Режущие инструменты с многослойными покрытиями al-cr-b-n/ti-al-n


 


Владельцы патента RU 2560480:

ЭРЛИКОН ТРЕЙДИНГ АГ, ТРЮББАХ (CH)

Изобретение относится к многослойному покрытию, нанесенному методом физического осаждения из паровой фазы на по меньшей мере часть поверхности подложки. Упомянутое покрытие содержит слои Al-Cr-B-N, нанесенные методом физического осаждения из паровой фазы, при этом в по меньшей мере части многослойного покрытия слои Al-Cr-B-N комбинированы со слоями Ti-Al-N. Слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга. Толщина слоев Al-Cr-B-N превышает толщину слоев Ti-Al-N, за счет чего остаточное напряжение упомянутого многослойного покрытия является меньшим по сравнению с остаточным напряжением однослойного покрытия Al-Cr-B-N. Предпочтительно твердость упомянутого многослойного покрытия больше или равна твердости однослойного покрытия Al-Cr-B-N. Обеспечивается покрытие, которое имеет низкое остаточное напряжение, повышенную твердость и улучшенные коэффициенты износа по сравнению с однослойным покрытием Al-Cr-N и Al-Cr-B-N. 2н. и 15 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится покрытиям, нанесенным способами физического осаждения из паровой фазы. Эти покрытия основаны, главным образом, на нитридах алюминия, хрома и бора и обладают повышенной износостойкостью. Кроме того, эти покрытия можно наносить, в частности, на режущие инструменты.

Согласно настоящему изобретению пленки Al-Cr-B-N составляют часть архитектуры многослойного покрытия.

Уровень техники

Как Ti-Al-N, так и Cr-Al-N представляют собой хорошо изученные системы износостойкого покрытия. С одной стороны, Ti-Al-N, например, широко используют для обработки резанием закаленной стали. Он структурно устойчив вплоть до примерно 900°C в присутствии кислорода. Однако Ti-Al-N значительно теряет твердость при температурах, превышающих 600°C. С другой стороны, Cr-Al-N имеет, по меньшей мере после высокотемпературных применений в кислородной атмосфере, более высокую твердость, чем Ti-Al-N, и значительно лучшую устойчивость к окислению. Cr-Al-N структурно устойчив вплоть до 1100°C даже в присутствии кислорода. Однако, по сравнению с другими покрытиями, Cr-Al-N существенно не улучшает эксплуатационные характеристики покрытых режущих инструментов при обработке резанием закаленных сталей.

Вследствие очень интересных свойств нитридов титана и алюминия и нитридов хрома и алюминия, многочисленные новые разработанные образцы систем покрытия все еще включают эти нитриды или созданы на их основе.

В документе WO2006084404 описана система покрытия, предназначенного, в частности, для использования в качестве твердого покрытия с чрезвычайно высокой стойкостью к окислению для защиты режущих инструментов, которым также требуется защита от износа. Описанная система покрытия включает, по меньшей мере, основной слой на поверхности подложки, внутренний слой и внешний поверхностный слой, причем поверхностный слой содержит AlCrZ, где Z может представлять собой N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BCNO или CBNO. Внутренний слой содержит любой из следующих материалов или их сочетания: нитрид, карбид или карбонитрид металла, нитрид, карбид или карбонитрид кремния и металла, где металл представляет собой по меньшей мере один переходный металл группы IVB, VB или VIB, или представляет собой многослойную систему материалов, или материала, или сочетание, или многослойную систему материалов, включающую по меньшей мере один слой металла или углерода, предпочтительно алмазоподобного углерода. Основной слой содержит нитрид, карбид или карбонитрид или многослойный материал из нитрида, карбида или карбонитрида. Основной слой можно наносить на заготовку как непосредственно, так и через промежуточный адгезионный слой, который может представлять собой вышеупомянутый переходный металл или нитрид металла, предпочтительно AlCr, AlTi, Cr, Ti, AlCrN, AlTiN, TiN или CrN.

Аналогичным образом в WO2008037556 описана система покрытия на основе AlCrN, которая также предусматривает сочетание с TiAlN. Более конкретно, в документе WO2008037556 раскрыто следующее: система покрытия для повышения износостойкости, состоящая из по меньшей мере одного слоя со следующим составом: (Al1-a-b-cCraBbZc)X, где элемент X представляет собой по меньшей мере один из N, C, CN, NO, CO, CNO, и Z представляет собой по меньшей мере один из W, Mo, Ta, Cb (также называемого Nb), и при этом справедливо 0,2≤a≤0,5, 0,01≤b≤0,2 и 0,001≤c≤0,04. Кроме того, там раскрыто, что указанный по меньшей мере один слой AlCrBZX можно при этом наносить непосредственно на поверхность тела заготовки или можно наносить, образуя самый внешний слой системы покрытия. Аналогичным образом упомянуто, что этот по меньшей мере один слой AlCrBZX можно внедрять в многослойную систему между первой слоистой подсистемой ближе к поверхности тела заготовки и второй слоистой подсистемой ближе к поверхности покрытого тела. Кроме того, упомянуто, что в многослойной системе можно наносить более чем один из указанных слоев AlCrBZX, одинаковых или различных по стехиометрии и/или составу материала. Таким образом, такие слои типа AlCrBZX с различной стехиометрией и/или составом материала могут находиться непосредственно друг на друге или могут быть разделены соответствующими подсистемами слоев покрытия. Кроме того, там раскрыто, что система покрытия может содержать по меньшей мере один промежуточный слой (TidAle)N или (CrfAlg)N между подложкой и самым внешним слоем, где 0,4≤d≤0,6, 0,4≤e≤0,6, 0,4≤f≤0,7, и 0,3≤g≤0,6. Таким образом, указанный промежуточный слой TiAlN или CrAlN может быть предусмотрен так, чтобы он представлял собой один слой многослойной подсистемы между поверхностью тела и слоем AlCrBZX. Кроме того, система покрытия может включать многослойную систему чередующихся слоев из по меньшей мере одного из указанных промежуточных слоев и по меньшей мере одного из слоев AlCrBZX.

