Способ нанесения износостойкого покрытия

 

Изобретение относится к области получения слоистых композиционных покрытий и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для увеличения износостойкости трущихся поверхностей изделий. Сущность: предложен способ получения износостойкого покрытия путем термического разложения паров карбонила металла на нагретой подложке при пониженном давлении, включающий осаждение двух слоев металла, выбранного из VI-VIII групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева; первый слой покрытия наносят из металла, выбранного из VI-VIII групп, толщиной 3-5 мкм при температуре подложки 600-900^oC, остаточном давлении 0,5-1,0 мм рт. ст. и скорости роста 1-2 мкм/мин, а второй слой покрытия наносят из металла, выбранного из VI-VII групп, такой же толщины при температуре подложки 300-450^oC, остаточном давлении ≅0,5 мм рт. ст. и скорости роста 0,3-0,5 мкм/мин, при этом указанные стадии повторяют до получения покрытия заданной толщины. 1 табл.

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий путем термической диссоциации металлоорганических соединений, в частности карбонилов металлов в газовой фазе.

Изобретение может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для увеличения износостойкости поверхностей, подвергающихся различным механическим воздействиям.

Известен способ получения покрытий термическим разложением карбонилов металлов в вакууме [1] Способ осуществляют сначала при температуре осаждения металла, а затем при температуре осаждения его карбида с последующей термообработкой покрытия. В качестве исходных веществ используют карбонилы различных металлов, например никеля, хрома, ванадия, молибдена, кобальта, осмия. Получают покрытия, состоящие из карбида с подслоем металла.

Известен также аналогичный способ получения композиционного покрытия с высокой стойкостью к эрозии и абразивному износу [2] По этому способу осаждают промежуточный слой относительно чистого вольфрама, а затем наружный слой из смеси вольфрама и карбида вольфрама. Отношение толщины промежуточного и наружного слоев составляет не менее 0,3.

Недостатком указанных выше способов является то, что покрытия получают без армирующих компонентов, и вследствие этого они являются недостаточно прочными и не могут выдерживать ударные нагрузки.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и принятым нами за прототип является способ получения покрытия хром-никелевым сплавом из газовой фазы [3] Способ заключается в том, что металлическую подложку или подложку, выдерживающую повышенную температуру, сначала нагревают до 538^oC при давлении в реакторе 0,02-0,2 мм рт. ст. и подают карбонил никеля в присутствии углерода в качестве несущего газа. Затем температуру подложки уменьшают до 199^oC и подают в камеру наряду с карбонилом никеля также и карбонил хрома, после чего температуру подложки поднимают до 218^oC. При осуществлении данного способа вначале происходит осаждение никелевого слоя, а затем хром-никелевого слоя.

Недостатком способа [3] является получение покрытий только одного состава, что ограничивает области применения таких покрытий для пар трения из различных материалов.

Задачей, стоящей перед авторами, является обеспечение высокой износостойкости покрытия для различных пар трения за счет повышения его прочности.

Для решения указанной задачи предложен способ нанесения износостойкого композиционного слоистого покрытия термическим разложением паров карбонилов металлов VI-VIII групп Периодической системы при пониженном давлении, в котором, согласно изобретению, первый слой толщиной 3-5 мкм наносят при использовании карбонилов металлов VI-VIII групп при температуре 600-900^oC, давлении (5-10) · 10^-1 мм рт. ст. и скорости роста 1-2 мкм/мин. а второй слой такой же толщины наносят при температуре 300-450^oC при использовании карбонилов металлов VI-VII групп, давлении ≅ 5 · 10^-1 мм рт.ст. и скорости роста 0,3-0,5 мкм/мин. при этом указанные стадии повторяют до получения покрытия заданной толщины. В качестве карбонила металла используют один или несколько карбонилов металлов VI-VIII групп периодической системы, в частности карбонилы молибдена, вольфрама, хрома, марганца, никеля, железа и других.

При осуществлении предложенного способа в лабораторных условиях получены прочные износостойкие композиционные покрытия. Способ позволяет получить покрытия определенной многослойной структуры, каждый слой которой состоит из металлического каркаса в виде сфероидов нитевидных и столбчатых кристаллов, промежутки между которыми заполнены плотным металлокарбонидным слоем повышенной твердости.

Суммарная толщина покрытия может быть от 5 до 50 мкм.

Получены покрытия, превышающие в 1,2-4,3 раза износостойкость образца из стали 45 при удельной нагрузке 5 МН/м².

Пример 1.

В рабочую камеру помещают деталь и вакуумируют систему до остаточного давления 1 · 10^-2 мм рт. ст. Деталь нагревают до 600^oC, после чего дают пары карбонила железа и в течение 3 минут наносят со скоростью 2 мкм/мин. при остаточном давлении 5 · 10^-1 мм рт. ст. железное покрытие в виде нитевидных кристаллов.

Затем прекращают подачу карбонила железа, температуру детали снижают до 450^oC и подают пары карбонила вольфрама в количестве, соответствующем скорости роста покрытия 0,5 мкм/мин. в течение 10 мин. при остаточном давлении 2 · 10^-1 мм рт. ст. После этого первую и вторую стадии повторяют до формирования биметаллического покрытия толщиной 10-12 мкм.

Образующееся покрытие состоит из 32% мас. 66% мас. Fe и 2% мас. C.

Стендовые испытания полученного таким образом железовольфрамового покрытия на истирание на машине СМЦ-2 показали, что его относительная износостойкость при нагрузке 5 МН/м² по сравнению со сталью 45, принятой за 1, составляет 4,1- 4,3.

Другие примеры и результаты испытаний покрытий представлены в таблице.

Формула изобретения

Способ нанесения износостойкого покрытия путем термического разложения паров карбонила металла на нагретой подложке при пониженном давлении, включающий нанесение двух слоев металла, выбранного из VI-VIII групп Периодической системы, отличающийся тем, что первый слой покрытия наносят металлом, выбранным из VII-VIII групп, толщиной 3 5 мкм при температуре подложки 600 900^oС, остаточном давлении 0,5 1,0 мм рт. ст. и скорости роста 1 2 мкм/мин, а второй слой покрытия наносят металлом, выбранным из VI-VII групп, такой же толщины при температуре подложки 300 450^oС, остаточном давлении не более 0,5 мм рт. ст. и скорости роста 0,3 0,5 мкм/мин, при этом указанные стадии повторяют до получения покрытия заданной толщины.

РИСУНКИ

Рисунок 1