповсюдження отримали покриття на основі карбіду титана, що 
характеризуються високою пористістю, яка може складати десятки відсотків. 
Для зменшення пористості покриттів з ТіС рекомендується використовувати 
дрібнозернисті порошки, проте дуже дрібні порошки погано 
транспортуються і важко вводяться в гарячу область плазмового струменя. 
Добавка металу – зв’язки може проводитися трьома шляхами: фізичним 
змішуванням, покриттям частинок карбіду титана, добавкою мікроскопічних 
кульок. 
 
24 
 
Рис. 1.3 – Плазмово-дугові і плазмово-струменеві пальники 
 
Товщина покриттів, отриманих плазмовим напиленням, може 
змінюватися 30мкм до декількох міліметрів, а їх властивості відрізняються 
від властивостей початкового ТіС. Міцність напиленого карбіду титана в 5-10 
разів нижче за міцність компактного ТіС і в ньому спостерігається 
підвищений вміст азоту і кисню [15]. 
Дo теперішнього часу найбільше застосування знайшли покриття 
системи ТіС-Ni зміст нікелю в яких частіше за все складає 35 %. Для 
нанесення покриттів з ТіC-Ni методом плазмового напилення переважно 
використовують композиційні матеріали, частинки карбіду титана, що є, з 
покриттям із нікелю. Втрати у вазі карбіду титана і нікелю при напиленні 
таких покриттів приблизно однакові, тоді як при напиленні механічних 
сумішей ТіС і Ni спостерігається переважна втрата карбіду титана, що, 
очевидно, пов'язано з більшою дисперсністю частинок ТіС. 
Подальше збільшення використовування плазмового напилення 
покриттів стримується низькою продуктивністю установок, робота яких 
супроводиться шумом і сильним ультрафіолетовим випромінюванням, 
значною пористістю покриттів (7-15%), недостатньо міцним їх зв'язком з 
основою, підвищеним вмістом в покриттях кисню і азоту. 
Покриття, отримані методом іонно-плазмового напилення (ІПН), є 
25 
гомогенними, позбавлені пористості і щільно прилеглі до основи шари 
тугоплавких з'єднань на деталях будь-якої конфігурації. 
При іонно-плазмовому напиленні плазма металу конденсується на 
поверхні інструменту при одночасному проходженні плазмохімічної реакції з 
утворенням тугоплавкого з'єднання. Попереднього підігріву основи не 
вимагається. Тверді сплави з іонно-плазмовими покриттями 
використовуються, наприклад, в тяжких умовах переривистого різання. 
Висока ефективність застосування цих покриттів пояснюється збереженням 
міцності твердих сплавів після нанесення покриттів на відміну від методу 
CVD, а також можливістю отримання покриттів значної товщини. При іонно-
плазмовому напиленні досягається найбільший приріст зносостійкості 
матеріалу в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів. 
В даний час отримало розвиток декілька модифікацій методу іонно-
плазмового напилення: 
1). активоване випаровування, в процесі якого протікає хімічна реакція 
скорочення «ARE»); 
2). реактивне електронно-променеве плазмове напилення (РЕП); 
3). конденсація речовини з іонним бомбардуванням (КІБ); 
4). плазмове напилення при низькому тиску (LPPD); 
5). осадження, при якому протікає хімічна реакція при використовуванні 
тліючого розряду з порожнистим катодом (HCD). 
Процес ARE, розроблений Баншахом і Рагурамом, здійснюється шляхом 
використання сильно точної електронної гармати і слабкострумового датчика 
- електроду для підтримки процесу активації (рис. 1.4) [11]. 
В ресівері за допомогою електронно-променевої гармати створюються 
пари облягаючого металу. Робочий газ, що випускається через клапан-
дозатор, активізується іонами, утворюваними в результаті зіткнення 
розсіяних електронів з частинками металевої пари або з атомами робочого 
газу. В цих умовах стає можливим отримання незабрудненого покриття 
26 
стехіометричного складу при тиску 04 Па. Термін служби різців з 
швидкорізальної сталі з покриттям з ТіС, напиленим способом ARE, зростає 
в 8 разів. Для збільшення стійкості швидкорізальній стали розроблені 
покриття з Ті (С, N) з підвищеною концентрацією дефектів. 
При нанесенні покриттів методом НСД достатньо використовувати 
низьку напругу для роботи гармати і подачу зсуву на підкладку. Цей спосіб 
краще підходить для промислового застосування тому що для здійснення 
процесу ARE потрібне ускладнене маніпулювання сильно точними 
приладами в умовах вакууму, що приводить до виникнення проблем техніки 
безпеки. 
Установка, що використовується в процесі HCD, складається з гармати, 
що дає електронний пучок, який відхилюють на мідний під за допомогою 
слабого магнітного поля. Через танталову трубку порожнистого катода 
вводять аргон. Між водоохолоджуваним анодом і катодом подається напруга 
50В при силі струму 130A. На графітну підкладку завтовшки 6мм, розміщену 
на черені, встановлюють титановий «коржик» масою 30 р. Тиск аргону 
ОДПа, швидкість осадження ТіС - 0,2мкм/хв. 
 
Рис. 1.4 - Схема установки для активованого реактивного напилення: 1-
ресівер; 2-електронно-променевий випаровувач; 3-електрод; 4-клапан-
дозатор для випуску газу; 5-виріб. 
27 
Температура підкладки 650°С, а в якості газу-реагенту краще 
використовувати метан або етилен, тоді як застосування ацетилену 
приводить до забруднення стінок вакуумної камери і тильної сторони 
підкладки. Методами рентгенівської дифрактометрії і Оже-спектроскопії 
встановлено, що шляхом вибору відповідних умов осадження може бути 
отримана плівка ТіС стехіометричного складу. 
Високої міцності зчеплення покриття з основою можна досягти за 
допомогою іонного бомбардування. В колишньому СРСР розроблений метод 
КІБ (конденсація речовини з іонним бомбардуванням), а за кордоном 
подібний метод отримав назву реактивного іонізаційного напилення. Метод 
КІБ, який є найперспективнішим способом отримання покриттів методом 
ІПН, ділиться на три стадії: 
1. очищення в тліючому розряді; 
2. іонне бомбардування;  
3. осадження покриття. 
Для нанесення покриття методом РЕП (реактивне електронно-променеве 
плазмове напилення) створені установки ЕПН-12 і ЕГШ-16. Технічна 
характеристика установки ЕПН-12 наступна: гранична температура виробів - 
600°С, продуктивність процесу напилення покриття (ТіС, TiN), 1-2,5мм/хв, 
швидкість нанесення покриття, 1-2,5мкм/хв. 
Тиск в робочій камері після введення реактивного газу, як який 
використовується суміш азоту з ацетиленом, складає 5-Ю" Па. Покриття 
наноситься за допомогою електронно-променевого плазмового випаровувача. 
Ріжучий інструмент вмонтовується на спеціальному оснащенні, яке дозволяє 
рівномірно обертати його в процесі напилення. На установці ЕПН-16 можна 
обробляти в зміну близько 2тис. одиниць інструменту. 
До недоліків методу ІПН відносяться складність виготовлення і висока 
вартість установок для ІПН, недостатньо міцне зчеплення покриттів з 
основою внаслідок незначної температури процесу. Крім того, відсутні 
28 
прилади, безконтактно фіксуючі температуру виробів в інфрачервоній 
області за наявності плазмової хмари. 
1.2.3 Детонаційне напилення 
Детонаційне нанесення покриттів (ДНП) - прогресивна технологія, що 
має велике майбутнє в багатьох галузях промисловості. Основний розвиток 
вона отримала в СІЛА і в колишньому СРСР. Мета, яку ставили перед собою 
розробники - отримання технології «холодного нанесення» «товстих (від 
10мкм до одиниць мм) твердих», жароміцних, корозійностійких і 
зносостійких покриттів на поверхню самих різних виробів. Для досягнення 
цієї мети був розроблений автоматичний детонаційний комплекс (АДК). 
Детонаційні покриття (ДП) практично застосовні у всіх галузях 
промислового виробництва, де необхідно підвищити надійність і ресурс 
вузлів і механізмів машин, використовуючи при цьому традиційні, звичайно 
вживані конструкційні матеріали [16]. 
Характерною особливістю ДП є висока густина (пористість < 2%) і 
міцність зчеплення з матеріалом підкладки (S34 > 100-150МН/м2), незначна 
відмінність їх властивостей від властивостей таких же матеріалів в 
компактній формі. 
Залежно від умов промислової експлуатації детонаційні покриття можна 
її ти на три основні типи: 
- корозійностійкі (представлені переважно металами, такими, як нікель, 
ніхром, молібден, алюміній). Частинки металевих порошків в тому або 
іншому ступені покриті плівкою оксидів, які, рівномірно диспергуючись в 
шарі покриття, різко покращують його антикорозійні властивості і частково 
підвищують твердість. 
- зносостійкі (складаються з твердих сплавів на основі карбідів 
вольфраму, титану, хрому). Ці сплави містять в якості зв'язки 8-30 % 
кобальту, нікелю або хрому. Ці покриття володіють низьким коефіцієнтом 
тертя по сталі і можуть працювати у високонавантажених вузлах машин при 
29 
підвищених температурах в умовах відсутності мастила, володіють високою 
стійкістю до абразивного і ерозійного зносу. 
- жаростійкі (складаються звичайно з карбідів хрому, окислу магнію або 
алюмінію на зв'язках з нікелю або ніхрому, з'єднань нікель - алюміній, з 
чистих простих оксидів, таких, як окисел алюмінію, окисел хрому, двоокис 
титана і їх сумішей. 
Процес ДНП можна представити таким чином. Закритий з одного боку 
стовбур детонаційної установки заповнюють вибуховою газовою сумішшю. 
Потім в нього уприскують порцію напилюваного матеріалу. У дульного зрізу 
стовбура розташовують підкладку. Після цього ініціюють вибух газової 
суміші, наприклад електричним розрядом. При цьому виникаючий 
високотемпературний газовий потік продуктів детонації з великою 
швидкістю витікає із стовбура, викликаючи нагрів і прискорення частинок 
порошку напилюваного матеріалу. Внаслідок термічної і ударної взаємодії 
частинок з підкладкою, відбувається закріплення на ній основної маси 
порошку, тобто формується шар детонаційного покриття. На рис. 1.6 
представлена схема детонаційної установки [36] 
 
Рисунок 1.6- Схема детонаційної установки 
1 – область детонації; 2 – ударні хвилі; 3 – вогонь; 4 – деталь, що 
напиляється; 5 – ретонаційні (зворотні) хвилі; 6 – детонаційна хвиля. 
 
