Износостойкое покрытие и способ его получения

 

Цель изобретения - повышение стойкости покрытия. Сущность: покрытие содержит по меньшей мере одно наиболее термодинамически стабильное соединение, при этом концентрация неметаллического компонента по толщине слоя стабилизирована в области гомогенности указанного соединения, а в качестве одного из легирующих компонентов слой содержит катализатор для образования указанного соединения. По способу получения износостойкого покрытия очистку и разогрев рабочей поверхности основы осуществляют до температуры, на 40 - 50°С меньшей температуры образования наиболее легкоплавкой эвтектики или перетектики, образуемой компонентами испаряемого материала катода и основы, с последующим введением в покрытие по меньшей мере одного катализатора для образования в нем термодинамически стабильного тугоплавкого соединения и стабилизации концентрации неметаллической компоненты по толщине слоя покрытия в области гомогенности указанного соединения.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (S1) 4 С 23 С 14/32, В 23 Р 15/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3698995/24-21 (22) 30.01.84 (46) 23.07.89. Бюл. N - 27 (71) Всесоюзный научно-исследовательский инструментальный институт (72) А. Г. Гаврилов, В. П, Жедь, E. И. Курбатова, А. К. Синельщиков, Е. М..Соколовская, В. Б. Божуков и А. M. Боярунас (53) 621.793. 14(088.8) (56) Заявка ФРГ Р 1959690, кл. С 23 С 11/14, 1969.

Андреев А.А., Буланова Л.В., Картмазов Г. Н. и др. Покрытия из карбида молибдена, полученные методом осаждений плазменных потоков в вакууме (КИБ1. — Физика и химия обработки материалов. 1(2, 1979, с. 169-170..(54) ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ

ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (57) 1. Иэносостойкое покрытие, состоящее по меньшей мере из одного слоя переменного состава одного легированного тугоплавкого соединения, содержащего .неметаллический компонент, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения стойкости покрытия, оно содержит по меньшей мере одно наиболее термодинамически стабил1,ное соединение, при этом концент- . рация неметаллического компонента по толщине слоя стабилизирована в области гомогенности указанного соединения, а в качестве одного из легирующих компонентов слой содержит катализатор для образования указанного соединения.

2. Покрытие по н. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что в качестве ле-, гированного тугоплавкого соединения

2 оно содержит фазы внедрения, и/или халькогениды, и/или галогениды.

3. Покрытие по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что между слоями легированных тугопланких соединений оно содержит слои нелегированных тугоплавких соединений, при этом каждый слой легированных тугоплавких соединений содержит в качестве легирующего компонента катализатор последующего слоя нелегированного тугоплавкого соединения.

4. Способ получения износостойкого покрытия на рабочей поверхности основы, включающий возбуждение дугового разряда на катодах, содержащих компоненты материала покрытия, приложения к основе напряжения смещения для ее очистки и разогрева ионной бомбардировкой испаряемого материала катода, последующее снижение напряжения смещения и введение в объем газа-реагента до образования на рабочей поверхности основы покрытия заданной толщины, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения иэносостойко"ти покрытия, очистку и разогрев рабочей поверхности основы осуществляют до температуры, на

40-50 С меньшей температуры образования наиболее легкоплавкой эвтектики ипи перетектики, образуемой компонен- тами испаряемого материала катода и основы, с последующим введением в покрытие по меньшей мере одного катализатора для образования в нем термодинамически стабильного тугоплавкого соединения и стабилизации концентрации неметаллической компоненты по толщине слоя покрытия в области гомогенности указанного соединения.

3 1495

5. Способпо п. 4, о тлич аю шийся тем, что разогрев рабочей поверхности основы из стали осуществляют до 150-550 С; иэ твердых и керамических сплавов —. до. 600-750 С; из жаропрочных сплавов до 500-800 С; из чугунов — до 150-700 С; из титановых сплавов — до 200-400 С; из цветных сплавов — до 100-500 C- из неме" таллических полимерных материалов до 50-400 С; из неметаллических тугою плавких материалов — до 600-800 С.

390 4

15 гированного.- хлорида магния-ниобийсо20 держащие магниевые сплавы.

6. Способ по п. 4, о тли чав ю щ и и с.я тем, что при конденсации покрытия на основе легированного нитрида титана в качестве материала катода используют молибденсодержащие титановые сплавы; легированного нит-! рида циркония — вольфрамсодержащие циркониевые сплавы, легированного нитрида гафния — вольфрамсодержащие гафниевые сплавы, легированного цитрида алюминия — магнийсодержащие алюминиевые сплвы; легированного карбида молибдена — ниобийсодержащие молибденовые сплавы; легированного оксида хромамолибденсодержащие сплавы хрома; легированного нитрида ниобия-вольфрамсодержащие ниобиевые сллавы; легированного нитрида ванадия-ниобий и/или хромсодержащие ванадиевые сплавьц легированного карбида вольфрама-молибденсодержащие вольфрамовые. сплавы; легированного диселенида тантала-вольфрамсодержащие танталовые сплавы; леИзобретение относится к металлообработке, в частности к режущему инструменту с износостойким покрытием и способу его получения из плазменной фаз ы.