Кроме того, документ JP2009012139 описывает режущий инструмент, поверхность которого покрыта слоем твердого покрытия AlCrBN, причем толщина данного слоя составляет 0,8-5 мкм. Упомянуто, что описанный слой покрытия AlCrBN обеспечивает высокую твердость, превосходную смазывающую способность и износостойкость при высокоскоростном резании материалов с высокой свариваемостью. Описанное покрытие AlCrBN состоит из первой пленки, осажденной на поверхность подложки и имеющей состав (AlXCr1-XBY)NZ, где 0,5≤X≤0,7, 0,001≤Y≤0,1, 0,9≤Z≤1,25, X+Y<0,75, и второй пленки, осажденной на первую пленку и имеющей состав (AlaCr1-aBb)Nc, где 0,4≤a≤0,7, 1≤b≤2,5, 0,25≤c≤0,68. Суммарное покрытие имеет средний состав AlαCr1-αBβNγ, где 0,5≤α≤0,7, 0,003≤β≤0,12, 0,8≤γ≤1,25.

Задача изобретения

Авторы изобретения обнаружили, что фактически однослойные покрытия Al-Cr-B-N проявляют улучшенную твердость и трибологическое поведение по сравнению с хорошо исследованными покрытиями Al-Cr-N. Однако по-прежнему существует необходимость дополнительного усовершенствования. Несмотря на свои интересные свойства, покрытия Al-Cr-B-N проявляют также очень высокое остаточное напряжение. Оно ухудшает режущие характеристики инструментов, покрытых пленками этих перспективных покрытий. Это особенно невыгодно в применениях, требующих покрытий большой толщины, где необходимы особенно низкие остаточные напряжения в покрытиях для предотвращения отслаивания покрытий.

Задача настоящего изобретения заключается в предложении покрытий, которые проявляют низкое остаточное напряжение, повышенную твердость и улучшенные коэффициенты износа по сравнению с однослойными покрытиями Al-Cr-N и Al-Cr-B-N.

Описание изобретения

Для обеспечения низких остаточных напряжений в покрытиях Al-Cr-B-N синтезировали разнообразные многослойные структуры посредством способов физического осаждения из паровой фазы, предпочтительно используя способы ионного осаждения покрытия с помощью реактивной катодной дуги.

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что структуры многослойного покрытия, которые, в частности, сочетают чередующиеся индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N, особенно когда толщина индивидуальных слоев Al-Cr-B-N превышает толщину индивидуальных слоев Ti-Al-N, преимущественно сохраняя в основном соотношение 2:1, касающееся толщины индивидуальных слоев Al-Cr-B-N по отношению к толщине индивидуальных слоев Ti-Al-N, проявляют чрезвычайно низкие остаточные напряжения и чрезвычайно высокую твердость одновременно. Посредством введения индивидуальных слоев Ti-Al-N оказалось возможным значительно повысить упругость покрытия. Соответственно, можно в целом значительно улучшить адгезионную прочность, усталостную прочность и ударную вязкость покрытия.