Детонація є процесом хімічного перетворення вибухової речовини при 
30 
розповсюдженні по ньому зони горіння у вигляді детонаційної хвилі. 
Остання рухається з максимально можливою для даних умов швидкістю, що 
перевищує швидкість звуку в даній речовині. 
Виділення тепла, яким супроводжується хімічна реакція, викликає 
нагрів до 3000 - 3500°С і розширення газоподібних продуктів детонації, 
внаслідок чого вони під великим тиском (до 200МПа) витікають із стовбура. 
Дія виникаючого високотемпературного газового потоку на 
напилюваний матеріал виявляється, перш за все, в прискоренні і нагріві 
частинок порошку. Нагрів частинок відбувається в результаті конвективного 
теплообміну з високотемпературним газовим потоком. 
Особливістю процесів є їх надзвичайно мала тривалість. Детонація 
вибухової суміші, що заповнює стовбур, завершується приблизно через 0,5мс 
після її ініціації, тривалість динамічної і теплової дії газового потоку на 
порошок звичайно не перевищує 3мс; час ударної деформації частинок 
напилюваного матеріалу в момент формування покриття не перевищує 
О1мкс. 
Основні недоліки детонаційного напилення такі: обмеженість 
конфігураційних форм деталі-основи, висока вартість і громіздкість 
установки, робота якої супроводжується сильним шумом. 
Детонаційне нанесення покриттів здійснюється послідовним 
виконанням наступних операцій, що входять в одиничний цикл (постріл): 
- заповнення вибуховою газовою сумішшю стовбура детонаційної 
гармати;  
- подача в стовбур гармати порошку матеріалу, що наноситься; 
- ініціація вибуху газової суміші в стовбурі. 
Детонаційний метод дозволяє використовувати для нанесення покриттів 
різноманітні матеріали: метали і сплави, тугоплавкі з'єднання, оксиди, 
композиційні матеріали. Ці матеріали застосовуються виключно у вигляді 
порошків з розміром частинок 2-150мкм. 
31 
Слід зазначити, що після ДНП, так само як і при всій решті методів 
високотемпературного нанесення покриттів, при охолодженні в системі 
«покриття – основа» виникають внутрішні напруги, частина яких знімається 
за рахунок розриву деяких з цих зв'язків і часткового ослаблення міцності 
зчеплення. 
При необхідності попереднього очищення або активації поверхні деталі, 
а також для підвищення міцності зчеплення покриття з підкладкою 
проводиться детонаційно-абразивна обробка (ДАО) поверхні під покриття з 
використанням того ж устаткування, що і для нанесення покриття. Для цього 
в стовбур подається замість порошку матеріалу, що наноситься, порошок 
абразиву. 
В реальних умовах ДНП проводиться не окремими частинками, а 
одиничною дозою порошку, масу якої звичайно підтримують в межах 100-
250мг, при цьому число частинок складає близько сотні. Взаємодія частинок 
між собою полегшена, оскільки вони активовані нагрівом і пластичною 
деформацією при зустрічі з поверхнею, абсолютно однакові по структурі і 
типу хімічного зв'язку. Друга обставина зумовлює знижену енергію активації 
їх з'єднання, а перша полегшує перехід цього енергетичного бар'єру. 
Всередині шару, утвореного за один цикл (постріл), відсутні пори і 
нерівності. Прилягання покриття до підкладки є достатньо щільним, 
покриття в цілому копіює рельєф поверхні деталі, що покривається. 
ДНП - процес вибуховий, циклічний, за кожний цикл (постріл) 
формується шар покриття завтовшки 5-20мкм. Розмір плями і його форма 
визначаються внутрішнім перетином вихідної частини стовбура і звичайно 
копіюють його. У разі круглого стовбура, який використовується найбільш 
часто, пляма має також форму круга. Якщо надати вихідній частині стовбура 
форму овалу (це звичайно досягається за допомогою насадок), то і пляма 
прийме відповідну розмиту форму. 
Послідовними пострілами нарощується покриття потрібної товщини, яке 
32 
може бути і більше одного міліметра, але звичайно товщина зносостійких 
покриттів коливається в інтервалі 50-150мкм, а корозійностійких - до 500мкм 
і у кожному конкретному випадку лімітується умовами роботи виробу, а 
також техніко-економічною доцільністю їх застосування. 
Технологія ДНП дозволяє досягати шорсткості детонаційних покриттів 
1,6-0,8мкм, що дає можливість не обробляти її у випадку, якщо покриття 
наноситься з метою захисту від механічного зносу, ерозії або корозії.  
При проведенні процесу ДНП коефіцієнт використання порошкового 
матеріалу складає 40-60%. Цей коефіцієнт корелює з якістю покриття (його 
густиною, міцністю зчеплення) і характеризує ступінь досконалості 
устаткування і технології. 
1.2.4. Наплавлення 
Останнім часом інтенсивно розробляється новий метод отримання 
зносостійких покриттів - лазерне наплавлення твердих з'єднань. Розглянемо 
процес нанесення зносостійкого покриття на прикладі карбіду титана. Високі 
твердість, і температура плавлення, порівняльна дешевизна і доступність 
карбіду титану зробили цей матеріал самим відповідним для цього методу 
[17-19]. 
Суть методу полягає в наступному: частинки карбіду титана 
впроваджуються струменем газу (частіше всього - гелію) в розплавлений 
лазерним променем поверхневий шар зміцнюваного матеріалу. Повторна дія 
лазерного променя і ллє отримати однорідний розподіл частинок карбіду 
титана в основі міцність зчеплення яких дуже висока. 
Цей метод найбільш перспективний для нанесення зносостійких 
покриттів на титанові і алюмінієві сплави. Оптимальна товщина покриття в 
цьому випадку складає близько 1мм, а вміст в ньому карбіду титана може 
змінюватися від 15 до 65(об’єм.). Збільшення змісту карбіду титана в 
покритті сприяє зростанню зносостійкості сплавів. 
До недоліків цих матеріалів відноситься зниження коефіцієнта тертя при 
33 
ковзанні їх в парі із сплавами на основі заліза в порівнянні із сплавами А1 і Ті 
без покриття і невисока ерозійна стійкість. 
Нові розроблені матеріали доцільно використовувати в областях, де їх 
невелика питома вага вдало поєднується з абразивною і корозійною 
стійкістю. 
Також, представляє інтерес технологія відновлення розмірів зношених 
деталей машин і механізмів різного призначення шляхом наплавлення 
зносостійких, антифрикційних і інших захисних покриттів. 
Дана технологія дозволяє методами плазмового напилення і 
наплавлення наносити захисні покриття і відновлювати розміри зношених 
деталей. На відміну від традиційних методів наплавлення, дозволяє наносити 
більш міцні і зносостійкі покриття з мінімальною глибиною проплавлення 
шару в один прохід. 
Технологія відновлення розмірів зношених деталей машин і механізмів 
може бути використана в судноремонті, авто ремонті, машинобудуванні і 
інших галузях і дозволяє досягти рівня кращих світових досягнень. 
Пропонована технологія забезпечує підвищення зносостійкості і збільшення 
терміну служби деталей, що працюють в умовах високих температур і 
агресивних середовищ, в середньому, в 2-2,5 рази. Пропонована технологія 
дозволяє: 
- відновлювати розміри зношених деталей і наносити захисні покриття, 
використовуючи більшість існуючих порошкових матеріалів, що не 
вдаються при нагріві; 
- дозволяє здійснювати контроль температури підкладки в процесі 
напилення без викривлення і змін властивостей основи; 
- має високу продуктивність процесу 10-15кг/г; 
- має велику кількість параметрів, що забезпечують гнучке регулювання 
процесу напилення і можливість плавної зміни складу покриття по 
товщині при злагодженій роботі двох дозаторів, з метою отримання 
34 
мало напружених шарів; 
- дозволяє ввести до складу напилюваного матеріалу будь-який інший 
матеріал для додання напилюваної поверхні спеціальних 
властивостей; 
- процес легко піддається автоматизації. 
В умовах гострого дефіциту і дорожнечі запасних деталей устаткування 
в судоремонтній, машинобудівній і інших галузях використання вказаної 
технології, часто, є єдиним шляхом рішення вказаних проблем і дозволяє 
забезпечити підвищену зносостійкість і збільшити термін служби деталей в 
2-2,5 рази. 
1.2.5. Електроіскрове легування (ЕІЛ) 
Принцип електроіскрового легування полягає в нанесенні на катод 
(основа) покриття, що утворюється в результаті ерозії анода під дією іонізації 
в плазмі. 
При електроіскровому легуванні можна змінювати склад покриттів в 
широких межах і одержувати покриття значної товщини (більше 100 мкм). 
До переваг цього методу також відносяться його універсальність і простота 
обслуговування устаткування. 
Висока твердість і зносостійкість електроіскрових покриттів зумовлена 
присутністю оксидних і нітридних фаз в легованому шарі. 
В більшості випадків зносостійкість деталей після ЕІЛ підвищується в 2-
8 разів, проте, іноді зносостійкість з покриттям ЕІЛ збільшується трохи або 
навіть зменшується. Суперечність відомостей пов'язана в основному з 
складністю вибору оптимальних режимів легування і матеріалів легуючих 
електродів. Практика показує, що не завжди враховуються деякі процеси 
ЕІЛ. 
При електроіскровому легуванні застосовуються два режими: грубе 
легування (струм короткого замикання Ікз ≥ 40-50А; напруга холостого ходу 
Uxx ≥ 65-80В) і чистове легування (Ікз ≤ 5-1ОА; Uxx ≥ 65-80B). Грубе 
35 
легування використовується для зміцнення поверхонь, до шорсткості яких не 
пред’являються високі вимоги, шляхом нанесення покриттів великої 
товщини (більше100мкм), а чистове легування - для локального зміцнення 
вузьких смуг, де необхідна шорсткість поверхні не перевищує 20мкм [20]. 
Характерною особливістю електроіскрового легування карбідами є 
значна частка крихкого руйнування в ерозійному ефекті (більше 90 % 
частинок крупні). Найбільшою електроерозійною стійкістю серед 
тугоплавких карбідів володіють карбіди вольфраму і титана [21]. Промислове 
застосування в якості матеріалу для ЕІЛ ріжучого інструменту знайшли 
сплави системи WC-Co. Проте у зв’язку з дефіцитністю вольфраму вельми 
актуальним є створення нових матеріалів для ЕІЛ. Карбід титана представляє 
великий інтерес для ЕІЛ як основний компонент електродів. 
ТіС еродує переважно в твердій фазі, тому покриття з ТіС відрізняються 
високою пористістю і наявністю крупних осколків неправильної форми. 
Покриття з ТіС, отримане методом ЕІЛ, складається з двох фаз: «сіра» з 
великою кількістю тріщин, низькою міцністю зчеплення з матеріалом основи 
і твердістю 14000 МПа і «біла» - у вигляді ділянок тонких прошарків з 
твердістю 9000 МПа. 
Із зростанням змісту зв'язаного вуглецю в карбіді титана його сумарна 
ерозія збільшується і якість покриттів поліпшується. При ерозії карбіду 
титана стехіометричного складу частка дрібнодисперсної фракції з розміром 
частинок 10-30мкм, що добре зчіплюються з поверхнею катода, зростає до 
42%. 
Для поліпшення якості покриттів з ТіС необхідно, перш за все, 
зменшити крихкість матеріалу - анода, що досягається додаванням 
пластичної зв'язки (частіше всього металів групи заліза). Оптимальна 
кількість зв'язки складає 25-30%, оскільки подальше зростання їх вмісту в 
карбіді титана приводить до зниження приросту катода в 2-2,5 рази. У свою 
чергу в покриттях виникають вертикальні тріщини у разі зменшення змісту 
36 
пластичної зв'язки до 20 %. Утворення тріщин відбувається в результаті дії 
розтягуючих напруг при охолодженні. 
При електроіскровому легуванні для збільшення мікротвердості 
покриття необхідно використовувати дрібнозернисті тверді сплави на основі 
карбіду титану. Позитивні результати отримані при електроіскровому 
легуванні сталей сплавами систем: TiC-Ni-Mo; TiC-Ni-Cr; TiC-Ni-Co-Cr, а 
також евтектичними сплавами Сг-ТіС [17, 50]. Серед цих сплавів переважно 
використовувати сплави системи TiC-Ni-Mo, оскільки застосування твердих 
сплавів із вмістом хрому приводить до підвищеного вмісту крихкої складової 
в продуктах ерозії. 
При електроіскровому легуванні на основі карбіду титана слід 
застосовувати режими з великими тепловими навантаженнями, оскільки при 
"чистовому легуванні" окисна плівка на поверхні анода підвищує його 
ерозійну стійкість. 
1.2.6. Дифузійне насичення 
Найосвоєнішим і широко вживаним методом нанесення зносостійкого 
покриття на інструмент з швидкорізальних сталей є дифузійне насичення. 
Перевага цього методу - можливість оптимізації будови і фазового складу 
покриття. Особливий інтерес представляють дифузійні покриття на 
конструкційних сталях, оскільки по своїх антифрикційних властивостях вони 
не поступаються карбідам, виготовленим методом пресування і спікання 
порошків [22]. 
Дифузійні покриття з ТіС одержують насиченням сталей в порошкових 
сумішах, що містять титан, інертний розбавник і галоідний активатор. 
Для збільшення товщини шару ТіС необхідно підвищити вміст вуглецю 
в сталях. Оскільки сталі із змістом вуглецю більше 1,3% промисловістю не 
випускаються, розроблені режими попередньої цементації сталей, що 
забезпечують вміст вуглецю в цементованому шарі 1,4-1,7% при збереженні 
високої чистоти поверхні. 
37 
Стійкість твердосплавного інструменту з дифузійним покриттям з ТіС і 
підвищується в 2-3 рази в порівнянні із сплавами без покриття, а швидкість 
різання при цьому збільшується на 30-40 % [23]. 
1.2.7. Електронно-променеве осадження у вакуумі 
В результаті розробки вакуумних методів значний прогрес був 
досягнутий в створенні захисних покриттів, зокрема покриттів, одержуваних 
електронно-променевим випаровуванням металевих і неметалічних 
матеріалів. Технологія фізичного осадження пари за допомогою 
електронного променя - одна з самих багатообіцяючих технологій, що 
з'явилися останнім часом. Практичне застосування отримали декілька 
способів електронно-променевого випаровування і нанесення покриттів. 
Найбільш універсальний метод - це метод прямого електронно-променевого 
випаровування. 
Випаровування здійснюється електронним променем з одного або 
декількох незалежних випаровувачів. Можуть застосовуватися різні 
поєднання випаровуваних матеріалів - метали і неметали (оксиди, карбіди, 
борид). Сумарний паровий потік конденсується на підігрітій до певної 
температури підкладці, утворюючи покриття. Цю технологію можна назвати 
"парове литво". Наприклад, тонка фольга з важко оброблюваного металу, 
сплаву або шаруватого матеріалу може бути значно дешевшою, якщо її 
виготовляти методом осадження, а шаруватий лист з металу і кераміки б 
було неможливо отримати звичайними методами механічної обробки. 
Для осадження сплавів і тугоплавких з'єднань основні технічні прийоми 
електронно-променевого випаровування повинні бути модифікованими. Є 
два шляхи для випаровування сплавів - використовування одного або 
декілька джерел. 
• Декілька джерел 
Ця система більш гнучка. Кількість джерел, випарювальних одночасно, 
рівна або менша кількості складових в сплаві. Матеріалами, випаровуваними 
38 
з кожного джерела, можуть бути метал, сплав або з'єднання. Так можна 
синтезувати дисперсно-зміцнений сплав. Проте цей процес складний, 
оскільки швидкість випаровування з кожного джерела повинна вимірюватися 
і контролюватися окремо. Відстань від джерела до підкладки повинна бути 
достатньо великою (380мм для джерел діаметром 50мм), щоб відбувалося 
повне змішування парових потоків до їх конденсації, що зменшує швидкість 
осадження. Більш того, при великій різниці в густині двох пар можуть бути 
труднощі в отриманні однорідного хімічного складу по ширині підкладки 
через розсіювання більш легких атомів пари. 
Можна також випаровувати кожний компонент послідовно, одержуючи, 
таким чином, багатошаровий конденсат, який потім гомогенізується за 
допомогою відпалу після осадження. Проте така методика ускладнює 
отримання високих швидкостей конденсації. 
• Одне джерело 
Недолік багато тигельної технології для осадження сплавів можна 
усунути, використовуючи одне джерело. Воно може бути з подачею 
випаровуваного матеріалу у вигляді дроту або стрижня. На торці твердого 
стрижня створюється рідка ванна розплавленого матеріалу обмеженої 
глибини. Якщо компоненти сплаву A1B1 мають різний рівноважний тиск 
пари, тоді склад рідкої ванни в сталому стані, наприклад А1В10, 
відрізнятиметься від складу підживляючого стрижня. За умов сталого стану 
склад пари такий же, як і твердого матеріалу, що подається в рідку ванну. 
Отже, процес можна почати з розплавлення "шайби" відповідного хімічного 
складу А1В10, що розташовується на торці стрижня, складу A1B1 утворюючи 
відразу рідку ванну з складом А1В10, або можна почати з розплавлення 
стрижня, що має склад А1В1, і випаровувати його до тих пір, поки рідка ванна 
досягає складу А1В10. Необхідно дотримувати обережності, щоб температура 
і об'єм рідкої ванни були постійною для отримання постійного складу пари. 
До теперішнього часу експериментальні результати показують, що цей 
39 
метод може бути використаний при відмінності в тиску пари компонентів в 
5000 разів. Цей метод не може бути використаний, коли однією з складових 
сплаву є з’єднання, наприклад, Ni-ThCb [29]. 
• Осадження тугоплавких з'єднань 
Процеси випаровування для нанесення покриттів з тугоплавких з'єднань 
додатково розділяються на два типи: пряме випаровування, де 
випаровуваним матеріалом є саме тугоплавке з'єднання, і реактивне або 
активоване реактивне випаровування, де метал (наприклад, Si,) або низьке 
з'єднання (наприклад, SiО) випаровується у присутності реактивного газу 
(наприклад, 02) з певним парціальним тиском, утворюючи, конденсат у 
вигляді хімічного з'єднання (наприклад, Si02), або Ті випаровується у 
присутності N2, утворюючи TiN. 
Найбільший інтерес для практичного застосування захисних покриттів, 
одержуваних за допомогою електронно-променевого випаровування, 
представляють наступні: корозійностійкі, жаростійкі і зносостійкі. 
Корозійностійкі покриття з алюмінію, хрому, титана, нікелю, 
неіржавіючих сталей достатньо легко створюють на простих поверхнях за 
допомогою електронно-променевого випаровування. Ці покриття 
відрізняються досконалою структурою, кращою корозійною стійкістю і 
більш високою адгезією з поверхнею в порівнянні з аналогічними 
покриттями, одержуваними традиційними електрохімічними методами. 
Проте низька розсіююча здатність парового потоку при електронно-
променевому випаровуванні (неможливість нанесення покриттів на затінені 
ділянки поверхні) і особливо висока вартість електронно-променевого 
устаткування обмежують застосування електронно-променевого методу. 
Особливо важливе значення для сучасного енергомашинобудування 
придбали жаростійкі покриття для роботи при температурі 900-1200°С. 
Жорсткі вимоги отримання багатокомпонентних покриттів заданого складу з 
високою густиною і адгезією виявили незаперечні переваги електронно-
40 
променевого методу в порівнянні з іншими методами: плазмовим 
напиленням, дифузійним насиченням і т.д. Покриття цього типу і 
електронно-променевий метод їх отримання знайшли застосування в 
багатьох країнах для захисту лопаток газових турбін різного призначення. 
Нанесення покриттів здійснюється в установках періодичної дії, 
забезпечених шлюзовими пристроями для завантаження - вивантаження 
лопаток [24]. 
За допомогою методів прямого і реактивного випаровування одержують 
також; особливо тверді зносостійкі покриття з тугоплавких карбідів, бориду, 
нітридів і оксидів. Експериментальні дані про структуру і властивості 
покриттів цього класу вказують на можливість їх застосування як зносостійкі 
покриття, зокрема на ріжучому інструменті [25]. Як відомо, в даний час для 
підвищення працездатності твердосплавного ріжучого інструменту широко 
застосовуються зносостійкі покриття з карбіду і нітриду титана, що 
наносяться газофазним методом. Тому зносостійкі покриття, що наносяться 
електронно-променевими методами, повинні мати більш високі фізико-
хімічні властивості і більш низьку вартість. Є певні перспективи отримання 
якісних зносостійких покриттів із задовільною адгезією при достатньо 
низьких температурах підкладки в порівнянні з газофазним методом. їх 
реалізація розв'яже дуже важливу проблему створення особливо твердих 
покриттів на інструментальних сталях.  
Покриття з карбіду титана, нанесене методом активованого реактивного 
випаровування на неіржавіючу сталь, може створити відмінну гладку 
зносостійку поверхню, порівнянну з поверхнею, отриманою за допомогою 
нікелевого покриття з алмазними включеннями, і в 36 разів кращу, ніж 
тверде хромове покриття, отримане електроосадженням [25]. 
На стадіях дослідження і розробки знаходяться наступні, представляючі 
інтерес, теми: 
- створення нових сплавів з використанням дуже малого розміру зерна 
41 
для отримання високої міцності в поєднанні з великою в'язкістю; дуже 
малого розміру частинок і відстані між ними для отримання дисперсно-
зміцнених сплавів дуже тонких одно- і багатошарових структур з дуже 
малою відстанню між шарами для отримання високоміцних і високов'язких 
композицій. 
- покриття для опору корозії, наприклад, тонке покриття з титана або 
титанового сплаву на більш дешевому матеріалі по порівнянню про 
виготовленням всього виробу повністю з титана; для опору, зносу на 
звичайній сталі і сплавах з використовуванням, конденсатів оксидів, нітридів, 
карбідів, керметів або конденсатів з концентраційним градієнтом по товщині 
шару; для збільшення терміну служби інструментів з швидкорізальної сталі і 
твердих сплавів для каталізу, використовуючи можливість створення дуже 
великих площ поверхні і нерівноважних сплавів; 
- виробництво ультратонких металів, сплавів, керамік або їх сумішей. Ці 
порошки б були вельми корисні у виробництві інструментальних сталей, 
керметів, дисперсно-зміцнених сплавів і ін.; 
- виробництво нових надтвердих матеріалів, наприклад, сплавів з 
карбідів, бориду рідкоземельних металів і ін. Багатошарові композиції з дуже 
малою товщиною шарів для отримання високої міцності і великої в'язкості 
при руйнуванні. 
1.2.7.1 Застосування електронно-променевої технології для 
отримання функціонально-градієнтних покриттів 
Тенденції розвитку сучасного матеріалознавства багато років були 
сконцентровані на отриманні гомогенних якісних матеріалів, сталей, сплавів і 
т.д. мають постійні задані властивості і експлуатаційні характеристики в 
своєму об’ємі. Швидке зростання авіаційного, енергетичного і космічного 
машинобудування створили безліч проблем в розробці матеріалів і покриттів. 
Таким чином, в багатьох областях виникла задача створення складних 
структур з високими технічними характеристиками. Для вирішення цих задач 
42 
останнім часом в світі ведуться роботи із створення функціональних 
градієнтних матеріалів (ФГМ) і покриттів (ФГП). Такі матеріали і покриття 
характеризуються в загальному випадку нелінійним тривимірним розподілом 
складу властивостей за об'ємом, тобто відрізняються від ізотопних матеріалів 
- наявністю градієнта структури і властивостей. 
Функціональні градієнтні покриття - цей достатньо новий напрям в 
області покриттів. Шляхом створення покриття із заданими профілями 
концентрацій і структури по товщині можливе отримання покриття з різними 
(наперед заданими) властивостями по товщині покриття. 
Теоретичні положення, що використовуються для проектування 
композиційних матеріалів, часто не підходять для розрахунку властивостей і 
визначення оптимальних структуру ФГМ. Подібні матеріали 
характеризуються також складнішою поведінкою в порівнянні із звичайними 
(гомогенними) матеріалами. Дифузійні процеси і хімічні реакції можуть 
приводити до деградації ФГМ або до погіршення їх властивостей. В даний 
час це в деякій мірі обмежує розробку і використовування ФГМ. Отримання 
цільного тривимірного виробу із заданими профілями концентрації і 
структури може розглядатися як кінцева мета створення ФГМ. З другого 
боку технологія виготовлення ФГМ не повинна приводити до істотного 
збільшення вартості виробу без значного приросту технічних переваг 
функціональних матеріалів перед звичайними матеріалами і структурами. 
Активні дослідження в області створення ФГМ ведуться в Японії в 
Національній аерокосмічній лабораторії. З 1987 р. там діє національна 
програма НІОКР по теорії і технології ФГМ. Останнє десятиріччя 
дослідження сконцентровані на етапі розробки ефективної системи прямого 
перетворення енергії або радіації в електричну енергію на основі 
напівпровідникових ФГМ. Також ученими Японії ведуться розробки систем з 
градієнтом оптичних, магнітних, квантових характеристик, електронних 
властивостей. 
43 
Отримання градієнта складу можливо декількома способами, наприклад, 
хімічними і електрохімічними, фізичними, плазмовим напиленням, синтезом 
і іншими. Більш детально зупинимося на можливостях, що відкриваються, по 
отриманню функціонально-градієнтних покриттів методом електронно-
променевої технології 
Градієнтні покриття технологічно просто можна одержувати 
випаровуванням багатокомпонентних сумішей з одного джерела і 
подальшою конденсацією парової фази на поверхнях виробів [12,26]. 
Суть пропонованого підходу легко продемонструвати на прикладі 
випаровування двокомпонентного сплаву А-В. Для визначеності приймемо, 
що компонент А має більш високий тиск пари при температурі 
випаровування в порівнянні з компонентом В. 
Г. Цинсмейстер, аналізуючи випаровування двокомпонентного сплаву 
А-В запропонував емпіричний параметр К, характеризуючий здібність 
сплаву до фракціонування [12]. 
1
f   2
К = A P0 A M
 B
f P    
B 0B  M A 
fA, fB- відповідно коефіцієнти активності компонентів А і В; Р0А і Р0В – 
тиск пари компонентів А і В при температурі випаровування рідкого сплаву, 
МА і МВ і молекулярні маси компонентів А і В. Якщо К<1 (при К=1 сплав 
випаровується злагоджено), спочатку випаровується компонент з високим 
тиском пари, а потім у міру збільшення кількості сплаву, що випарувався, 
починається випаровування компонентів з низьким тиском пари. Ця 
відмінність виявляється тим сильніше, чим більше параметр К відрізняється 
від одиниці і чим вище початкова концентрація компоненту А. В результаті 
вказаних змін складу парової фази формується градієнт концентрацій, 
містять максимальну кількість компоненту з високим тиском пари. 
Для захисних покриттів представляють інтерес багатокомпонентні 
потрійні А-В-С або четверні системи типу A-B-C-D, для яких тиск пари при 
44 
температурі випаровування зменшується в напрямі від А до D, наприклад, це 
можуть бути градієнтні теплозахисні покриття типу Al-A1203-Zr02, А1-Сг-
А1203, Аl203-Zr02, Al-Cr-A1203-Pt, Al-Cr-AT203-MgO [12,26,27]. На рисунку 1.7 
схематично показано пристрій для отримання градієнтних теплозахисних 
покриттів із зовнішнім керамічним шаром з частково стабілізованого оксиду 
Zr02. 
 