Цель изобретения — повышение стойкости покрытия.

На фиг. 1 и 2 схематично представлены известное и предлагаемое однослойные покрытия с графиками распределения неметаллической компоненты (углерода) по толщине покрытия, выполненного из карбидов молибдена, нанесенного на титановый сплав.

Покрытие 1, нанесенное на рабочую поверхность основы 2, может быть однослойным или многослойным и состоять по, меньшей мере из одного легированного тугоплавкого термодинамически стабильного соединения, в котором концентрация неметаллической составляющей по толщине слоя покрытия ограничена крайними значениями составов области гомогенности указанного наиболее термодинамически стабильного соединения, которое выбрано из всех возможных соединений, образуемых материалом катода и газом-реагентом. Так как концентрация неметаллической компоненты по толщине слоя покрытия стабилизирована в области ее значений, соответствующих области гомогенности, отвечающих образованию

"только одного и притом наиболее тер1

55 модинамически стабильного соединения из всех возможных соединений, образованных материалом катода .с газомреагентом, то в слое предлагаемого покрытия отсутствуют другие неустойчивые соединения со значениями концентраций неметаллической компоненты, выходящими из стабилизируемой,области, которые в процессе эксплуатации покрытия 1 могут диссоциировать или претерпевать различного рода превращения. Отсутствие укаэаннЪпс соединений по толщине слоя покрытия повышает его износостойкость. Кроме того, покрытие выполнено из наиболее термодинамически стабильных тугоплавких соединений, .обладающих наибольшим значением энтальпии образования о (-11Н „), что обеспечивает его наиболее высокие физико-механические характеристики, которые сохраняются в процессе эксплуатации, что также повышает стойкость покрытия.

При нанесении многослойного покрытия все слои могут быть выполнены иэ легированных тугоплавких соединений различного состава, но при этом каждый слой должен быть выполнен иэ наиболее термодинамически стабильного соединения того или иного состава (различные материал катода и газ-pеагент). Это придает покрытию описан- ные свойства. Кроме того, такое многослойное покрытие позволяет испольненного из элементов материал» покры тия (при использовании одного катода или в виде дополнительного катода, выполненного из самого катализатора или при необходимости из сплава нескольких катализаторов (в случае конденсации покрытия из нескольких Фаз внедрения, галогенидов, халькогенидов или их сочетаний) .

Разогрев рабочей поверхности основы осуществляют до температуры, на

40-50-С ниже температуры плавления наиболее легкоплавкой эвтектики или перетЕктики, образуемой испаряемым материалом катода и элементами основы. При температуре разогрева рабочей поверхности основы ниже нижнего предлагаемого предела каталитическая реакция между металлическими компонентами покрытия и газом-реагентом протекает менее эффективно, что не приводит к стабилизации значения концентрации неметаллической компоненты в области гомогенности наиболее термодинамически стабильного соединения и сникает стойкость покрытия. При разогреве основы выше температуры верхнего предела в локальных точках поверхности основы происходит ее оплавление, что также снижает стойкость покрытия.

Применение катализатора позволяет в неравновесных условиях произво— дить синтез покрытия, состоящего из наиболее термодинамически стабильного тугоплавкого соединения, и поддерживать концентрацию его неметаллической компоненты по толщине слоя покрытия в области гомогенности указанного соединения.

После разогрева основы до указанных температур напряжение смещения на ней снижают и одновременно в камеру вводят газ-реагент для взаимодействия с испаряемым материалом катода до образования на рабочей поверхности износостойкого покрытия заданной толщины. После этого подачу газа-реагента в камеру прекращают, напряжение с основы снимают и выключают дуговой разряд, а основу с покрытием охлаждают в камере до комнатной температуры.

Пример. Наносили покрытия различных составов (табл. 1) из легированных тугоплавких соединений на различную основу. Для этого в камеру установки нанесения износостойких покрытий типа "Булат", содержащую ка5 149539 зовать те или иные, необходимые свой,ства тугоплавких соединений, что позволяет повысить стойкость покрытия.

