Методы аттестации наноструктурных поверхностей : методы формирования и исследования функциональных поверхностей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2774 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

М.И. Петржик 
Ф.В. Кирюханцев-Корнеев 
М.В. Воробьева 

Методы аттестации 
наноструктурных поверхностей 

Методы формирования и исследования 
функциональных поверхностей 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2015 

УДК 621.793:620.17 
 
П30 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. И.В. Блинков 

Петржик М.И. 
П30  
Методы аттестации наноструктурных поверхностей : методы 
формирования и исследования функциональных поверхностей : 
лаб. практикум / М.И. Петржик, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, 
М.В. Воробьева. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 53 с. 
 

 
Лабораторный практикум содержит описание семи лабораторных работ, 
при выполнении которых студенты изучают физические основы формирования функциональных поверхностей, устройство оборудования и методики 
измерений, получают навыки работы на современных технологических установках осаждения покрытий методами физического и химического осаждения, а также проводят исследования на аналитических средствах измерений, 
предназначенных для аттестации свойств покрытий.  
Предназначен для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям 02.03.02 и 02.04.02 «Металлургия», осваивающих курсы «Теория и технология покрытий» и «Методы аттестации наноструктурных поверхностей».  
 

УДК 621.793:620.17 

 
©

©

М.И. Петржик, 
Ф.В. Кирюханцев-Корнеев,
М.В. Воробьева, 2015 
НИТУ «МИСиС», 2015 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Получение покрытий методом 
электроискрового легирования ...............................................................4 
Лабораторная работа 2. Получение наноструктурных  
покрытий методом магнетронного распыления  
многокомпонентных керамических СВС-мишеней ..............................9 
Лабораторная работа 3. Получение нитрида титана 
восстановлением четыреххлористого титана эквимолярной 
водородно-азотной смесью (СVD-метод) ............................................16 
Лабораторная работа 4. Получение многослойных покрытий с 
функциональными слоями  c использованием методов ионной 
имплантации, магнетронного и ионного распыления.........................22 
Лабораторная работа 5. Определение механических свойств  
твердых тел методом измерительного индентирования.....................28 
Лабораторная работа 6. Определение когезионной/ 
адгезионной прочности покрытий методом измерительного 
царапания ................................................................................................37 
Лабораторная работа 7. Трибологические испытания  
по методу «стержень–диск» ..................................................................44 
 
 

Лабораторная работа 1 

ПОЛУЧЕНИЕ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ 
ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ 

1.1. Цель работы 

Ознакомление с основами технологии электроискрового легирования. Исследование кинетики массопереноса. 

1.2. Теоретическое введение 

Метод электроискрового легирования (ЭИЛ) основан на явлении 
электрической эрозии и полярного переноса материала анода на катод-деталь при протекании импульсных разрядов в газовой среде.  
Преимуществами технологии ЭИЛ являются возможность локальной обработки поверхности, относительная простота, не требующая 
применения труда высококвалифицированного персонала, отсутствие 
предварительной подготовки обрабатываемой поверхности, высокая 
надежность оборудования. В настоящее время приобретает особенную 
актуальность высокая экологичность технологии ЭИЛ. 
Получаемые с помощью ЭИЛ покрытия характеризуются высокой 
прочностью сцепления с подложкой, высокой твердостью и износостойкостью, низким коэффициентом трения. Покрытия обладают 
высокой коррозионной стойкостью и жаростойкостью, пониженной 
способностью к схватыванию поверхностей в процессе трения при 
повышенных температурах и в вакууме. 
Для получения информации об электродном материале снимают 
зависимости суммарной эрозии анода ΣΔа и суммарного привеса катода ΣΔк от времени легирования. Зависимости позволяют определить интенсивность переноса электродного материала на деталь во 
времени и толщину формируемого слоя. Косвенно зависимости дают 
представление о динамике роста покрытия. На основе этих зависимостей определяют оптимальные параметры процесса электроискровой обработки деталей. 
Суммарный привес катода ΣΔк (см3) определяют по формуле 

 
Σ Δк = (Δк1 + Δк2 +…+ Δкi) / ρ, 
(1.1) 

где Δкi – привес катода за i-ю минуту легирования, г; i = 1, 2,…, i; ρ – 
плотность электродного материала, г/см3. 

Аналогично рассчитывают суммарную эрозию анода ΣΔа.  
Количественной оценкой эффективности использования электродного материала служит коэффициент переноса, определяемый 
по формуле 

 
Kи = Δкi/Δai. 
(1.2) 

1.3. Оборудование и материалы 

1. Установка для ЭИЛ «Элитрон-22А» (рис. 1.1). Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В 
при частоте 50 Гц. Потребляемая мощность при номинальном напряжении 0,5 кВ·А. Установка работает в режимах дискретного регулирования (табл. 1.1). 

Таблица 1.1 

Режимы работы установки ЭИЛ «Элитрон-22А» 

Применяемый возбудитель 

АИИЗ.291.038 
АИИЗ.291.034 

Номер режима 

Характеристика 
установки 
1 
2 
3 
4 
5 
6 

Рабочий ток, А* 
0,5 
0,8 
1,3 
1,8 
2,3 
2,8 

* Значение рабочего тока указано с погрешностью ±30 %. 
 

2. Весы аналитические KERN-770. 
3. Устройство для закрепления образцов. 
4. Секундомер. 
5. Электродные материалы: твердый сплав ВК8, безвольфрамовый 
твердый сплав СТИМ-2, алюминий, вольфрам. 
6. Подложка – пластины размером 10×10×5 из стали и титана. 

Принципиальная схема процесса электроискрового легирования, 
реализуемая в данной лабораторной работе, показана на рис. 1.2. 

1.4. Порядок проведения работы и указания  
по охране труда 

1. Зачистить полученные от преподавателя электродные материалы (анод и катод) на абразивной бумаге. 
2. Взвесить отдельно электрод и подложку. Занести результаты в 
табл. 1.2. 

Рис. 1.1. Схема установки «Элитрон-22А»: 
1 – генератор; 2 – вибровозбудитель; 3, 4 – кабели 

 

 

Рис. 1.2. Принципиальная схема процесса ЭИЛ 

3. Зажать подложку в устройство для закрепления образцов, электрод (анод) зажать в электродержатель ручного виброинструмента. 
4. Включить питание установки, выбрать энергетический режим 
обработки (указывается преподавателем). Перед началом ЭИЛ включить приточно-вытяжную вентиляцию. 
5. Провести электроискровую обработку поверхности катода в течение 60 с.