Рис. 1.7 - Схема пристрою для отримання градієнтних термобар'єрних 
покриттів 
В мідний водоохолоджуваний тигель поміщений пресований злиток 
кераміки ZrО2- (6-8)%Y2Оз, на верхньому торці злитка розташована таблетка 
багатокомпонентної суміші порошків типа AI-AI2O3-Zr02 або складнішого 
складу. Прямим електронно-променевим нагрівом здійснюється плавлення і 
безперервне випаровування спочатку таблетки, а потім керамічного злитка. 
Оскільки пружності пари компонентів вказаної вище суміші при температурі 
випаровування зменшуються у напрямі А1 до Zr02, відбувається виборче 
випаровуванні розплавленої таблетки: спочатку А1, потім Аl2О3, і на 
завершальній стадії – ZrО2. В результаті на підкладці формується конденсат з 
градієнтом хімічного складу і структури по товщині. На рис 1.8 показані 
розподіли алюмінію, цирконію і кисню, отримані за допомогою 
рентгенівського мікроаналізатора, і схеми відповідних структур в перетині 
градієнтного покриття, обложеного на поверхню нікелевого сплаву з 12 
45 
ваг.% алюмінію. 
 
Рис. 1.8 - Розподіл алюмінію, цирконію, кисню і схема структури 
перехідної зони зв'язуючий підшар - кераміка 
 
До поверхні підкладки примикає прошарок, що містить 19-20 ваг.% А1 і 
відповідна β-фазі (інтерметалід NiAl). За β - фазою слідує тонкий (менше 
1мкм) що полягає, в основному з Аl2О3 і плавно перехідний в двофазну 
область Аl2О3-Zr02, яка потім трансформується в кераміку Zr02(Y2О3). 
Керамічний шар завтовшки 150-200мкм в подібних покриттях забезпечує 
ефективний тепловий захист гарячих частин газових турбін різного 
призначення. Градієнтні матеріали із зовнішніми оксидними, карбідами або 
борідними шарами перспективні як тверді і зносостійкі покриття [28 -30]. 
1.2.7.2. Тверді градієнтні покриття на основі карбідів 
На підставі описаної вище концепції було запропоновано розробити 
технологію отримання твердих градієнтних покриттів на основі різних 
карбідів для захисту ріжучого інструменту і інших деталей, схильних 
активному абразивному зносу. Для вивчення особливостей випаровування і 
46 
осадження градієнтних зносостійких покриттів на основі карбіду були 
запропоновані до дослідження багатокомпонентні системи типу Со-Ті-С,  
Ni-Co-Ti-C, Ni-Cr-C, a також Ni-Co-Cr-Ti-C. 
Елементи в системі можна умовно розділити на дві групи: елементи 
зв'язки і елементи твердої частини карбіду. Матеріали, що виконують роль 
зв'язки (Ni, Co, Cr) має більш високий тиск пари при температурі 
випаровування в порівнянні з компонентами основи карбіду, і тому 
випаруються раніше. Вступаючи у взаємодію з матеріалом підкладки, зв'язка 
повинна забезпечувати адгезію всьому покриттю. 
Складові карбідів покриття мають більш низький тиск пари при 
температурі випаровування в порівнянні з елементами зв'язки і активно 
випаровуються по мірі зчеплення концентрації зв'язки. 
В результаті на підкладці формується градієнт концентрацій 
компонентів по товщині, складова карбіду при цьому знаходиться на 
поверхні покриття. 
47 
РОЗДІЛ 2. УСТАТКУВАННЯ, МАТЕРІАЛИ, ТЕХНІКА ПРОВЕДЕННЯ 
ЕКСПЕРИМЕНТУ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОКРИТТІВ 
Експерименти по отриманню твердих градієнтних покриттів на основі 
вакуумних конденсатів карбідів були проведені в Міжнародному центрі 
електронно-променевих технологій ІЕС ім. Патона НАН України на 
електронно-променевій установці УЕ-143М. Технологія отримання 
покриттів, методика проведення експериментів і методи дослідження 
покриттів були розроблена співробітниками МЦ ЕЛТ і ІЕС ім. Патона. 
2.1 Експериментальна установка, її конструкція, устаткування, що 
використовується для проведення експериментів 
Установка УЕ-143М (рис. 2.1) складається з 2-х вакуумних камер, 
(робочої камери і камери гармат), системи вакуумного відкачування, системи 
живлення, систем управління і систем водяного охолоджування. 
В робочій камері знаходяться: 
• Водоохолоджуваний мідний тигель діаметром робочої частини 
85мм, (рис. 2.2), в якому в ході експериментів розташовується вольфрамовий 
злиток-посередник з таблеткою для випаровування, що знаходиться на його 
поверхні. Тигель розміщується на мідній водоохолоджуваній плиті. 
• Підкладки з розташованими дослідними зразками з вмонтованими і 
парами, що служать для вимірювання температури підкладки в ході 
експериментів. 
• Різні технологічні пристрої. 
48 
 
Рис. 2.1 - Принципова схема установки 
1 - вакуумна камера; 2 - тигель; 3 - заслінка; 4 - підкладка; 5 - камера 
гармат; 6 електронно-променева гармата; 7 - вакуумний ізолятор; 8 - 
термопара; 9 дифузійний паромасляний насос; 10 -форвакуумний насос. 
 
Рисунок 2.2 - Принципова схема випаровування 
 
49 
Вказаний тигель був спеціально сконструйований для випаровування 
таблеток, що містять тугоплавкі елементи. Тигель виконаний з міді 
(коефіцієнт теплопровідності - 394 Вт/м ) і має спеціальну високоефективну 
систему водяного охолоджування [23,24]. Інтенсивне охолоджування 
забезпечується за рахунок високорозвинутої поверхні взаємодії міді з водою і 
високою турбулентністю потоку охолоджуючої води унаслідок напряму її 
руху, що постійно змінюється. Висока ефективність охолоджування тигля 
вказаної конструкції дозволила розплавляти і випаровувати тугоплавкі 
елементи без руйнування самого тигля. Як вказано вище, в тигель поміщався 
вольфрамовий злиток, на якому були розташовані суміші карбідів у вигляді 
спресованих таблеток, готових для випаровування. 
Стінки робочої камери захищені від теплового випромінювання двома 
рядами екранів, один з яких водоохолоджуваний. Необхідність використання 
водоохолоджуваних екранів викликано високими тепловими потоками, що 
йдуть від нагрітої поверхні вольфрамового злитка, що має високу 
випромінювальну здатність. Не водоохолоджувані екрани виконані з 
листової сталі, легко можуть демонтуватися і очищатися від залишків 
конденсату. 
Оглядове вікно дозволяє спостерігати за процесом випаровування і за 
рівномірністю нагріву підкладки. Вікно водоохолоджуване. Для захисту 
спостерігача від світлового потоку воно оснащено стробоскопом, для 
запобігання проникнення іонізуючого випромінювання обладнано свинцевим 
склом. 
Паровий потік осідав на заздалегідь нагріту сталеву стаціонарну 
підкладку, що знаходиться в робочій камері. На підкладці розташовувалися 
прямокутні шліфовані зразки розміром 35x10x2 мм, виготовлені із сталей з 
різними властивостями: СтЗ, сталь 45, У8 [25]. Попередній прогрів підкладки 
здійснювався шляхом нагріву вольфрамових штабиків, які знаходилися на 
ній. Тепловий потік шляхом теплопровідності і випромінюванням 
50 
передавався зразкам. Відстань від поверхні випаровування до підкладки 
складала 270мм. 
Установка УЕ-143М забезпечена не водоохолоджуваною заслінкою, 
виконаною з тугоплавкого матеріалу. Заслінка захищає зразки від парового 
потоку при попередньому прогріванні таблетки і вольфрамового злитка. 
Після попереднього прогрівання таблетки і тигля при відносно низькій 
потужності iвипарної гармати, заслінка відкривалася, і паровий потік осідав 
на нагріту до заданої температури підкладку. 
Температуру підкладки протягом процесу підтримували постійною і 
контролювали за допомогою хромель-алюмілевої термопари, гарячий спай 
якої був запресований в термопарний зразок або методом точкової зварки 
приварений до зразка [26]. Холодний спай знаходився на клемах вторинного 
приладу. Дроти термопари були ізольовані від парового потоку і один від 
одного керамічною соломкою і скловолокном. Для зменшення похибок 
вимірювання температури дроту термопари проходили через власне 
вакуумне ущільнення без розриву хромелевої і алюмілевої магістралей (рис 
2.3) [16-18]. 
 
Рисунок 2.3 - Термопарне вакуумне введення без розриву магістралей 
1 гумова пробка; 2 - шайба; 3 - магістралі термопари в керамічній 
ізоляції; 4 накидна гайка; 5 - стінка вакуумної камери; 6 - головка термопари; 
51 
7 - трубка. 
 
Система вакуумного відкачування складається з трьох дифузійних 
паромасляних (Н-250/2500) і одного форвакуумного (АВЗ-125Д) насосів. 
Форвакуумний насос здійснює первинне до початку відкачування газів з 
камер, а в ході процесу, відкачування з дифузійних паромасляних насосів. 
Один дифузійний паромасляний насос створює вакуум в робочій камері, два 
інших - в камері гармат. Насоси забезпечені вакуумними затворами В4-05-4, 
що дозволяє, при необхідності, відключити вакуумну систему від камери 
гармат і робочої камери. 
Для визначення і контролю вакууму в камерах і контролю роботи 
паромасляних насосів установка забезпечена лампами низького вакууму 
ПМТ-2, сигнали від яких йдуть на іонізаційний термопарний вакуумметр ВІТ 
3. Для контролю високого вакууму в робочій камері використовується лампа 
високого вакууму ПМІ-2, також сполучена з термопарним вакуумметром. 
В камері гармат знаходяться дві плоско-променеві електронні гармати - 
ПЕ-112 і ПЕ-103. Гармата ПЕ-112, розрахована на граничну потужність 
40кВт, використовується для попереднього нагріву підкладки і підтримки її 
температури постійною під час процесу нанесення покриття. Діапазон змін 
сили струму нагрівальної гармати в ході процесу - від 0 до 0,15А. Пушка ПЕ-
103 забезпечує прогрівання, плавлення і випаровування облягаючого 
матеріалу. 
Гранична потужність гармати ПЕ-103 - 60кВт. При прискорюючій 
напрузі 20кВ сила струму променя складатиме ЗА. Діапазон змін сил струму 
при випаровуванні лежить в межах від 0 до 2А. Пушки водоохолоджувані і 
захищені від парових потоків і теплового випромінювання з робочої камери 
екранами і плитою гармат. Гармати розташовані так, щоб вольфрамовий 
катод не знаходився в прямій видимості з тигля. 
Принципова схема плоско-променевої електронної гармати 
52 
представлена на рис.2.4. Гармати мають катод, що розігрівається до високої 
температури з метою отримання достатньо високої емісії електронів, 
фокусуючий електрод і прискорюючий анод [24,30]. Гармати входять в 
електричну частину установки. 
Електрична частина установки включає три основні блоки: блок 
забезпечення напруження, блок високої напруги і блок керування 
електронним променем. На магнітний підсилювач, який входить в накальний 
блок, подається трифазний струм напругою 380В і частотою 50Гц. Далі, 
посилений сигнал поступає на трансформатор напруження катода і далі, на 
трифазний випрямляч. Трифазний випрямляч подає на вольфрамовий катод 
постійну напругу 5-10В. 
 