Одним из вариантов выполнения предлагаемого покрытия является много5 слойное покрытие, в котором между слоями легированных тугоплавких соединений, которые соответствуют описанным, расположены слои нелегирован- 10 ных тугоплавких соединений. При этом нелегированные тугоплавкие соединения являются также наиболее термодинамически стабильными, так как предыдущие легированные слои содержит в своем составе в качестве легирующих компонентов катализаторы для образования указанных соединений в нелегированных слоях. Чередование легированных и нелегированных слоев, обладающих 20 различными физико-механическими свойствами, позволяет также повысить стойкость покрытия.

При нанесении износостойкого покрытия различного состава используют 25 различные катализаторы. Наибольший эффект повышения стойкости покрытия, выполненного на основе легированного нитрида титана, достигается при использовании в качестве катализатора 3р молибдена, легированного нитрида циркония - вольфрама, легированного нитрида гафния — вольфрама, легированного нитрида алюминия — магния, легированного карбида молибдена — ниобия, легированного оксида хрома — молибдена, легированного нитрида ниобия вольфрама, легированного нитрида ванадия — ниобия и/или хрома, легированного карбида вольфрама — молибде- 4р на, легированного диселенида тантала— вольфрама, легированного хлорида магния — ниобия.

Предлагаемое покрытие может быть нанесено на основу способом, сущность 45 которого заключается в следующем.

Предварительно очищенные изделия загружаются в вакуумную камеру установки типа "Булат" с установленными в ней электродуговыми испарителями, ма- 5р териал катода которых включает компоненты покрытия и катализатор. Камеру эвакуируют и зажигают в ней дуговой разряд для испарения материала катодов. К основе прикладывают напряжение 55 смещения для очистки и разогрева основы. При этом катализатор вводят в виде дополнительного легирующего компонента в материалах катода, выпол1495390 тоды различного состава, загружали предварительно очищенные образцы, изготовленные из различных материалов.

Камеру откачивали до давления 6,65 х х 10 — 6,65 - 10 Па и зажигали дуговой разряд между расходуемым катодом и анодом. К образцам прикладывали напряжение смещения для очистки и разогрева образцов. После этого напряжение на образцах снижали, а в камеру одновременно вводили газ-реагент и наносили покрытие в течение часа, что обеспечивало его толщину 5 мкм.

После этого напряжение смещения с 15 образцов снимали, подачу газа-реагента прекращали, отключали дуговой разряд и охлаждали образцы в камере до комнатной температуры.

Конкретные значения режимов техно- gp логического процесса для каждого рассмотренного случая приведены в табл. 2.

Стойкостные испытания проводились 25 на машине трения типа АБ-1 с возвратно-поступательным движением образцов с нанесенным на его поверхность износостойким покрытием (состав приведен в табл. 1) и вращением контртела, изготовленного из стали 45.

Режимы испытаний: нагрузка в зоне контакта P = 18-30 кг/мм, скорость вращения контртела V = 20-60,м/с. Износостойкость покрытия определялась как количество циклов нагружения (N) дпя разрушения единичных шероховатостей (табл. 1).

Стойкостные испытания проводились также непосредственно в условиях .ре" зания, например, при операции сверления. Результаты стойкостных испытаний на примере спиральных сверл, изготовленных из стали Р6М5, при сверлении стали 45 приведены в табл. 2.

Режимы стойкостных испытаний: скорость резания V = 45 м/с; подача S

= 0,18 мм/с; глубина резания Ь =

15 мм.

Технико-экономический эффект предлагаемого технического решения заключается в повышении стойкости покрытия по сравнению с известным в среднем в два раза., 1495390

Ф о о к е 3 Ьм

Ф» кж » а<ч ь

%» о Ф

3% а

O

D м о о о о м о сч е

6 о Я .

ЗЗОЗЗ о an»о л ф оооооо и ила ам е

5 5 о о

an о

an еч о мс вэ о ммM

° Ф»оо»Дф д м ю1»д ф е о о ао o an e сч м м мм м

С» О о+ в 6 л о+ д

50 ло о + л

1 о ф»

Ф 0I о сп хл

CC З о+

Д

3

Д,, Я

Ф е (mao

g .ФФ з к v) ю 25о х <о у о а о

Хакк

I о

4ч м оо

3 ., х с ой л о е

Ф»Л

+ +

УиЗ

° »

° в» фо»от

Й ю vtIo

Ц еа м ео оeчoo и омю о луома омал

ii" л л х о х

0 Ф

t Iå

» о

Ф М

+»О и 3 к ф»Ф

+ + й»» био+

o + +

+ В

° В

Ф

)vo о»

Я мъ ф» ) сч апОап.

Щ

ЙЙ 0

»aa $ м» ю

IaI а>НН

3 I,)3 раб

L3 ь3!

Р à"v:,>o х х аф а :

Д 1 В и о ы йй о

g W о+

5 о

1 I с6 Й са о Р к

5 рить

4 5 ю »»» е онк

»»

+ о ч Я л

i и

И

Ф

3 й, 1 1

„оей хккк ко 3 В

o )

)fs

5> 3. о а х к цЯ

4р о -аа а 2

3 .

vo oî л

3 а>436.

