Способ получения износостойких покрытий из соединений металлов

 

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий в вакууме и может найти применение в машиностроении и металлообработке для повышения срока службы металлических инструментов и деталей машин, подвергающихся износу. Целью предлагаемого технического решения является повышение износостойкости покрытий. Поставленная цель достигается за счет повышения адгезии покрытий и уменьшения размеров зерен покрытия путем интенсификации процесса активации поверхности во время образования слоя покрытия и нанесения слоя металла одновременно с обработкой изделий в камере с низкотемпературной газовой плазмой в магнитном поле. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий типа Me_x(N, C, B, Si)_y в вакууме и может найти применение в машиностроении и металлообработке для повышения срока службы металлических инструментов и деталей машин, подвергающихся износу. Цель изобретения повышение износостойкости покрытий за счет повышения адгезии покрытий и уменьшения размеров зерен покрытия путем интенсификации процесса активации поверхности во время образования слоя покрытия и нанесения слоя металла одновременно с обработкой изделий в камере с низкотемпературной газовой плазмой в магнитном поле. Формирование покрытий по предлагаемому способу в условиях бомбардировки поверхности высокоэнергетическими частицами повышает их адгезию к поверхности изделий. Чем выше отношение высокоэнергетических частиц к общему их количеству, тем выше качество и адгезия покрытий. При получении покрытий сложного состава типа Mе_xЭ_y реакция между металлом (Ме) и неметаллом (Э N₂ C, O, B) протекает эффективнее при увеличении в плазменном потоке, конденсирующемся на поверхности изделий, доли ионизированных и возбужденных частиц. Поэтому выполняя нанесение металла одновременно с обработкой в газовой низкотемпературной плазме дугового разряда с горячим катодом, сопровождающейся бомбардировкой высокоэнергетичными частицами, возможно получение покрытий, имеющих высокую адгезию к подложке, и протекание реакции синтеза соединений типа Ме_xЭ_y с более высокими скоростями. Повышение адгезии покрытий происходит также за счет обработки изделий в низкотемпературной плазме дугового разряда с горячим катодом перед нанесением покрытий. Для этого используют плазму газов аргона, водорода, азота, аммиака, углерода и борсодержащих паров, разлагающихся в дуговом разряде. В дуговом разряде частицы плазмы (ионы, электроны) приобретают энергию 1-10 эВ, которой недостаточно для активации и очистки поверхности изделий перед покрытием. Поэтому к изделиям, помещенным в камеру с низкотемпературной плазмой, прикладывают потенциал относительно камеры. При приложении положительного потенциала относительно камеры поверхность будут бомбардировать электроны плазмы. При приложении к изделиям отрицательного потенциала относительно камеры их поверхность будут бомбардировать ионы плазмы соответствующего газа или пара или смеси газов (паров). В процессе бомбардировки поверхности изделий высокоэнергетическими частицами плазмы газового дугового разряда (ионами, электронами) изделия разогреваются. Обработка ионами аргона позволяет выполнить очистку(распылением) и активацию поверхности перед нанесением покрытия. Обработка в водородсодержащей плазме (водород, аргон-водородные смеси, аммиак, аммиак-аргонные смеси)позволяет выполнить очистку (распылением и восстановлением) и активацию поверхности перед нанесением покрытия. Обработка очищенных и нагретых до 350-500^oC изделий в азот-, углерод-, борсодержащей плазме позволяет произвести азотирование, цементацию, борирование поверхности, использование смесей газов и паров позволяет выполнить карбонитрирование, боразотирование. Химико-термические процессы на поверхности изделий, помещенных в камеру с низкотемпературной плазмой дугового разряда в магнитном поле, протекают чрезвычайно интенсивно из-за высокой концентрации заряженных частиц в плазме дугового разряда. Как следствие высокой концентрации плазмы (10¹²-10¹³см^-3) происходит интенсивная бомбардировка поверхности изделий заряженными частицами, которые активируют поверхность, создавая на ней вакансии и дислокации, обеспечивая, тем самым, условия для эффективной высокоскоростной диффузии элементов в поверхность изделий. Получение покрытий проводят при температуре изделий от 80 до 5000^oC. Получать покрытия по данному способу при температуре изделий менее 80^oC практически невозможно, так как даже при потенциале изделий 10 В относительно камеры они разогреваются до 80^oC за время обработки, так как плотности потока заряженных частиц на поверхности изделий чрезвычайно высоки (10-70 А/м²) и равновесная температура изделий при обработке устанавливается не ниже 80^oC. Выполнять