Рисунок 2.4 - Просторова схема плоско-променевої гармати  
1 - токопідводи; 2 - анод; 3 - магнітопровід; 4 - напрямляч променя; 5 - 
катушка; 6 - електронний промінь; 7 - фокальна пляма; 8 - канал водяного 
охолоджування; 9 - лінійний катод; 10 - фокусуючий електрод. 
53 
При нагріві катода гармати проходячим струмом відбувається емісія 
електронів з його поверхні в простір. В плоско-променевих гарматах 
прямолінійний катод з вольфрамового дроту (або пластини) нагрівають 
прямим пропусканням електричного струму. 
Між катодом і анодом прикладено високу напругу 20кВ. Потік 
прискорених електронів проходить через канал в прискорюючому аноді і далі 
рухається за інерцією. Тому система анод-катод може бути видалена на 
значну відстань від поверхні, яка нагрівається, що необхідно для стабільної 
роботи гармати. Прискорені електрони потрапляють в злиток. Основна 
частка кінетичної енергії електронів перетворюється на теплову в тонкому 
приповерхному шарі. При прискорюючій напрузі 20кВ глибина проникнення 
електронів в металеві матеріали складає 1-2мкм [24]. Основне гальмування 
електронів здійснюється в кінці пробігу, тобто температура досягає 
максимуму на деякій відстані від поверхні, що нагрівається. Таким чином, 
при нагріві електронним променем джерело тепла знаходиться в самому тілі, 
в тонкому поверхневому шарі. Вказана особливість в поєднанні з повнотою 
перетворення кінетичної енергії електронів в теплову характеризує 
електронний промінь як ефективне джерело нагріву. 
Управління електронним променем здійснюють за допомогою блоку 
керування. В заданому просторі встановлюють електромагнітні катушки для 
фокусування променя і керування ним. Електромагнітна система формування 
геометрії променя виконана у вигляді одного блоку. Необхідність відхилення 
променя від первинного напряму катод-анод при випаровуванні матеріалів 
викликана в першу чергу прагненням захистити катод від прямого попадання 
пари і зменшити бомбардування іонами, проникаючими з робочої камери 
[24]. Резистори блоку керування і автомат відключення високої напруги 
винесені на пульт керування. На пульті керування знаходяться тумблери 
включення напруження гармат, резистори зміни напруження, і інші 
допоміжні елементи керування процесом. 
54 
До електричної системи також відноситься електрична шафа, 
забезпечена автоматами, що відключають нагрів печей насосів, автоматом 
відключення всієї установки. 
До системи водоохолоджування відносяться всі елементи установки, 
охолоджувані водою: тигель, тигельна плита, мідні екрани, стінки установки, 
оглядове вікно, двері, гармати і вакуумні насоси. Вода в систему 
охолоджування поступає з центральної оборотної системи. Температура води 
в системі за час проведення експерименту практично не змінюється і 
підтримується постійною в межах 15-20°С за допомогою центрального 
холодильника. 
2.2 Матеріали для отримання твердих градієнтних покриттів 
Для отримання твердих покриттів із заданим градієнтом складу і 
властивостей були використані суміші порошків типу ЗВ'ЯЗКА-КАРБІДНІ 
СКЛАДОВІ. Порошки в потрібних пропорціях змішувалися і пресувалися в 
таблетки заданого розміру. Як матеріал для виготовлення таблеток були 
використані порошкові матеріали: титан, хром, вуглець, кобальт, нікель, 
алюміній, бор (доповнення А). 
Випаровувані таблетки мали діаметр від 35мм до 42мм і висоту від 7мм 
до12мм. Маса коливалася від 15г до 30г. Таблетки виготовлялися шляхом 
пересування суміші компонентів в потрібних пропорціях. Далі таблетки 
просушувалися в печі при температурі 150°С на протязі трьох годин на 
повітрі і відпалені при температурі 1150°С протягом двадцяти хвилин у 
вакуумі. Відпалені таблетки знаходилися на поверхні вольфрамового злитка 
діаметр 85мм, який знаходився в описаному вище мідному 
водоохолоджуваному тиглі. 
2.3 Техніка проведення експерименту 
Основна відмінність даної технології отримання твердих покриттів 
карбідів від інших методів є те, що випаровуванню піддаються не готові 
хімічні з'єднання (карбіди), а фізичні суміші порошків їх компонентів. Це 
55 
значно спрощує і здешевлює технологічний процес отримання покриттів. 
Карбіди синтезуються вже на підкладці, заздалегідь підігрітої до температури 
осадження. Проте, при випаровуванні порошкових сумішей виникають 
складнощі, пов'язані з відмінністю в тиску насиченої пари елементів при 
температурі випаровування. Тобто, при прямому електронно-променевому 
випаровуванні таблетки в покритті утворюватиметься градієнт складу 
відповідний тиску насиченої пари компонентів. В той же час при отриманні 
твердих градієнтних покриттів на основі карбідів необхідно добитися 
одночасного (по можливості) випаровування складових карбідів для 
отримання на підкладці широкої області карбіду. 
Одночасне випаровування елементів з різним тиском насиченої пари 
можливо при різкому перегріві даних компонентів до температури, при якій 
ці елементи випаровуватимуться з близькими швидкостями. Для здійснення 
цієї ідеї був використаний злиток з тугоплавкого матеріалу, в даному випадку 
вольфраму, на якому розміщувалася початкова таблетка. 
Для отримання твердих градієнтних покриттів в установку, готову до 
роботи, поміщали шліфовані зразки, знежирені ацетоном (на підкладку). В 
безпосередній близькості від досліджуваних зразків розміщувався 
додатковий зразок з термрпарою (в деяких експериментах термопара 
методом контактної зварки приварювалася безпосередньо до початкового 
зразка). 
За допомогою системи вакуумного відкачування в робочій камері і 
камері гармат створювався тиск 1,33 103Па. Нагрівальна гармата ПЕ-112 
забезпечувала плавний прогрів підкладки і зразків до заданої температури 
осадження. Тривлість прогрівання складала близько 10хв. Прогрів 
здійснювався через вольфрамові штабики, розташовані на зразках. Сила 
струму на нагрівній гарматі була при цьому в межах 80-100мА, що відповідає 
потужності 1,6-2кВт. Після прогрівання підкладки до визначеної в ході 
попередніх експериментів температури осадження (близько 850°С), 
56 
променем випарної гармати плавно прогрівали вольфрамовий злиток і 
таблетку. Оскільки таблетка була розташована по центру тигля, і її діаметр 
був значно менше вольфрамового злитка, було можливим прогрівати 
вольфрам і таблетку так, щоб прямий електронний промінь не потрапляв на 
таблетку. Розгортка променя була колом діаметром близько 50мм. При 
такому способі нагріву таблетка плавно нагрівалася від вольфраму 
випромінюванням і теплопровідністю без локального перегріву областей 
випаровуваного матеріалу. Підбір різних розгорток сканування електронного 
променя дозволяє вибрати таку розгортку, при якій основна частина 
потужності променя буде сконцентрована по колу навкруги таблетки. 
Прогрів вольфраму і таблетки необхідний для видалення (випаровування) з 
поверхні злитка і випаровуваного матеріалу слідів органічних матеріалів, 
залишків спиртної зв'язки і інших речовин, присутність яких небажано в 
покритті. Зразки, при цьому, закриті від парового потоку заслінкою. Прогрів 
здійснюється плавно, при максимальній потужності 2кВт (сила струму 
променя близько 0,4А). При такій силі струму променя небажані домішки 
вже випарувалися з нагрітої поверхні таблетки і вольфрамового злитка, а 
випаровування матеріалу таблетки ще не спостерігається. 
Відкриття заслінки супроводжується зміною (збільшенням) температури 
підкладки, через додатковий тепловий потік від злитка. Змінюючи 
потужність нагрівальної гармати, температура і тепловий баланс підкладки 
підтримуються постійними. При попаданні променя на краї таблетки, 
особливо на початку процесу, можливі бризки, викликані різким перегрівом 
окремих частинок. Тому в ході процесу випаровування необхідно чітко 
контролювати значення сили струму і не допускати різких змін параметрів 
процесу. 
Плавне збільшення потужності вимушує легколетучі елементи 
сублімувати з поверхні таблетки. При цьому таблетка не розплавляється і 
зберігає свою форму. Швидке збільшення потужності променя випарної 
57 
гармати приводить до розплавлення вольфраму і поступового розплавлення і 
випаровування таблетки. Протягом деякого часу таблетку випаровують 
круговою розгорткою при значеннях сили струму 1,5-1,6А (потужність 
променя 30-32кВт). По мірі просіву таблетки в рідкометалеву ванну 
вольфраму діаметр розгортки променя змінювався так, щоб промінь 
проплавляв вольфрам навкруги таблетки. При такій методиці випаровування 
процес повинен відбуватися достатньо швидко, щоб уникнути виборчого 
випаровування елементів суміші, не переходячи, проте, певної межі, при якій 
таблетка як би "вискакує" з тигля. Сила струму променя випарної гармати в 
ході процесу не перевищує 2А. Звичайно, практично, важко добитися, щоб в 
ході всього процесу складові покриття випаровувалися одночасно в 
потрібних пропорціях. Насправді, на підкладці утворюватиметься деякий 
градієнт концентрацій елементів по товщині, а значить і градієнт 
властивостей. При цьому у контакті з підкладкою буде м'яка адгезійна 
область, яка плавно переходить в твердий шар карбіду. 
В ході процесу таблетка випаровується несиметрично, тому на 
завершальній стадії залишки неправильної форми під дією прямого 
електронного променя великої потужності перегріваються і розчиняються в 
рідкому вольфрамі. Процес триває до повного випаровування таблетки і 
утворення на поверхні вольфраму рівної рідкометалевої ванни. 
Час випаровування таблетки залежить від багатьох чинників: від складу, 
від маси, від геометричних параметрів таблетки, від методики проведення 
експерименту. Час випаровування заміряли з моменту переходу від 
попереднього прогрівання таблетки до прогрівання на високих потужностях, 
при яких починалася видима сублімація по краях. Експеримент вважали 
закінченим при повному розплавленні і випаровуванні таблетки. 
При випаровуванні таблеток на основі карбідів титана, при діаметрі 
таблетки 35 мм і масі 15г швидкість осадження складає близько 6-10мкм/хв. 
При випаровуванні таблеток на основі карбіду хрому при тих же параметрах 
58 
таблетки і іетр 35 мм, маса 15 г) швидкість осадження складає 10-15мкм/хв. 
Швидкість конденсації покриття визначали вимірюванням товщини 
конденсату за допомогою мікроскопа на поперечних шліфах, а також за 
часом і ведення експериментів. 
Товщина покриттів залежить від маси початкової таблетки. За даними 
багатьох джерел [6,11], для твердих зносостійких покриттів, вживаних для 
захисту ріжучого інструменту і відповідальних деталей рекомендована 
товщина – від 5 до 12мкм твердої області. Тому, при розробці технології 
отримання твердих градієнтних покриттів ставилася задача отримати 
покриття загальної завтовшки 15-20мкм. Отримання таких покриттів 
можливо при масі початкової таблетки 15-20г. За допомогою даної технології 
можливо отримання і товщих покриттів. Для цього необхідно збільшувати 
масу таблетки. Проте, для оптимізації подібних покриттів необхідно 
проводити додаткові дослідження. 
Температура підкладки в ході осадження покриттів підтримувалася на 
рівні 800-850°C. Процес починався при температурі близько 800°С, але в ході 
випаровування температура за рахунок випромінювання і енергії конденсації 
плавно зростала на декілька десятків градусів. Для запобігання значного 
перегріву зразків в ході випаровування використовувалася мідна in 
холоджувана підкладка. 
Після випаровування таблетки вольфрамовий злиток якийсь час 
піддають термічному відпалу, для усунення із злитка залишків таблетки. 
2.4 Методи дослідження покриттів 
Для отримання твердих градієнтних покриттів і визначення 
оптимального складу випаровуваної таблетки був проведений ряд 
досліджень. Отримані зразки розрізали на спеціальному відрізному верстаті, і 
по товщині покриття робився поперечний шліф. 
Мікротвердість покриття - це одна з основних характеристик твердого 
покриття, і до її визначення підходили з особливою ретельністю. За 
59 
допомогою мікроскопа POLYVAR MET і твердоміра при навантаженні 10г 
на поперечних шліфах вимірювалася мікротвердість покриття. Оскільки 
отримані покриття мають градієнт складу і структури, то і значення 
мікротвердості можуть змінюватися по товщині. Тому, був прийнятий 
наступний алгоритм вимірювання мікротвердості: на певній відстані від 
підкладки проводили декілька уколів твердоміра (звичайно більше п'яти) і по 
отриманих результатах визначали середнє арифметичне значення 
мікротвердості покриття на даному рівні. Подібну операцію проводили для 
наступного рівня. Число рівнів визначалося товщиною покриття і розподілом 
елементів. Звичайно уколи твердоміра доводилися на межу покриття з 
підкладкою, а також на відстанях 1мкм, 2мкм, 3мкм, 5мкм, 7мкм, 10мкм, 
12мкм і т.д. від підкладки. При необхідності уколи проводили частіше. 
Останній укол проводився на відстані 2-Змкм від поверхні покриття, оскільки 
при більш близькому підході до поверхні відбувався скол або завал 
ендентора твердоміра. В цьому випадку результат не міг розглядатися як 
коректний. 
Для більш об'єктивної оцінки результатів навантаження на твердомірі, 
по можливості, прагнули не змінювати. За отриманими даними будувалися 
криві мікротвердості. Для більш наочного сприйняття криві мікротвердості 
згладжувалися на комп'ютері. д рентгенівському мікрозондовому аналізаторі 
САМЕВАХ - SX30 вивчали розділ елементів і ступінь хімічної 
неоднорідності по товщині конденсату. Графіки розподілу елементів по 
товщині дозволяли судити про порядок випаровування елементів з 
початкової порошкової таблетки, їх концентраціях на етапах випаровування, 
а також про близькість покриття до стехіометрії. 
У зв'язку з тим, що покриття карбідів, що вивчаються, відносно тонкі 
(15-20мкм), для отримання більш достовірних результатів зонд 
рентгенівського аналізатора рухався під деяким кутом до покриття для 
збільшення довжини проходу зонда. Принтер рентгенівського 
60 
мікрозондового аналізатора САМЕВАХ SX3;0 викреслює графіки по крапках, 
відповідно свідченням приладу. 
Структура покриттів була досліджена на растровому електронному 
мікроскопі Cam Scan. Для проведення досліджень структури, покриття 
протравлювалися травителями, рекомендованими для кожного типу карбідів. 
Фазазовий аналіз проводився на рентгенівському дифрактометрі ДРОН 
4.0. Результат видавався у вигляді графіків залежності інтенсивності І в 
довільних одиницях [а.и.] від подвоєного кута дифракції 20. По графіку 
визначали в ення подвоєного кута дифракції 20 при максимумах 
інтенсивності дифракційної лінії. Далі, по формулі Вульфа-Брегга визначали 
міжплощинну відстань d для даних 20: 

d =  
2  sin
де d - міжплощинна відстань [нм]; 
Ɵ - кут дифракції; 
λ - довжина хвилі рентгенівського випромінювання анода [нм]; 
λСи-Ка = 0.15418 нм довжина хвилі рентгенівського випромінювання 
мідного анода λ =
Со-Ка  0.17902 нм довжина хвилі рентгенівського 
випромінювання кобальтового анода; λFe-Ка = 0.19370 нм довжина хвилі 
рентгенівського випромінювання залізного анода. 
По таблиці 1 (додаток А), знаючи міжплощинну відстань і максимуми 
інтенсивності дифракційної лінії визначався тип з'єднання [20]. 
При порівнянні експериментальних значень з табличними необхідно 
враховувати, що табличні значення дані, як правило, для фаз високої чистоти. 
Тому за наявності розчинених домішок в досліджуваній фазі її значення d 
можуть дещо відрізнятися від табличних (в межах ±0.005...0,00Інм) [20]. 
Можливо також невідповідність теоретичних і експериментальних 
інтенсивностей ліній фаз через текстуру (переважно, кристалічне 
орієнтування щодо зовнішньої системи координат розташування кристалів в 
61 
полікристалічних матеріалах), великого розміру зерна, розподіли об'ємних 
часток фаз по глибині шару, значних статичних зсувів атомів, відмінності 
коефіцієнтів поглинання фаз, рельєфу поверхні порошкових і інших зразків. 
Адгезію покриттів досліджували по схемі представленою на рис. 2.6 і 
2.7. Дослідження адгезії покриттів - це достатньо складна і трудомістка 
процедура. Відомі багато способів дослідження адгезії покриттів [3,4], але 
більшість з них достатньо складна і вимагає складного додаткового 
устаткування. Частіше всього дослідники вибирають свої оцінні критерії по 
яких судять про якість зв'язку покриття з підкладкою. В нашому випадку був 
вибраний достатньо простий метод ції инузразка. 
 
Зразки з покриттями затискалися в стаціонарні лещата. Щоб уникнути 
порушення поверхні покриття, затиск проводили через мідну прокладку. 
Одні губки лещат закруглюють з радіусом округляє R = 8мм, і розташовані 
так, щоб центр кола округляє був на одному рівні з іншими губками. За 
допомогою навантаження проводили прогин зразка. Зігнутий зразок 
фотографували за допомогою електронного цифрового фотоапарата, а потім з 
викривленої поверхні робили шліф. Для цього зразки подовжньо розрізали на 
відрізному верстаті з відрізним каменем малої товщини (не більше 1мм), а 
потім заливалися в пластмасу.  
62 
Попередню оцінку можна дати вже за зовнішнім виглядом покриття. У 
випадках незадовільної адгезії покриття часто відшаровувалося на 
початковій стадії випробування.  
Аналіз покриттів проводиться по розташуванню і глибині тріщин, що 
з’явилися в покритті внаслідок деформації. Тріщини можуть бути вздовж і 
поперек покриття. Утворення поперечних тріщин - це нормальне явище, 
викликане деформацією підкладки і покриття. Утворення ж подовжніх 
тріщин, особливо на межі покриття - підкладка, говорить про погану адгезію. 
 