O Д I

Г

+ + л

eoI» e к оы »+ nI; и РФЗ

° »

v oa - o o л

Л аз ай

3 4t о о ."Ъ

3 » ф g в v v

1495390

l0 а о

+ и ч» н и м о и

Я о

С«»

О ю о

D о о

С \

О о

Ф Ъ о о

l4 и о ю ив л

5Ум

1 о+ g

Ййе о

3 Й 1йй мФ

Я О

3и о+

5 нг о о33 о э е и м йЯЙ

»» g О е gw е ло е ео

° м и - .

-„ (1

У%3 о 5 55

Л к.З v »I »»!

gq gcooo ао мa

3 gg e (У."-„

» ф w8lw о рВОО

В 2 мйнЙ

Я

Ф 6-, и 1ы о оо о о о й, й, о л ма»о м с«3 Ръ

f, Im

1 и в о

IC»I »»

1 к„вой

)»siI а о Р и е

3 а е ю cv и иной

t»I 3. оооооо

--ааф

»on-лю

С4 1«) A 1

«(«jib»

° а. и щЫ р ри и и fa4 со м w ap л о

g wФ3 IClм

15йи»» н uoaн<се ооооо

eoovlo

e e г r oo

: 1

f(;4( 5 ф ФФ х»»ьом ° уев т ,. 1мй.йй ОО»мЧ О

+ ф I

+ ly «««й(I рчэосчм

Фgw и »3 el

»«офнян ооооо аоо ло

« Оллсо оф-о

4«Ъ

=3

5 и й о+ е

Ййв

Q \«\/ (»»NII

5( оим о к о

Л)м йъй мевол

° «(Ч

Ф о+ Ф (ЛХй.h I» "й (3 х5 о исчез

Ц Щ

Л 63 Й &е К Я

3(:

33в33

««l э 5}

a f I« с 6} х х

С«СС Ц О Х К

43 Се g Ca «II т О

«

D о

«

° Е

Ф .Ф еа е«ее

ФО

«4

g СЧ

4l а х

К* Ь1«С« цс«р«са йe»»» х о а«а

СЧ о

С«

СЧ

О

О

Се« о

«С«

СЧ

c«al «C

geo»u

«a} »Ь о

О ю ае3 I

" Г

О

О

«« о

О

° fl

О

Ю

« 4.11Ф

СЧ

МЪ

» «Ф °

+ а;

+

° 4«.4

Ю ++ а} 3ЧЬ ° а1 ьхьо

v а,им

«С Ф х 3 а а э о а 5

} о

) 16

1

Ф

q } О

«Q

xl ""0» I

ОО1 и 1

СФ 5 1

u tC I ROC«I и Х 1

ЬЗ и й: о8883

e D-W

CaI CaI

»и

5У С о . а а

l 1

Щ

Я

4«ее

»рисе

f 31«6» аЛ СЧ Е ао о +

3 ф Фе х р.э «с«

У ОУЛС4

5 м

1495390

«О О Ю ЮО юо о

«ч -ф а«а

С««С«О «С«

СЧ СЧ

5С3

Ю а

5 5

5 6

М

М I«}ooo

Лvg 2 о g

СВ«> CHOO

Ч ф Фе х аооо

Я ««1 ф °

Л ййй о й583и" Ь8

О ОООО

ФСФОООО

ФС«ОЛСЬЬе

«» CO О СЧ Ье

СЧ « 1 «е\.Ф ф} еа СЬ ф

g + ех и х о+ а

« .} ш ««1

34е

Ю е ac

I . II aa 3 В 11

° Ф а ф Са« у.э во овооо ф ° °

6л а 4«I M УФ3 аовиъв аф+ о+у

ЕХ У +,ВЕ

О + Hv ц с

° В х у-т ео

«C} ф и о о о о ф °

3 В4 а ф Уса

53 %h) 1)l Sе

1 I а c«l » I

j5g+5Ia

Я «с«о ф СЧ

1и "-.,„„

Д

I 1»

Ь 34«5 ЬУЗ

3 g $I 4 «CI а 1. е ю о э «c}c«ooo

«СО» 5 ÷4 Х ю I. x v w cn са

16 ь

Ф о

° е о

Cl °

1В Ф

Ю

С7 ю

Ф 4l 0l

56 аф о ф О

5 1а

6ge !!! ба)

vI) Row

1495390

Составитель С. Миронкии

Редактор Л. Зайцева Техред А.Кравчук Корректор Л. Бескид

Заказ 4219/26 Тираж 942 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, W-35, Раушская наб., д,i 4/5 . Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101