нагрев и активацию поверхности изделий до температуры выше 500^oC нецелесообразно, так как начинают эффективно рекомбинировать созданные на поверхности дефекты структуры и при росте энергетических затрат на активацию и разогрев изделий роста адгезии покрытий не происходит, так как устанавливается динамическое равновесие между процессами образования и рекомбинации дефектов. По этой же причине выполнение процессов химикотермической обработки поверхности изделий (насыщение) также неэффективно при температуре изделий выше 500^oC. Нанесение металлов в камере с низкотемпературной плазмой дугового разряда в магнитном поле с образованием соединений типа Me_xA_y на поверхности изделий при температурах подложки выше 500^oC нецелесообразно, так как высокая степень ионизации, диссоциации и активации наносимых частиц обеспечивает их высокую подвижность в конденсирующемся слое, а также высокая активность частиц неметалла приводят к образованию покрытий в состоянии, близком к равновесному, практически без внутренних напряжений (присущих покрытиям TiN, TiC, CrN, ZrN, MoN и другим, получаемым методами физического осаждения из газовой фазы и повышающих их твердость и износостойкость), что снижает их твердость и износостойкость. Нанесение металла и обработку поверхности в камере с низкотемпературной плазмой выполняют при создании в камере (в зоне обрабатываемых изделий) магнитного поля индукцией 0,3-20,0 мТл и давления 6,65·10^-3-1,33 Па. Эти условия проведения процесса получения покрытий обусловлены тем, что при индукции магнитного поля 0,3 мТл концентрация заряженных частиц начинает возрастать и становится возможным проводить процессы очистки, разогрева и насыщения поверхности изделий, при индукции поля выше 20 мТл концентрация заряженных частиц практически не растет, т.е. наступает насыщение. Выполнить обработку изделий по предлагаемому способу можно, начиная с давления газообразной среды 0,0065 Па, когда устойчиво горит вспомогательный разряд, и до давления 1,33 Па, так как при больших давления газа существенно снижается длина свободного пробега заряженных частиц и процессы очистки, активации, нагрева, насыщения и конденсации протекают медленно. Получение покрытий согласно заявленному способу производится следующим образом. Фасонный резец, очищенный от загрязнений, помещают на подложкодержатель вакуумной установки в вакуумируемую камеру. Камеру вакуумируют до давления остаточных газов 1,33 · 10^-3 Па, напускают в камеру газ, например аргон, до давления, например, 6,65·10^-3-1 Па и создают в камере магнитное поле величиной, например, от 0,3 до 20 мТл. Катод дугового разряда разогревают до температур термоэмиссии путем пропускания через него тока и прикладывают разность потенциалов между катодом и вакуумной камерой, при этом зажигается дуговой разряд с горячим катодом в газообразной среде. Электроны и ионы разряда выталкиваются магнитным полем от катода в камеру и адсорбируются поверхностью изделий, передавая им свою энергию. Изделия разогреваются. При необходимости ускорить процесс разогрева, а также выполнить очистку и активацию поверхности изделий к изделиям прикладывают потенциал относительно камеры, например, 100 В. При приложении положительного потенциала на обрабатываемую поверхность будут поступать электроны плазмы, при приложении отрицательного потенциала - ионы. При разогреве изделий до температуры, например, 350-500^oC подачу аргона прекращают и подают, например, азот до давления 0,0065-1 Па, выдерживают изделия при 350-500^oC в течение 10-60 мин, после чего в камере возбуждают вакуумный дуговой разряд с испаряющимся катодом. При этом на поверхности резца конденсируется покрытие в виде соединения металла с азотом (например, TiN, время конденсации 10-30 мин). После чего отключают все источники электропитания и прекращают подачу газа, и резец остывает в камере до 100^oC.

Формула изобретения

1. Способ получения износостойких покрытий из соединений металлов, включающий конденсацию металла на поверхность изделий и обработку изделий с нанесенным покрытием в камере с низкотемпературной плазмой газового дугового разряда с горячим катодом при создании в камере магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости покрытий за счет уменьшения размеров зерен, конденсацию металла и обработку изделий в камере с низкотемпературной плазмой выполняют одновременно при температуре изделий 80 - 500^oС, при этом во время обработки к изделиям прикладывают потенциал относительно стенок камеры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку изделий газовой плазмой выполняют перед нанесением металла.

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 19.06.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 9-2003

Извещение опубликовано: 27.03.2003        

---