Рисунок 2.7 - Прогин і злам зразків з покриттям в площині покриття 
 
Також, досліджувані зразки згиналися і ламалися в площині паралельно 
покриттю (рис. 2.7). Для цього з центральної частини підкладки видалявся 
трикутний сектор. Підкладка з покриттям згиналася в напрямі, показаному на 
рисунку. Відбувався злам і ця область фотографувалася за допомогою 
електронного скануючого мікроскопа. 
63 
Розділ 3. Дослідження структури та властивостей твердих градієнтних 
покриттів на основі карбіду титана 
3.1 Дослідження особливостей випаровування і конденсації 
порошкових сумішей Со-Ті-С, Ni-Co-Ti-C, Ni-Co-Cr-Ti-C 
Отримання покриттів карбідів типу Со-Ті-С, Ni-Co-Ti-C, Ni-Co-Cr-Ti-C 
шляхом електронно-променевого випаровування і конденсації у вакуумі 
відповідних сумішей порошків принципово відрізняється від інших методів 
отримання функціональних градієнтних покриттів. Це зв'язано, перш за все, з 
необхідністю одночасного випаровування ряду елементів, що мають різний 
тиск насиченої пари, а також з процесами, що протікають в сумішах 
порошків під час їх нагріву (фактично, під час вакуумного відпалу) до 
початку випаровування. 
Одночасне збалансоване випаровування карбідоутворювальних 
елементів є необхідною умовою отримання твердих покриттів карбідів. При 
цьому для отримання максимальної твердості покриття процентне 
співвідношення вуглецю і металу повинне бути близьким до 
стехіометричного [2-4]. 
При плавному, повільному випаровуванні безпосередньо самої таблетки 
відбувається поступове виборче випаровування елементів від більш 
легколетучих до менш легколетучих, і їх послідовне осадження. 
Досягнувши більш високих температур, при яких відбувається 
випаровування, тиск насиченої пари різних елементів стає характеристиками 
одного порядку, тобто швидкості випаровування компонентів за інших 
рівних умов будуть близькі. Досягти одночасного випаровування і осадження 
на підкладці карбідоутворювальних елементів в заданій пропорції можна при 
різкому перегріві цих компонентів. Таким чином, одночасне випаровування і 
осадження в необхідних пропорціях створюючих карбід елементів може бути 
досягнутий шляхом істотного перегріву початкової таблетки. 
Вказаний перегрів може бути реалізований за рахунок застосування, так 
64 
званого «гарячого джерела», суть якого полягає у використовуванні металу-
посередника з високою температурою плавлення. Звичайно як метал-
посередник використовують вольфрам, ніобій, молібден і інші тугоплавкі 
метали. Елементи з різним тиском насиченої пари, потрапляючи в розігріту 
рідку ванну металу-посередника перегріваються і випаровуються з 
близькими швидкостями. 
В даній роботі, для отримання твердих градієнтних покриттів на основі 
карбідів в якості «гарячого джерела» (металу-посередника) був використаний 
злиток вольфраму, що має температуру плавлення 3410°С [9]. 
В процесі експериментів, що розглядаються в даній роботі, початкова 
випаровувана таблетка розміщувалася безпосередньо на вказаному злитку до 
початку процесу, в ході якого електронний промінь на початковій стадії 
нагріває і розплавляє тугоплавкий вольфрам навкруги таблетки. Вона, 
потрапляючи у ванну рідкого вольфраму, розплавляється і випаровується при 
високих температурах і високих швидкостях випаровування. 
3.1.1 Попередній відпал порошкових сумішей 
Таблетки виготовлялися з суміші порошків складових покриття 
елементів і відпалювались на повітрі при температурі 150-200°С на протязі 
двох годин. При цьому випаровувалися залишки спиртної зв'язки і 
легколетучі фракції. Другий відпал проводився у вакуумній печі при 
температурі 1150°С на протязі двадцяти хвилин. Після другого відпалу 
таблетка набуває світлого металевого кольору і дещо змінює форму 
(викривляються грані і таблетка втрачає ідеальну круглу форму), матеріал 
таблетки стає більш твердим (залишає подряпини на склі). Таблетка не 
розсипчаста і є монолітом. 
Процес вакуумного відпалу був промодельований з використанням 
вакуумної камери електронно-променевої установки УЕ-143М. В якості 
нагрівача виступала електронно-променева гармата. Таблетки, відпалені 
тільки на повітрі при низьких (до 200°С) температурах, поміщалися у 
65 
вакуумну камеру і плавно прогрівалися нагрівальною гарматою при малій 
потужності променя (до 1,5кВт, значення сили струму до 0,75А), що 
імітувало вакуумний відпал. При прогріванні таблеток відбувалося 
інтенсивне газовиділення, яке фіксувалося за допомогою вакуумметра. 
На певному етапі нагріву (температура близько 900-1000°С) таблетка, 
що має більш високу температуру по краях (судячи з теплового 
випромінювання), починає «танцювати» по тиглю, а по ній поволі 
просувається мимовільний фронт, що світиться. Після припинення нагріву і 
відключення випарної гармати продовжувалося мимовільне просування 
фронту по поверхні таблетки. Фронт «покриває» всю таблетку, і від неї 
виходить яскраве металеве свічення. При цьому тиск в камері зростає до 
рівня 5-10-1Па. Після закінчення деякого часу вакуум відновлюється, а 
повторний прогрів на таблетку впливу вже не надає - розігріта таблетка по 
тиглю не переміщається, і вакуум не погіршується. Після цього процес 
прогрівання припинявся, таблетка остигала і витягувалася з вакуумної 
камери. 
В ході вакуумного відпалу відбувається високотемпературний синтез 
(СВС), що саморозповсюджується, тобто в таблетці відбувається часткова 
карбідизація. Таким чином, після вакуумного відпалу таблетка є якоюсь 
сумішшю вигляду ЗВ’ЯЗКА-Ті-ТіС-С, що частково складається з карбіду 
титана. Температура плавлення карбіду титана (3160 °С) істотно вище за 
температуру плавлення титана (1665°С) [11,46]. Плавлення і випаровування 
даної суміші відбувається при якійсь проміжній усередненій температурі. 
В ході описаного попереднього прогрівання вольфрамового злитка і 
таблетки (що проводилось в умовах експерименту при силі струму 0,7-0,8А і 
загальної потужності, що вводиться, 1,4-1,6кВт), таблетка практично не 
випаровується. Це підтверджується незмінною її масою, спектральним 
аналізом концентрацій компонентів в таблетці, а також відсутністю покриття 
на підкладці (див. таблицю 3.1). 
66 
Таблиця 3.1 - Склад та маса таблетки до і після вакуумного відпалу при 
високій і гратурі. 
Елементи Ni,% Со,% Ті,% Сг,% С,% Маса, г 
таблетки 
До відпалу 7 5 46 20 21.5 16 
Після відпалу 7.56 5.3 45.94 18.8 — -16 
З представленої таблиці видно, що в ході вакуумного відпалу при 
високій температурі концентрація найбільш легколетучих елементів 
практично не змінилася. Незначні розбіжності в концентраціях можуть бути 
викликані похибкою при приготуванні таблеток, а також похибкою 
вимірювання концентрації спектральним рентгенівським аналізатором "X-
Ray Unique". Відсутність даних про наявність вуглецю зумовлена 
неможливістю приладу аналізувати ці елементи. Проте, враховуючи, що 
вуглець має найвищий (з даних елементів) тиск насиченої пари, зміни його 
концентрації не представляє інтерес в даному дослідженні. 
3.1.2 Випаровування таблеток на основі карбіду титана 
По закінченні попереднього прогрівання плавно і швидко (швидкість 
підйому потужності 500Вт/с) збільшується потужність випарної гармати. При 
цьому відкривається заслінка. Підкладка заздалегідь підігріта нагрівною 
гарматою до температури осадження. 
При збільшенні потужності променя до 20-24кВт (сила струму 1.1 -1.2А) 
таблетка поступово починає сублімувати по краях (рис.3.1). За рахунок 
застосування спеціальної кругової розгортки електронного променя, 
вольфрамовий злиток розплавлявся по периферії навкруги таблетки, яка, 
частково сублімуючи і частково розплавляючись, поступово осідає в 
рідкометалеву ванну. При попаданні променя на краї таблетки, особливо на 
початку процесу, можливі бризки, обумовлені різким перегрівом окремих 
частинок. Тому в ході процесу випаровування необхідно чітко контролювати 
значення сил струму і не допускати різких змін параметрів процесу. 
Протягом деякого часу (1,5-2хв) таблетку випаровують з використанням 
кругової розгортки променя при силі струму променя 1,5-1,6А. 
67 
При цьому таблетка викривляється і набуває форму «холма» (рис. 3.2). 
Еленти таблетки сублімують безпосередньо з поверхні, а також 
випаровуються через рідку ванну металу-посередника. 
По мірі просідання таблетки в рідкометалеву ванну вольфраму і її 
випаровування діаметр розгортай променя звужувався так, щоб промінь 
проплавляв вольфрам в безпосередній близькості від таблетки. При цьому 
таблетка поступово зникає у вольфрамовій ванні (рис. 3.3). Основні 
компоненти таблетки титан і вуглець (а як встановлено і карбід титана) 
знаходяться в розігрітій ванні при однаково високій температурі і одночасно 
випаровуються з високими швидкостями, що досягають в даному випадку 10-
12 мкм/хв. За даними [10], при випаровуванні подібних систем разом з 
атомами титана в парах присутні ТіСг, ТІС4, а також молекулярні іони Сг+, 
Сз+. 
 
Рисунок 3.1 - Перший етап випаровування таблетки типу Ме-Ті-С 
 
68 
Рисунок 3.2 Сублімація таблетки по краях та з поверхні 
 
Рисунок 3.3 Розплавлення таблетки, що знаходиться на вольфрамовій ванні 
 
Рисунок 3.4 Заключна стадія випаровування 
 
В ході процесу таблетка випаровується і розчиняється в металевій ванні 
несеметрично, що приводить до утворення залишків неправильної форми, які 
на завершальній стадії процесу під дією прямого електронного променя 
великої юності перегріваються і зникають в рідкому вольфрамі. Процес 
триває до повного зникнення таблетки (рис. 3.4). 
Випаровування таблеток різного складу на основі карбіду титана 
принципово не відрізняється один від одного. Таблетки типу Со-Ті-С, Ni-Co-
Ti-C, Ni-Co-Cr-Ti-C випаровуються приблизно в однакових технологічних 
умовах (температура підкладки, швидкість випаровування, параметри 
69 
променя і ін.), тому описаний вище процес випаровування відноситься до 
всіх типів карбідотитанових таблеток. 
3.2 Структура і властивості покриттів 
Елементи в початковій таблетці будь-якого складу можна умовно 
розділити на дві групи: матеріали, що грають роль зв'язки (Ni, Co, Сг) і 
матеріали основи карбіду (Сг, Ті, С). Хром можна віднести як до першої, так і 
до другої групи, оскільки він грає роль і зв'язки, і бере участь в утворенні 
складного карбіду спільно з титаном і вуглем. Елементи першої групи 
(зв'язка) починають випаровуватися раніше елементів другої групи 
(карбідоутворювальні) і, вступаючи у взаємодію з матеріалом підкладки, 
забезпечують адгезію всьому покриттю.  
Спочатку дослідження проводилися на покриттях класичного типу Со-
Ті-С. Сплав типу Со-Ті-С добре відомий в світовій практиці, широко 
використовується для виробництва зносостійкого інструменту. Тому для 
отримання зносостійких покриттів був вибраний сплав, що складається з 
твердої основи ТіС з кобальтовою зв’язкою.  
В ході досліджень для поліпшення властивостей кінцевого продукту 
була запропонована ідея легування покриття іншими елементами, наприклад, 
нікелем і хромом, яка була реалізована на покриттях Ni-Co-Ti-C і Ni-Co-Cr-
Ti-C. 
3.2.1 Покриття типу Со-Ті-С 
Згідно із законами випаровування, першим з таблетки випаровується 
кобальт, який дифундуючи в залізо, забезпечує покриттю добру адгезію, а в 
області карбіду є зв’язковою для карбіду титана. Це зв'язано з тим, що 
вказані метали мають достатньо низьке значення краєвого кута змочування 
карбіду титана. А при виробництві покриттів частинки карбіду титана 
утворюватимуть щільне покриття при заповненні пор між ними матеріалом, 
який добре змочує ТіС. В таблиці 3.2 приведені дані про змочуваність 
карбіду титана різними матеріалами групи заліза [19].  
70 
Таблиці 3.2 - Змочуваність карбіду титана різними матеріалами групи заліза 
Змочуючий метал Т,°С Середовище 6,град. 
Кобальт 1500 Водень 36 
— II — 1500 Гелій 39 
— II — 1450 Аргон 16 
— II — 1500 Вакуум 5 
— II — 1450 — ІІ — 30 
Нікель 1450 Водень 17 
— II — 1450 Гелій 32 
— ІІ — 1450 Аргон 25 
— II — 1500 — ІІ — 0 
— II — 1450 Вакуум ЗО 
— II — 1500 — ІІ — 38 
— ІІ — 2200 — ІІ — 20 
Залізо 1550 Водень 39 
— ІІ — 1550 Гелій 36 
— ІІ — 1550 Аргон 125 
— ІІ — 1550 Вакуум 41 
71 
 
Найбільша змочуваність у вакуумі досягається, як видно з таблиці, при 
використовуванні кобальту, що і визначило подальше застосування нами 
саме кобальту для виробництва вакуумних конденсатів на основі ТіС. Зв'язка 
у складі покриття необхідна для забезпечення спікання (карбіди нездібні 
само спікатися, окрім як в умовах дуже високих температур), а також для 
підвищення ударної в’язкості матеріалів без значного зменшення твердості. 
На рис. 3.5 представлена діаграма стану Ті-С [7,8]. Щонайвища твердість 
спостерігається у верхньої межі області гомогенності, тобто при концентрації 
вуглецю 20 % [10,11,13], то для отримання твердого покриття 
співвідношення титана і вуглецю було вибране рівним - 80 % титана і 20 % 
вуглецю. Первинні дослідження були проведені на таблетці складу: 8Со-
73.6Ті-18.4С мас % (тут і далі використовуються масові відсотки), з 
розрахунку співвідношення у фазі карбіду 80%Ті-20%С. Проте, склад 
72 
отриманого покриття істотно відрізнявся від складу початкової таблетки 8Со-
73.6Ті-18.4С має % (рис.3.6). Спектральний аналіз по товщині покриття 
показав, що максимальне значення вуглецю в покритті складало близько 10-
12%, що в перерахунку на карбід титана складає 85%Ті-15%С. 
Мікротвердість при цьому була невелика, і складала в твердій області 18-21 
ГПа (рис.3.7). Таку розбіжність концентрацій вуглецю в початковій таблетці і 
в покритті можна пояснити тим, що вуглець при високій температурі 
частково взаємодіє із залишковими газами, зокрема з киснем, з утворенням 
газоподібних речовин, і видаляється вакуумними насосами. Тому, для 
отримання покриттів, близьких по складу і властивостям до 
стехіометричного, необхідно підвищити концентрацію вуглецю в початковій 
таблетці. 
 
Рисунок 3.6 - Розподіл елементів по товщині покриття, отриманого при 
випаровуванні таблетки 8Со-73.6Ті-18.4С 
73 
 
Рисунок 3.7 - Зміни мікротвердості по товщині покриття 8Со-73.6Ті-
18.4С 
 
Збільшення концентрації вуглецю позитивно відображається на кінцевих 
властивостях покриття. В покриттях 12Со-61.6Ті-26.4С (70ТІ-30С) 
концентрація вуглецю зросла, в порівнянні з покриттями типу 80ТІ-20С і 
близька до стехіометричної (рис.3.8). Відповідно зростає і мікротвердість 
(рис.3.9). Причому значення мікротвердості на деякій ділянці покриття 
досягали стехіометричних табличних величин. Проте це спостерігається у 
вузькій середній зоні. Далі покриття перенасичено вільним, незв'язаним 
вуглецем, що приводить до зниження рівня мікротвердості. Від 
максимального значення (35 ГПа) мікротвердість різко падає до значень 20-
22ГШ (2/3 від максимального). Покриття, одержувані випаровуванням 
таблетки складу 12Со-66Ті-22Смас % (75ТІ-25С), більш близькі до 
стехіометричного складу (рис. 3.10) і мають також високі, але більш рівні 
значення мікротвердості (рис.3.11). Даний тип покриттів і був вибраний для 
подальших досліджень. 
74 
 
Рисунок 3.8- Розподіл елементів по товщині покриття, отриманого при 
випаровуванні таблетки 12Со-61.6Ті-26.4С 
 
Рисунок 3.9 Зміна мікротвердості по товщині покриттів 12Со-61.6Ті-
26.4С 
75 
 
Рис 3.10 Розподіл елементів по товщині покриття, отриманого при 
випаровуванні таблетки 12Со-66Ті-22С 
 
Рисунок 3.11 Зміна мікротвердості по товщині для покриттів 
 
76 
Випаровуючись раніше інших елементів таблетки, кобальт дифундує в 
залізну підкладку, і в початкових шарах покриття, безпосередньо прилеглих 
до підкладки спостерігається максимальна концентрація цього елемента по 
товщині (-15-20%). Далі, із збільшенням товщини, концентрація Co плавно 
знижується до рівня -4-5% і тримається на даному рівні до кінця покриття. 
Від поверхні підкладки до 3-4мкм покриття складається в основному з 
титана, кобальтової зв'язки і незначної кількості вуглецю. По структурі ця 
ділянка покриття є багатофазною областю (рис 3.12). При цьому, як показує 
фазовий аналіз, можливо утворення інтерметалідного з'єднання Ті2Со. 
 
Рисунок 3.12 - Структура покриттів виду Со-Ті-С  
 
Твердість цієї області достатньо різко зростає (мал. 3.11), пропорційно 
зростанню концентрації вуглецю, від 7-9ГПа до 30-35ГПа під час переходу 
77 
початкової області в твердий карбід. 
Починаючи з відстанню 3-4мкм від підкладки починається основна 
тверда область покриття. На цій ділянці (до 12-13мкм) концентрація 
основних карбідоутворювальних елементів - титана і вуглецю змінюється 
трохи. 
Структура твердої області карбіду є направленою стовбчатою (рис 3.12). 
Зерна витягнуті уздовж ліній направленої кристалізації. Карбід, що 
утворюється, має високі значення мікротвердості (порядка 30-35ГПа), 
обумовлені близькістю концентрацій карбідоутворювальних елементів до 
стехіометричних величин. Проте, концентрація вуглецю, що має свій 
максимум на рівні 5-6мкм плавно знижується до 12-1Змкм (на декілька 
відсотків). Значення мікротвердості, дуже чітко реагуючі на зміни 
концентрації вуглецю також плавно знижуються. Досягнувши щонайвищого 
значення до 5 мкм (~35ГПа), мікротвердість падає до рівня -30ГПа до 12-1 
Змкм. Ця область є основною твердою областю покриття. 
На ділянці від 12-1 Змкм і до кінця покриття відбувається різке 
зниження концентрації вуглецю. Зниження концентрації вуглецю зумовлює 
утворення бідного по вмісту вуглецю карбіду титана, що приводить до 
зниження загального рівня мікротвердості. (до 20ГПа) (рис. 3.11). 
Таке різке падіння концентрації вуглецю до рівня 11-13%мас в 
заключній області покриття ймовірно пов'язано з технологією отримання 
даних покриттів карбідів. В заключній фазі процесу залишки таблетки 
повністю занурюються в рідкий вольфрам з утворенням рідкого евтектичного 
сплаву, об'єм рідкометалевої ванни різко збільшується, що приводить до 
дестабілізації процесу випаровування. При цьому швидкості випаровування 
карбідоутворювальних речовин непропорційно змінюються, і в покритті 
утворюється бідна по вуглецю область карбіду. Дана область має дещо більш 
низькі значення основної твердої області (~20-22ГПа). Проте, її товщина 
складає не більше 3-4мкм і це не істотно впливає на якість всього покриття. 
78 
Наявність крихкого інтерметалідного з'єднання Ті2Со в початковій 
області може привести до окрихчування всього покриття. З цим, ймовірно, 
зв'язано утворення на деяких зразках поперечних тріщин, що йдуть від 
області, що складається в основному з титана і кобальту, до області карбіду. 
З діаграми стану системи Ті-Со видно, що для відходу із зони освіти Ті2Со 
необхідно збільшувати концентрацію титана або зменшувати концентрацію 
кобальту в початковій зоні [29]. Для пом'якшення початкових шарів покриття 
і запобігання утворення Ті2Со розбавимо кобальтову зв'язку іншим металом 
групи заліза - нікелем. 
3.2.2. Система Ni-Co-Ti-C 
Нікель має близькі з кобальтом характеристики випаровування 
(температуру плавлення, тиск насиченої пари), і випаровуючись практично 
одночасно з кобальтом, пластифікує початкову область покриття. Нікель, як і 
кобальт, не утворює з'єднань карбідів [10,13], а нікель як зв'язка трохи 
поступається кобальту (див. таблицю 3.2). За даними [11], присутність 
нікелю в покритті покращує змочуваність складової карбіду, сприятливо 
впливає на утворення однорідної структури. В результаті вдається значно 
підвищити властивості міцності твердої області. 
З інших літературних джерел [11,19] відомо, що композиції, отримані 
просоченням пористого каркаса з карбіду титана з добавками нікелю, мають 
більш високі фізико-механічні властивості, в порівнянні із сплавами без 
нікелю. Таким чином, дана система Ni-Co-Ti-C є вдосконаленою для 
отримання твердих захисних покриттів. 
Склад таблетки виглядає таким чином: 4Ni-8Co-66Ti-22C. При 
випаровуванні таблеток такого складу на підкладці конденсується покриття з 
градієнтом складу, структури і властивостей по товщині. 
Аналогічно покриттям типу Со-Ті-С, елементи зв'язки, нікель і кобальт, 
мають свої піки біля поверхні підкладки (мал. 3.13), тобто в початковій 
області покриття. Концентрація кобальту в початковій таблетці вище, ніж 
79 
нікелю, тому і в покритті кобальту більше. Максимальна концентрація 
кобальту -10-13%, нікеля -6-8%. На ділянці від підкладки до 2-3мкм покриття 
видно різке збільшення концентрації титана і вуглецю. Структура початкової 
області покриття не рівноважна, багатофазна. Спостерігається дифузія Ni і 
Co в сталеву підкладку. Мікротвердість початкових шарів відносно невисока, 
оскільки концентрація титана і вуглецю в них мала (мал. 3.14), але 
спостерігається збільшення мікротвердості від 8-10ГПа підкладки до 22-
26ГПа на ділянці 2-Змкм. Таке різке збільшення мікротвердості пов’язано з 
різким збільшенням концентрації вуглецю. 
У міру випаровування таблетки підвищуються концентрації титана і 
вуглецю і, відповідно, плавно знижуються концентрації кобальту і нікелю. В 
області карбіду покриття кобальт і нікель є зв'язкою для карбіду титана. 
Сумарна концентрація зв’язки в області карбіду, як і для покриттів типу Со-
Ті-С складає близько 5-6%. 
Шари карбідів покриття ідентичні покриттю типу Со-Ті-С, з тією лише 
різницею, що зв'язкою є два компоненти: нікель і кобальт. Структура твердої 
області достатньо однорідна (мал. 3.15). 
 
Рисунок 3.13 - Розподіл елементів по товщині покриття, отриманого при 
випаровуванні таблетки 4Ni-8Co-66Ti-22C 
80 
 
Рисунок 3.14 - Зміна мікротвердості по товщині покриттів, отриманих 
при випаровуванні таблетки 4Ni-8Co-66Ti-22C 
 
Тверда область складається з двох частин: основної твердої області 
товщиною близько 8-9мкм (від 3-4мкм до 11-12мкм покриття) і менш твердої 
поверхневої частини (від 11-12мкм до 15-16мкм). Подібна однорідність 
структури спостерігається тільки в основній твердій області. Тверда 
поверхнева частина покриття характеризуються різким зменшенням 
концентрації вуглецю. Зниження концентрації вуглецю до рівня 11-13мас% 
зумовлює утворення бідного по вмісту вуглецю карбіду титана, що 
приводить до зниження загального рівня мікротвердості. 
Технологічні процеси проводилися при швидкостях осадження 6-10 
мкм/хв (див. розділ 2). При більш низьких швидкостях (близько 2-Змкм/хв) 
не відбувається одночасного випаровування титана і вуглецю в необхідних 
співвідношеннях для утворення стехіометричного карбіду титана, що 
приводить до різкого зниження мікротвердості. При більш високих 
швидкостях осадження таблетка достатньо швидко занурюється в рідкий 
81 
вольфрам, втрачаючи вуглець, а надшвидке випаровування приводить до 
розбризкування рідкометалевої ванни через локальний перегрів. Основний 
показник твердого покриття - мікротвердість - при цьому, зростає на початку 
покриття і, потім, різко падає до його зовнішньої поверхні. 
Загальна товщина покриття складає 15-16мкм. Чітко виражений градієнт 
структури по товщині (мал. 3.15) забезпечує градієнт властивостей, і зокрема 
мікротвердості: м'який адгезійний підшар плавно переходить в тверду 
область. Тверда область складається з двох частин: твердої основи завтовшки 
9мкм і менш твердої поверхневої частини товщиною порядка 3-4мкм. 
 
Рисунок 3.15 - Структура покриттів типу Ni-Co-Ti-C 
Проведена робота по отриманню градієнтних покриттів карбідів за 
допомогою електронно-променевої технології доводить можливість 
82 
отримання з одного джерела конденсатів, що включають елементи, що мають 
значну різницю в тиску насиченої пари. 
3.2.3. Складні покриття карбідів типу Ni-Co-Cr-Ti-C 
До покриттів на основі карбіду титана можна віднести складнішу і 
цікаву систему Ni-Co-Cr-Ti-C. Добавка хрому приводить до утворення 
складного карбіду, що складається з суміші карбідів титана і хрому. Карбід 
титана здатний розчинити як хром, так і вищий карбід хрому, при цьому 
хром, за наявності вільного вуглецю, зв’язує вуглець і вбудовується в грати 
ТіС. За даними Кіффера [9], добавка хрому може дати підвищення загальної 
мікротвердості покриття до 35-40ГШ, а оскільки карбід хрому відрізняється 
високою стійкістю до окислення, то і поліпшення інших властивостей 
покриття, зокрема його жароміцності і окалиностійкості. 
Спроби створення складного карбіду на основі суміші карбідів титана і 
хрому за допомогою електронно-променевої технології робилися раніше [44], 
але при цьому не були отримані скільки-небудь прийнятні результати. Це 
було пов'язано з труднощами випаровування компонентів з різних джерел 
для конденсації на поверхні стехіометричного складу. 
Використовуючи описану вище технологію отримання твердих 
градієнтних покриттів і маючи досвід отримання твердих покриттів карбідів, 
стало можливим синтезувати на підкладці складний карбід, що складається з 
суміші карбіду титана і хрому. 
Для градієнтних покриттів, одержуваних при випаровуванні початкової 
таблетки з одного джерела, гарантією забезпечення стехіометрії складу може 
бути правильний вибір співвідношення компонентів в початковій таблетці і 
методики проведення експерименту. Досвід, придбаний при отриманні 
покриттів типу Со-Ті-С і Ni-Co-Ti-C, а також деякі попередні експерименти 
дозволили звузити діапазон пошуку оптимального складу початкової 
таблетки. 
Були виготовлені таблетки двох складів з розрахунку 10%СгЗС2 - 
83 
90%ТіС і 30СгЗС2 - 70%ТіС. Представлені розрахунки є суто теоретичними, 
що використовуються для оцінних попередніх прогнозів при підборі 
концентрацій компонентів в початковій таблетці. Для проведення подібних 
розрахунків було прийнято, що в покритті утворюється карбід титана ТіС 
при співвідношеннях початкових компонентів в таблетці 75% титана - 25% 
вуглецю (виходячи з досвіду отримання покриттів типу Ni-Co-Ti-C) і карбід 
хрому СгзС2 - при співвідношеннях 85% хрому - 15 % вуглецю. 
Для твердих градієнтних покриттів, отриманих електронно-променевим 
випаровуванням з одного джерела, найвдалішою виявилася добавка хрому з 
розрахунку 30% карбіду хрому - 70% карбіду титана. 
Добавка хрому дозволила понизити концентрацію титана в таблетці, 
оскільки частина вуглецю взаємодіє з хромом. Сумарна концентрація зв'язки 
(нікелю і кобальту) залишилася незмінною в порівнянні з покриттями типу 
Ni-Co-Ti-C: 12 мас%. В процентному співвідношенні склад таблетки 
виглядає так: 5Ni-7Co-22Cr-46Ті-20С. 
Методика випаровування таблетки виду 5Ni-7Co-22Cr-46Ti-20C 
принципово не відрізняється від випаровування інших типів 
карбідотитанових таблеток, описаних в попередніх розділах. 
Використовуються практично ті ж технологічні прийоми випаровування при 
подібних параметрах процесу. По характеру випаровування таблетки також 
не відрізняються одна від одної. 
Нікель і кобальт, маючи близькі значення тиску насиченої пари, 
випаровуються практично одночасно і забезпечують адгезію покриттю (мал. 
3.16), дифундуючи в залізну основу аналогічно покриттям типу Со-Ті-С і Ni-
Co-Ti-C. Максимальні значення концентрацій Ni і Co спостерігаються на 
поверхні підкладки і, далі поступово знижуються по товщині покриття. 
Максимальна концентрація кобальту складає 10-13%, нікелю - 6-9%. У міру 
випаровування таблетки концентрація зв'язки різко падає, і до 5-6мкм по 
товщині покриття концентрації складають: Co - 3-4%, Ni - 2-3%. 
84 
Концентрація зв'язки зберігається тримається на цьому рівні до кінця 
покриття, тобто в області карбіду сумарна концентрація Ni і Co складає 5-6%. 
На малюнку 3.18 представлена структура всього покриття по товщині, а 
на малюнку 3.19 показана зона покриття безпосередньо прилегла до 
підкладки. Помітно чітко виражена зміна структури покриття від підкладки 
до початку твердої області карбіду, де поступово з'являються зерна карбідів у 
великій кількості зв'язки. Далі по товщині покриття, помітне зростання зерен 
карбідів і зменшення кількості зв’язки. Мікротвердість початкових шарів 
плавно збільшується, що напряму пов’язано з плавним збільшенням 
концентрації вуглецю. І, якщо у поверхні підкладки мікротвердість складає 
близько 10-12ГПа, то до 3-4мкм вказаний показник досягає значень 25-
28ГПа. Причому, зміна мікротвердості на цій ділянці має практично 
прямолінійний характер. 
Добавка хрому вносить значні зміни в розподіл елементів і властивостей 
покриття по товщині. Перш за все, це торкається приповерхневої і перехідної 
зон покриття. Максимальне значення концентрації хрому в покритті наступає 
дещо пізніше, не дивлячись на те, що тиск насиченої пари хрому вище при 
температурі випаровування, ніж нікелю і кобальту. Ймовірно, це зв'язано з 
тим, що хром в таблетці частково зв'язаний в складному з'єднанні карбіду, що 
утворюється після вакуумного відпалу, і починає активно випаровуватися 
після розкладання цього з’єднання. 
Максимум концентрації хрому (35-40%) лежить в перехідній області на 
ділянці покриття 3-5мкм, де сумарна концентрація нікель-кобальтової зв'язки 
знижується, а концентрації титана і вуглецю тільки починають зростати, але 
не досягають своїх максимальних значень. 
Ця область має велике значення. Подібно початковій області, структура 
покриття також плавно змінюється по товщині (рис 3.20). Із збільшенням 
товщини спостерігається зростання зерна карбіду і зменшення зв'язуючого 
елемента, ніж забезпечується плавний перехід до області, що складається в 
85 
основному з карбіду титана(мал. 3.21). 
 
Рисунок 3.16 - Розподіл елементів по товщині покриття, отриманого при 
випаровуванні таблетки 5Ni-7Co-20Cr-46Ti-22C 
 
Рисунок 3.17 - Мікротвердість покриття по товщині (5Ni-7Co-20Cr-46Ti-22C) 
86 
 
87 
 
88 
Спостерігається і більш плавний темп зростання мікротвердості в 
порівнянні з покриттями типу Со-Ті-С, Ni-Co-Ti-C (мал. 3.17). Не дивлячись 
на незначний вміст титана і вуглецю, мікротвердість в цій області має 
достатньо високі значення (-25 -30ГПа). Відносно висока твердість на даній 
ділянці при невисокому змісті титана і вуглецю можна пояснити утворенням 
складного з'єднання карбіду Cr-Ті-С з великим вмістом хрому. 
Поступово зростають концентрації титана і вуглецю, концентрація 
хрому при цьому падає. До 7-8мкм по товщині покриття концентрація хрому 
складає 15-20%. Також зменшується темп зростання концентрацій Ті і С. 
Усереднена концентрація титана на заключному відрізку покриття складає 
близько 65-70%, вуглецю -16-19%. Концентрація хрому падає з 15-20% до 5-
6% (в кінці покриття). Рентгеноструктурний аналіз цієї області говорить про 
наявність в покритті окрім карбіду титана і карбіду хрому Сг23С6. 
В області наближеної до зовнішніх шарів покриття можна говорити не 
про суміш карбідів або складний карбід з великим змістом хрому, а про 
карбід титана, в якому розчинена мала кількість хрому або карбіду хрому. 
Результати рентгеноструктурного аналізу поверхневих шарів підтверджують 
це. 
В ході досліджень покриттів для визначення фазового складу був 
застосований рентгеноструктурний аналіз з використанням різних видів 
випромінювання, що дозволило досліджувати покриття пошарово. Для 
покриттів з карбіду титана при зйомці з фокусуванням по Брегу-Брентано, 
товщина аналізованого шару може бути визначена як: 
1.5
h   sin
xTi + C
  
100
Const для даного
випромінювання
 
Μ - лінійний коефіцієнт ослаблення досліджуваного матеріалу; 
89 
 р - густина карбіду титана;  
х, у - масові відсотки Ті та С відповідно.  
Для даного складу приймемо співвідношення х = 80 %, у = 20 % (ТіС 
стехіометричного складу). 
При використанні Сика - випромінювання з довжиною хвилі 
λ=0.15418нм: 
μТі= 204 [см2/г], μс = 5.5 [см2/г], рТіС = 4.939 г/см3 
1/ 5  sin
h = 104 = 18.48  sin [мкм]  
(2400.80+ 5.5 0.2)  4.939
При використанні Coка - випромінювання з довжиною хвилі 
μТі=304[см2/г],μс = 8.5[см2/г] 
1/ 5 sin
h = 104 =12.4 sin [мкм]  
(3040.80+ 8.5 0.20) 4.939
Даний розрахунок приведений для чистого з'єднання ТіС. У разі 
дослідження градієнтних покриттів типу Ni-Co-Cr-Ti-C дана величина h буде 
ще менше через присутність в покритті хрому і карбіду хрому, що має 
високий коефіцієнт ослаблення, ніж у титана. Використання двох видів 
випромінювання дозволяє досліджувати отримані конденсати в декількох 
шарах. На рис 3.22 представлені результати рентгеноструктурного аналізу 
покриттів при зйомці в Coка випромінюванні, де позначені кути дифракції 
інтерференційних максимумів. В дужках вказані відповідні індекси Міллера. 
Співвідношення максимумів повністю відповідає літературним даним. 
Виходячи з рентгенограми, можна зробити висновок, що в досліджуваних 
шарах покриття присутній карбід титана ТіС і ніяких інших з'єднань 
дифрактометр "не бачить". Виходячи з графіка розподілу концентрацій 
компонентів по товщині, можна зробити висновок, що карбід титана 
розчинив деяку кількість хрому. А за багатьма літературними даними [9,15] 
ТіС здатний розчинити до 10%(ат.) хрому або до 40% багатого вуглецем 
карбіду хрому Cr3T2. Ймовірно, хром вбудовується в грати ТіС. 
90 
 
Рисунок 3.22 - Рентгенограма покриття Ni-Co-Cr-Ti-C, знята в СокА - 
випроміненні 
 
Рисунок 3.23 - Рентгенограма покриття Ni-Co-Cr-Ti-C, знята в Сика - 
випромінені  
Таким чином, маємо складний карбід титана з вбудованими в його грати 
атомами хрому. Основні інтенсивні максимуми (111, 200, 220, 311) отримані 
з товщини близько 5-7мкм від поверхні. 
91 
Мікротвердість основної твердої області складає 30-34ГПа. 
Спостерігається тенденція зниження мікротвердості до кінця покриття до 
рівня 25-30ГПа, обумовлена поступовим зниженням концентрації вуглецю, і, 
якщо прослідити зміну концентрації вуглецю і мікротвердості по всій 
товщині покриття, то легко можна помітити дуже чуйне реагування 
мікротвердості на зміну змісту вуглецю. Це ще раз підтверджує близькість 
складу покриття до стехіометричного. 
Аналіз адгезії покриттів проводили по схемі вигину зразка, описаній в 
розділі 2. На малюнку 3.24 показаний зразок з покриттям 5Ni-7Co-22Cr-46Ti-
20C. По куту вигину, при якому відбулося відшаровування, а також по 
розташуванню і глибині тріщин, що з'явилися в покритті унаслідок 
деформації можна зробити висновок про адгезію покриття. На малюнках 3.25 
і 3.26 показаний мікрошліф зігнутого зразка. На підставі проведених 
досліджень, можна відзначити наступне: покриття не відшаровується при 
куті загину до 80°. Спостерігається також повна відсутність подовжніх 
тріщин як на ділянці покриття - підкладка, так і уздовж шарів. При зламі 
зразків з покриттям в площині покриття (мал. 3.28-3.29) також відсутні 
подовжні тріщини на ділянці покриття - підкладка. Утворення ж поперечних 
тріщин - це нормальне явище, викликане деформацією підкладки і покриття. 
Результати адгезійних випробувань підтверджують добрий взаємозв'язок між 
покриттям і підкладкою. 
Даний тип покриттів має ряд незаперечних переваг: за рахунок великого 
вмісту легколетучих елементів початок зростання концентрацій титана і 
вуглецю змішаний щодо початку покриття. Це забезпечує збільшення 
товщини перехідної зони, зсув максимуму мікротвердості і більш плавний 
темп її зміни. Тверда зона складає 4/5 всього покриття. Зона з високим 
змістом карбіду титана розповсюджується від середини і до зовнішніх шарів 
покриття. За рахунок застосування хрому отримано тверде покриття з 
високими жароміцністю, окалино і кислотостійкістю. Технологія вакуумної 
92 
конденсації твердих градієнтних покриттів на основі карбіду титана при 
електронно-променевому випаровуванні висхідних матеріалів з одного 
джерела може бути застосований для захисту ріжучого інструменту і 
відповідальних деталей, схильних активному абразивному зносу. 
 
93 
Розділ 4. 
4.1 Охорона праці на ділянці по електронно-променевій обробці 
матеріалів 
Небезпечними факторами електронно-променевого обладнання 
виступають висока напруга, локальні області низького (вакуумна камера) та 
високого (компресор, пневмоприводи) тиску, а також наявність спрямованого 
потоку заряджених часток (електронів). 
Недотримання вимог до експлуатації технологічного вакуумного 
обладнання може привести до забруднення робочої зони (чи навіть робочого 
приміщення) випаровуваннями шкідливих речовин (вакуумного масла, 
емісійних вакуум стійких рідин тощо). 
Тому, електронно-променеве обладнання повинне мати максимально 
можливу технічну безпеку при його експлуатації. Засоби індивідуального 
захисту слід застосовувати в тому випадку, коли колективні міри захисту не 
дозволяють забезпечити виконання вимог по безпеці праці. 
Рекомендації по техніці безпеки при роботі на електронно-променевому 
обладнанні щодо виробничих приміщень такі:  
- До приміщення, в яких знаходиться електронно-променеве 
обладнання, повинні висуватися вимоги по "чистим кімнатам".  
- Вхід в приміщення з електронно-променевим обладнанням 
дозволяється персоналу, який має допуск по роботі на цьому 
обладнанні, в іншому випадку - по виклику чи при вказівці.  
- Робоче приміщення повинне бути яскраво освітлене, щоб 
запобігти тіньовій адаптації очей.  
Загальні рекомендації при роботі на електронно-променевому 
обладнанні:  
• Персонал, зв'язаний з обслуговуванням та експлуатацією 
вакуумних електронно-променевих установок, повинен проходити 
попередні, а також періодичні, не рідше 1 разу в рік, медичні огляди. 
94 
При погіршені стану здоров'я робітник повинен без запрошення 
з'явитися до лікаря для медичного огляду. 
• На кожній вакуумній установці повинен бути повний комплект 
документів що до її придатності до експлуатації і технічного стану 
установки. 
• Персонал, який обслуговує електронно-променеве обладнання, 
повинен мати спеціальну освіту, а також допуск до роботи на даному 
обладнанні. 
Ділянка по ЕП обробці матеріалів представляє собою приміщення 
загальним розміром 12мх7мх6м, в якому розміщаються: пульт керування, 
електронно-променеве обладнання на базі вакуумної установки УЕ-143М, 
високовольтне джерело живлення, шафи для інструментів, заготовок та 
готових виробів, УЗ ванна для очищення заготовок; письмові столи для 
конспектування спостережень під час роботи на установці. 
При роботі на електронно-променевому обладнанні особливої уваги слід 
приділяти пилезахисту та вологозахисту приміщення, в якому розташована 
технологічна ділянка. 
Оскільки обладнання для ЕП обробки матеріалів дуже важке і громіздке, 
то його, як правило, розташовують в приміщеннях нижче рівня ґрунту чи на 
рівні першого поверху будівлі (+0,150 м). 
4.2 Чистота приміщення 
Як національні, так і міжнародні стандарти по чистих приміщеннях 
визначають як основний параметр, що визначає клас чистоти приміщення, 
рахункову концентрацію аерозольних частинок певних розмірів в 
одиничному об'ємі повітря. Чим вище технологічний рівень виробництва, 
тим більш жорсткі вимоги пред'являються до запиленості повітря чистих 
приміщень. 
За стандартом ГОСТ 50766-95 чистим приміщенням називається 
приміщення, в якому рахункова концентрація аерозольних частинок і, при 
95 
необхідності, число мікроорганізмів в повітряному середовищі 
підтримуються в межах не вище заданих, відповідно певному класу чистоти, 
а атестація чистого приміщення - це процедура перевірки відповідності 
фактичного значення рахункової концентрації частинок в повітрі і, при 
необхідності, інших його параметрів нормам, встановленим стандартом. 
 
Елементи конструкції "чистого приміщення", а також їх склад і 
конструктивні особливості залежать від цільового призначення даного 
приміщення. "Чисті приміщення" є відкритими системами: вони не тільки 
зручні в монтажі, але і допускають їх перепланіровку і демонтаж в 
майбутньому.  
Основними елементами чистого приміщення є: 
Захищаючі елементи конструкції: 
1. Стіни 
2. Стеля чистого приміщення 
3. Однорідне полове покриття  
Освітлення: 
4.Вбудовувані світильники чистого приміщення  
Система подачі, підготовки повітря 
5. Стельова система приточного повітря 
6. Система кондиціонування повітря 
 
«Чисті приміщення» не є самостійною конструкцією, будівлею або 
спорудою, що окремо стоїть, а вмонтовуються у вже існуючі, будуються або 
реконструюються будови. 
Основна задача чистого приміщення - створити необхідні 
мікрокліматичні умови - температура, вологість, швидкість руху очищеного 
повітря. 
Концентрація аерозольних частинок і мікроорганізмів в повітрі «чистого 
96 
приміщення» визначається взаємодією різних чинників, таких як: формою і 
напрямом повітряних потоків, джерелами забруднення і тепла конфігурацією 
і розташуванням устаткування, кількістю, місцезнаходженням і одягом 
персоналу, розташуванням місць притоки і витяжки повітря і іншими 
чинниками. Зміна будь-якого з цих елементів спричиняє за собою зміну 
потоків повітря і рівня забрудненості. 
Матеріали чистих приміщень повинні бути стійкі до дії всіх сучасних 
дезінфекційних засобів, до хімічних і фізичних чинників (ультрафіолет і т.д.), 
крім того, матеріали повинні бути особливо міцними, герметичними, не мати 
нерівностей, бути легкими в обробці. 
Захищаючі конструкції чистого приміщення і його елементів 
забезпечують виконання основних вимог чистоти. 
 
Стіни. 
Стіни володіють наступними характеристиками: 
- забезпечують герметичність; 
не мають виступаючих частин, гострих кутів, важкодоступних для 
очищення місць; 
- мають гладку поверхню; 
- не створюють відблисків на поверхнях, забарвлені в сприятливі для 
сприйняття кольорів; 
- мають антистатичні або електропровідні властивості поверхонь, якщо 
це необхідно; 
- є міцними і довговічними; 
- мають зносостійку поверхню; 
- є вологостійкими і стійкими до утворення цвілі; 
- стійкі до дії миючих, дезинфікуючих і інших речовин; 
- забезпечують зручність експлуатації і технічного обслуговування; 
- зручні при монтажі і демонтажі і переплануванні приміщення; 
97 
Стеля. 
Стеля забезпечує захист чистого приміщення від забруднень, що 
знаходяться при ній, створює надійне, герметичне і зручне кріплення 
повітряних дифузорів, світильників, іншого додаткового устаткування. 
Конструкція стелі і кріплення елементів виключає вплив їх на 
повітряний потік і забезпечує зручність заміни і обслуговування в умовах 
чистого приміщення. В місцях стиків «стеля – стіни» передбачені 
закруглення. 
Підлога. 
Покриття підлоги є гладким, без раковин і пір, протидіє ковзанню, легко 
миється і дезинфікуються, зносостійке, стійке до дії випадково пролитих або 
розсипаних агресивних речовин, володіє необхідними антистатичними або 
електропровідними властивостями. Воно не виділяє забруднень, витримує 
необхідну статичну і динамічну дію певної тривалості, не допускає тріщин і 
зламів. Покриття підлоги крім того, повинні володіти певним коефіцієнтом 
тертя відповідно до вимог техніки безпеки. 
В деяких випадках застосовуються захисні покриття (килимки, доріжки і 
т.д.), які знімають частинки з підошви ноги або коліс візка. 
Освітлення. 
Конструкція електроустаткування створена з урахуванням вимог до 
чистих приміщень, не створює умов для накопичення забруднень, зручна для 
прибирання. Освітлення підбирається так, щоб забезпечити необхідну 
освітленість в робочому просторі, необхідну для комфортної роботи 
персоналу. 
Система подачі, підготовки повітря. 
Установки для кондиціонування повітря необхідні для підтримки в 
приміщеннях температури і відносної вогкості, що вимагається для 
створення робочого клімату приміщення, для забезпечення гігієнічних вимог 
до персоналу належної експлуатації і чіткості роботи устаткування. 
98 
В приміщенні створюється ефективна система вентиляції приточування і 
витяжного з контролюючим робочий потік устаткуванням і приладами 
вимірювання температури, вогкості, ефективності фільтрації і перепаду тиску 
на фільтрах. 
Продуктивність систем приточувань вентиляції і кондиціонування 
повітря визначається, виходячи з умов забезпечення необхідних параметрів 
повітря в робочій зоні з урахуванням прийнятої схеми організації 
повітрообміну і класу чистоти приміщення. 
Очищення повітря приточування залежно від класу чистоти приміщення 
може бути двох- або трьохступеневим. 
Система підготовки вентиляційного повітря забезпечує його чистоту в 
«чистих приміщеннях» відповідно до класу чистоти і підтримує позитивний 
перепад тиску по відношенню до навколишніх приміщень більш низького 
класу. 
Внутрішні і зовнішні поверхні вентиляційної установки і фільтрокамер 
мають покриття, що допускає їх обробку дезинфекційними засобами. 
Очищення витяжного повітря здійснюється через фільтри тонкого 
очищення для захисту навколишнього середовища від можливих шкідливих 
викидів. 
Система кондиціонування повітря: 
- забезпечує відповідний ступінь очищення повітря від механічних 
частинок і мікроорганізмів; 
- автоматично регулює кліматичні параметри (температуру і відносну 
вологість повітря), забезпечуючі найсприятливіші умови для виробничого 
процесу і обслуговуючого персоналу; 
- має високу аеродинамічну стійкість для підтримки оптимального 
розподілу тиску і інших параметрів повітря в будівлі і в окремих 
приміщеннях; 
- виключає виникнення статичної електрики і пов'язаного з ним 
99 
накопичення пилу; 
- характеризується низьким рівнем шуму під час роботи; 
- вживані матеріали з антикорозійним покриттям, стійкі до дії 
дезінфікуючих засобів і не запилюючі; 
- в складі є система забезпечення стислим повітрям, а при необхідності, 
та іншими газами. Для запобігання конденсації водяної пари в трубопроводах 
стисле повітря і азот обезводнюються. 
4.3 Мікроклімат 
Згідно ГОСТ 12.1.005-88 «Мікроклімат. Загальні вимоги» встановлено 
норми мікроклімату для створення нормальних умов роботи на ділянці. Ці 
норми встановлюють оптимальні та граничні значення температури, 
відносної вологості та швидкості руху повітря на ділянці враховуючи 
надлишок тепла, пор року та роботи, яка виконується. 
Допустимі мікрокліматичні параметри можуть викликати швидко 
нормалізуючі зміни функціонального та теплового стану організму та 
навантаження реакції терморегуляції, що не перевищують фізіологічні 
можливості, які не впливають на стан здоров'я, але викликають дискомфорт, 
погіршення самопочуття та зниження працездатності. 
По ГОСТ 12.1.005-88 фізична робота на ділянці з електронно-
променевим обладнанням відноситься до категорії II а - робота середньої 
важкості. 
Норми температури, відносної вологості та швидкості руху повітря на 
ділянці з електронно-променевим обладнанням для даної категорії роботи 
наведено в таблиці 4.1 [27]. 
Таблиця 4.1 - Порівняльні дані мікроклімату 
Характеристики Оптимальні Допустимі Дійсні дані 
норми норми 
Теплий період року 
Температура повітря, °С 22...24 21...25 21...22 
100 
Швидкість руху повітря, м/с 0,1 <0,2 0,1 
Зідносна вологість повітря, % 40..60 <70 50 
Холодний період року 
Температура повітря, °С 23...25 22...26 18 
Швидкість руху повітря, м/с 0,1.0,2 <0,2 0,1 
Зідносна вологість повітря, % 40.60 <70 40 
 
4.4 Шумо- та віброзахист ділянки 
При роботі електронно-променевого обладнання спостерігається 
розповсюдження в оточуюче середовище різноманітних періодичних шумів. 
Діапазон частот даних шумів перекриває діапазон чутливості вуха людини 
(4...44 кГц) і частину області ближнього ультразвуку (до 88 кГц). Такий 
діапазон частот шкідливо впливає на нервову систему людини. Працівники 
швидко втомлюються, подразнюються, падають їх професійні навички, що 
може привести до втрати уваги і навіть до нещасного випадку. 
Враховуючи невелику питому потужність шуму (згідно ГОСТ 12.1.003-
83 норма складає 80 дБА) і локалізацію його основних джерел, можна 
вибрати як засіб боротьби з ним - захист його джерел кожухами із 
шумопоглинаючих матеріалів (дерево, пінопласт, поруваті композиційні 
матеріали тощо), а для електричної апаратури - створення захисних 
шумопоглинаючих бар'єрів (буферів, захисних корпусів). 
На якість отриманого виробу впливає багато факторів, основний з яких є 
позиціювання заготовки в робочій зоні. Точність позиціювання залежить 
головним чином від нерухомості обладнання - його вібростійкості. Але ряд 
факторів таких, як: рух транспорту на вулиці; робота високо інерційного 
обладнання в будівлі, де знаходиться електронно-променеве обладнання, 
викликають вібраційні збудження, які негативно впливають на точність його 
роботи. 
Для віброзахисту використовують підкладки із різних амортизаційних 
101 
матеріалів. Матеріалами таких підкладок найчастіше виступають гума, 
каучук, полістирол, деякі марки дерева. Так , гумові підкладки товщиною 8... 
15 мм повністю гасять вібрацію 15Нх5Гц. 
4.5 Засоби пожежезахисту на ділянці 
При проектуванні ділянки з електронно-променевим обладнанням, 
особливої уваги слід приділяти пожежній безпеці на цій ділянці. З цією 
метою визначають категорію пожежонебезпеки на ділянці згідно ОНТП 24-
86. Робоче приміщення відноситься до категорії "Д" - виробництво, де в 
оберті знаходяться негорючі речовини та матеріали в холодному стані. 
Ступінь вогнестійкості приміщення - 1: усі конструктивні елементи будівлі - 
негорючі. 
З метою попередження пожеж на ділянці виконується ряд заходів: не 
допускається складування на території ділянки технологічних відходів, 
готових виробів та додаткових матеріалів; усі горючі протиральні матеріали 
(бензин, спирт, уайт-спіріт) зберігаються окремо - в щільно закритій 
металевій шафі; ділянка повинна бути оснащена первісними засобами 
пожежегасіння, а усі системи пожежезахисту повинні знаходитися в 
робочому стані; на доступних місцях повинні знаходитися схеми евакуації 
робітників з даної ділянки на випадок пожежної небезпеки. 
Усі елементи аварійного відключення систем живлення ділянки 
виносяться в окрему силову шафу, яка розташовується окремо від іншого 
електричного бладнання і містить силові ключі (по два на кожний вимикач) 
та запобіжники. 
4.6 Електрична безпека 
Електронно-променеве обладнання містить багато електричних приладів 
та схем. Це, насамперед, електронно-променева гармата, яка підключається 
до високовольтного джерела живлення, системи контролю і керування. 
Згідно ПУЭ - 87 цех відноситься до приміщення з підвищеною 
електронебезпекою. В приміщенні використовується мережа 380/220 з глухо 
102 
заземленою нейтраллю. До розеток підходить п'яти провідна мережа (фази А, 
В,С, нуль робочий і нуль захисний). 
Оскільки електронно-променеве обладнання знаходиться під високою 
напругою, то в такому випадку застосовуються попереджувальні надписи: 
«Обережно висока напруга». При аварії на ЕП установці спрацьовує 
автоматичне відключення установки від мережі, при цьому загораються 
відповідні сигнальні лампи. 
Міри електричної безпеки на ділянці полягають в наступному: ізоляція 
відкритих електричних частин обладнання; 
- огородження енергонесучих частин обладнання та застосування знаків 
попереджуючих про небезпечну напругу; 
- обов'язкове проходження усіма працівниками, які працюють на ділянці 
техніки безпеки по роботі з електрообладнанням до 10 кВ; 
- ремонт, монтаж та огляд обладнання дозволяється лише при 
виключеній напрузі; 
- застосування одного із методів захисту електричного обладнання від 
пробою (заземлення, занулення чи автоматичного відключення); 
- винесення та огородження силових ключів в окремій шафі; 
- наявність загального вимикача напруги на ділянці; 
- наявність гумових килимок, рукавиць та фартухів при роботі в 
безпосередній близькості від електронесучих частин; 
- не допускається вологе прибирання приміщення при включеному 
електрообладнанні; 
- не допускається експлуатація зіпсованого обладнання, а також при 
короткому замкненні в мережі. 
4.7 Цивільна оборона на ділянці 
Заходи по забезпеченню евакуації людей із екстремальної зони, а також 
по ліквідації наслідків стихійного лиха поділяються на інформативні, 
колективні та індивідуальні. 
103 
Інформативні заходи включають в себе наявність схем евакуації із 
різних приміщень будівлі, гучномовців в місцях масового скупчення людей 
та на вулиці, знаків попередження та застереження в тих зонах, які 
найсильніше підпадають під дію катаклізму. 
Колективні та індивідуальні заходи забезпечують організовані дії 
окремих рацівників, їх груп та всього колективу в цілому під час ліквідації 
наслідків лиха та евакуації із екстремальної зони. 
Керує усіма заходами директор підприємства. За порядком евакуації та 
ліквідації наслідків слідкує спеціально створений на підприємстві комітет по 
цивільній обороні. 
До стихійних лих, які найбільш негативно впливають на роботу на 
ділянці з електронно-променевим обладнанням і на безпеку людей 
відносяться: блискавки, землетруси, наводнення. 
Блискавка, при попаданні в електричне обладнання може вивести його із 
ладу і навіть викликати пожежу на ділянці. Для уникнення цього треба 
користуватися громовідводами (по одному громовідводу на 10м2 
приміщення). 
Оскільки ділянка електронно-променеве обладнання розташовується на 
рівні землі, а конструкція приміщення така, що воно будується з декількох 
несучих плит та перекриттів, то невеликі землетруси (до 5 балів) не 
зруйнують будівельну конструкцію. Більше того, приміщення можна 
застосовувати як сховище від землетрусу для працівників усієї будівлі де 
розташована ділянка. 
Наводнення - небезпечне природне явище для ділянки з електронно-
променевим обладнанням. Під час весняних паводків чи сильних дощів вона 
може підтоплюватися. Це в свою чергу може вивести із ладу все електричне 
обладнання та сприяє електричному короткому замиканню. Тому, при 
проектуванні ділянок слід особливої уваги уділяти рівню підземних вод, 
клімату та рельєфу місцевості. Впровадження каналів для відводу води від 
104 
ділянки гарантує безпечну роботу на ділянці під час сильних дощів та 
весняних паводків. 
105 
ВИСНОВКИ 
Електронно-променеве випаровування і конденсація у вакуумі - це 
сучасний метод отримання нових градієнтних покриттів. В даній роботі 
представлені результати досліджень структури і властивостей покриттів на 
основі карбідів титана. 
Досліджувалися склад отриманих конденсатів по товщині, структура 
покриттів і їх властивості. Дані дослідження необхідні для оптимізації 
технології отримання твердих покриттів і поліпшення їх якості. На підставі 
проведених досліджень зроблені наступні висновки: 
1. Досліджена і розроблена технологія одночасного випаровування 
багатокомпонентних сумішей з одного тигля з осадженням на підкладці 
складних покриттів. Показано, що процес електронно-променевого 
випаровування суміші компонентів з одного джерела з їх подальшою 
конденсацією у вакуумі дозволяє стабільно синтезувати з'єднання карбідів 
заданого складу безпосередньо на підкладці з утворенням твердих 
градієнтних покриттів. 
2. Запропонована технологія забезпечує повторюваність і надійність 
процесу осадження, виключає необхідність застосування готових з'єднань 
карбідів як початкової сировини, що істотно спрощує і здешевлює процес, 
підвищує енергетичні характеристики в порівнянні з іншими 
альтернативними технологіями. 
3. Дана технологія дозволяє формувати тверді покриття із змінними, 
наперед заданими в широкому діапазоні складом і властивостями по 
товщині. Варіювання складом і властивостями може здійснюватися шляхом 
зміни концентрації початкових компонентів, а також зміною технологічних 
параметрів осадження. 
4. Процес випаровування спресованих в таблетки порошкових сумішей 
типуСо-Ті-С, Ni-Co-Ti-C, Ni-Co-Cr-Ti-C можна успішно використовувати для 
синтезу безпосередньо на підкладці покриттів з карбідів титана з градієнтом 
106 
складу, структури і властивостей по товщині. Мікротвердість покриття при 
цьому збільшується по його перетині в напрямі від відносно м'якої підкладки 
до області карбіду, де досягає значень 30-34 ГПа. 
5. Отримані покриття типу Со-Ті-С, Ni-Co-Ti-C, Ni-Co-Cr-Ti-C, Ni-Cr-C 
можна рекомендувати для нанесеняя на: сталевий і твердосплавний ріжучий 
інструмент; сталеві вироби, що працюють в умовах тертя ковзання без 
мастила, у тому числі при підвищених температурах; деталі схильні до ерозії 
і корозії, що працюють в умовах агресивних середовищ і при підвищеній 
температурі; лопатки й інші деталі газотурбінних двигунів різного 
призначення і ін. 
6. Дані дослідження можуть бути обрані за основу подальшої 
оптимізації технології отримання твердих градієнтних покриттів і 
поліпшення їх властивостей. Подальші розробки в області функціональних 
градієнтних покриттів і зокрема в області твердих градієнтних покриттів 
мають добрі перспективи. 
Після термобар'єрних, тверді градієнтні покриття на основі карбідів - це 
наступний, і напевно не останній ступінь в області розвитку градієнтних 
покриттів, отриманих електронно-променевим випаровуванням у вакуумі. 
107 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 
1. Коваленко Ю. І. Підвищення якісних характеристик оптичних 
елементів комбінованою електронно-променевою обробкою : дис. ... канд. 
техн. наук : 05.03.07. Київ, 2021. 181 с. 
2. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне 
посилання. Загальні положення та правила складання. Київ : ДП 
«УкрНДНЦ», 2016. 17 с. 
3. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і 
техніки. Структура та правила оформлювання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016. 
31 с. 
4. ISO 6507-1:2023. Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test 
method. Geneva : ISO, 2023. 
5. Mattox D. M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. 
2nd ed. Oxford : Elsevier, 2010. 774 p. 
6. Ohring M. Materials Science of Thin Films. 2nd ed. San Diego : Academic 
Press, 2001. 794 p. 
7. Bunshah R. F., ed. Handbook of Hard Coatings. Park Ridge : Noyes 
Publications, 2001. 650 p. 
8. ASM Handbook. Vol. 5. Surface Engineering. Materials Park, OH : ASM 
International, 1994. 2535 p. 
9. Davis J. R., ed. Surface Engineering for Corrosion and Wear Resistance. 
Materials Park, OH : ASM International, 2001. 400 p. 
10. Vossen J. L., Kern W., eds. Thin Film Processes II. San Diego : Academic 
Press, 1991. 874 p. 
11. Pierson H. O. Handbook of Refractory Carbides and Nitrides: Properties, 
Characteristics, Processing and Applications. Park Ridge : Noyes Publications, 
1996. 340 p. 
12. Cullity B. D., Stock S. R. Elements of X-Ray Diffraction. 3rd ed. Upper 
Saddle River, NJ : Prentice Hall, 2001. 664 p. 
108 
13. Goldstein J., Newbury D., Joy D., Lyman C., Echlin P., Lifshin E., 
Sawyer L., Michael J. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. 
3rd ed. New York : Springer, 2003. 689 p. 
14. Singh J., Quli F., Wolfe D. E., Schriempf J. T., Singh J. An Overview: 
Electron Beam-Physical Vapor Deposition Technology - Present and Future 
Applications. University Park, PA : Applied Research Laboratory, Pennsylvania 
State University, 1999. 
15. Paton B. E., Lakomsky V. I., Kvatkovsky V. V. Production of protective 
coatings by electron beam evaporation in vacuum. Vacuum. 1978. Vol. 28, no. 10. 
P. 415-421. 
16. Wolfe D. E., Singh J. Titanium carbide coatings deposited by reactive ion 
beam-assisted, electron beam-physical vapor deposition. Surface and Coatings 
Technology. 2000. Vol. 124, no. 2-3. P. 142-153. 
17. Wolfe D. E., Singh J., Narasimhan K. Synthesis and characterization of 
multilayered TiC/TiB2 coatings deposited by ion beam assisted, electron beam-
physical vapor deposition (EB-PVD). Surface and Coatings Technology. 2003. 
Vol. 165, no. 1. P. 8-25. 
18. Wolfe D. E., Singh J. Synthesis and characterization of TiBCN coatings 
deposited by ion beam assisted, co-evaporation electron beam-physical vapor 
deposition (EB-PVD). Journal of Materials Science. 2002. Vol. 37, no. 17. P. 
3777-3787. 
19. Günen A., Soylu B., Karakaş Ö. Titanium carbide coating to improve 
surface characteristic, wear and corrosion resistance of spheroidal graphite cast 
irons. Surface and Coatings Technology. 2022. Vol. 437. Art. 128280. 
20. Zhevtun I. G., Gordienko P. S., Mashtalyar D. V. et al. Tribological 
Properties of Ti-TiC Composite Coatings on Titanium Alloys. Materials. 2022. 
Vol. 15, no. 24. Art. 8941. 
21. Esmaeili M. M., Rezaei M. R., Toghraie D. Tantalum carbide coating on 
Ti-6Al-4V by electron beam physical vapor deposition. International Journal of 
109 
Applied Ceramic Technology. 2017. Vol. 14, no. 6. P. 1170-1179. 
22. Shafyei H., Salehi M., Dehghanian C. Electron beam assisted physical 
vapor deposition of very hard titanium carbonitride coatings. Ceramics 
International. 2019. Vol. 45, no. 15. P. 18882-18890. 
23. Larhlimi H., Ghailane A., Makha M., Alami J. Magnetron sputtered 
titanium carbide-based coatings: A review of science and technology. Vacuum. 
2022. Vol. 197. Art. 110853. 
24. Gupta K. Surface Engineering of Modern Materials. Cham : Springer, 
2020. 275 p. 
25. Gissler W., Jehn H. A., eds. Advanced Techniques for Surface 
Engineering. Dordrecht : Springer, 1992. 418 p. 
26. Callister W. D., Rethwisch D. G. Materials Science and Engineering: An 
Introduction. 10th ed. Hoboken, NJ : Wiley, 2018. 992 p. 
27. Surface Engineering. London : Springer, 1990. 351 p. 
28. Surface Engineering: Enhancing Life of Tribological Components / ed. by 
K. Gupta. Singapore : Springer, 2017. 417 p. 
29. Introduction to Surface Engineering / ed. by P. A. Dearnley. Cambridge : 
Cambridge University Press, 1991. 217 p. 
30. Miranda R. M., Gandra J. P., Vilaça P., Quintino L., Santos T. G. Surface 
Modification by Solid State Processing. Oxford : Woodhead Publishing, 2014. 224 
p.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