Таким образом, авторы изобретения описывают покрытие c низким остаточным напряжением в сочетании с повышенной твердостью и хорошими трибологическими свойствами.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, сочетание Al-Cr-B-N и Ti-Al-N реализовано в многослойной архитектуре с по меньшей мере двумя слоями Ti-Al-N и по меньшей мере двумя слоями Al-Cr-B-N, нанесенными поочередно, где индивидуальный слой, который является ближайшим к поверхности подложки, представляет собой слой Ti-Al-N, и индивидуальный слой, который является ближайшим к поверхности покрытия, представляет собой слой Al-Cr-B-N. Предпочтительнее, поочередно нанесены по меньшей мере три слоя Ti-Al-N и по меньшей мере три слоя Al-Cr-B-N. Первый слой Ti-Al-N может иметь другую толщину по сравнению с другими индивидуальными слоями Ti-Al-N и может быть также нанесен непосредственно на поверхность подложки, чтобы использоваться в качестве адгезионного слоя. Последний слой Al-Cr-B-N может иметь другую толщину по сравнению с другими индивидуальными слоями Al-Cr-B-N и может быть также нанесен в качестве самого внешнего слоя.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойные покрытия Al-Cr-B-N/Ti-Al-N синтезируют катодным дуговым испарением в атмосфере N2 при 3,5 Па и 500°C в установке осаждения INNOVA промышленного масштаба от фирмы Oerlikon Balzers. Чтобы образовать многослойную архитектуру, слои Al-Cr-B-N наносят из по меньшей мере одной мишени из легированного материала-источника, содержащего алюминий, хром и бор и имеющего следующий элементный состав: AlxCryBz, где x+y+z=1, x=1,8∙y, и 0,1≤z≤0,3 (приведенные здесь x, y и z представляют собой атомные доли). Слои Ti-Al-N наносят из по меньшей мере одной мишени из легированного материала-источника, содержащего алюминий и титан. В данном предпочтительном варианте осуществления использовали мишени TiAl с элементным составом 50:50 в атомных процентах. Кроме того, строение многослойного покрытия согласно данному варианту осуществления состоит из первого слоя Ti-Al-N толщиной 0,3 мкм, нанесенного на поверхность подложки, за которым следуют восемь итераций из поочередно осажденных индивидуальных слоев Al-Cr-B-N толщиной 0,2 мкм и Ti-Al-N толщиной 0,1 мкм (двойнослойный период толщины многослойного покрытия: 0,3 мкм), и завершает ее слой Al-Cr-B-N толщиной 0,8 мкм в качестве самого внешнего слоя, в результате чего суммарная толщина покрытия составляет около 3,5 мкм.

Методом рентгеновской дифракции обнаружено, что все покрытия проявляют гранецентрированную кубическую структуру в нанесенном состоянии. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала пики, свидетельствующие об образовании фазы BxNy в самом внешнем слое Al-Cr-B-N.

Было также обнаружено, что увеличение содержания B приводит к измельчению зерен.

После исследования механических и трибологических свойств различных покрытий Al-Cr-B-N, нанесенных в виде простых однослойных покрытий при меняющихся элементных составах и толщине, было обнаружено, что однослойные покрытия Al-Cr-B-N обладают максимальной твердостью около 43 ГПа при обычных остаточных напряжениях около -1,5 ГПа и хорошей водостойкости.

Аналогичные исследования механических и трибологических свойств были также проведены в отношении покрытий, синтезированных согласно настоящему изобретению. Чтобы получить репрезентативные выводы о преимуществах многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N, синтезированных согласно настоящему изобретению, по сравнению с однослойными покрытиями Al-Cr-B-N, индивидуальные слои Al-Cr-B-N многослойных покрытий синтезировали при параметрах нанесения, аналогичных тем, которые использовали при нанесении исследованных однослойных покрытий Al-Cr-B-N. Для сравнения, многослойные покрытия Al-Cr-B-N/Ti-Al-N, синтезированные согласно настоящему изобретению, наносили со сходной суммарной толщиной покрытия, как и у аналогичных однослойных покрытий Al-Cr-B-N.

В контексте этого описания изобретения слово «аналогичный» использовано для обозначения однослойных покрытий Al-Cr-B-N и многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N, у которых:

- соответствующие слои Al-Cr-B-N нанесены при таких же параметрах нанесения покрытия и с использованием такого же типа мишеней из материалов-источников с одинаковым элементным составом, и

- суммарная толщина покрытия почти равная.

Сравнение показало значительное улучшение механических и трибологических свойств.

Особенно неожиданным оказалось полученное сочетание очень высокой твердости и очень низкого остаточного напряжения, одновременно проявленных многослойными покрытиями, синтезированными согласно настоящему изобретению.

Многослойные покрытия, синтезированные согласно настоящему изобретению с использованием мишеней из материала-источника AlxCryBz со значениями z между 0,15 и 0,25 для осаждения индивидуальных слоев Al-Cr-B-N, проявляли наилучшие механические и трибологические свойства. Можно было измерять очень низкие остаточные напряжения около -0,25 ГПа и повышенную твердость около 50 ГПа, а также улучшенные трибологические свойства, включая коэффициенты износа в диапазоне 4×10-16 м3/Н∙м при 500°C.

Главным образом вследствие чрезвычайно низких остаточных напряжений и, следовательно, в целом улучшенной адгезионной прочности и усталостной прочности покрытия, наблюдавшихся у многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N, синтезированных согласно настоящему изобретению, следующий предпочтительный вариант осуществления изобретения представляет собой синтез многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N с относительно большой толщиной покрытия по сравнению с покрытиями, нанесенными традиционными способами физического осаждения из паровой фазы, включая, например, способы напыления и дугового испарения. Согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения наносят многослойные покрытия Al-Cr-B-N/Ti-Al-N, имеющие суммарную толщину покрытия, равную или большую 3 мкм, предпочтительно равную или большую 5 мкм. Можно реализовать толщины покрытия более чем 10 мкм, 20 мкм и даже вплоть до 30 мкм, и эти покрытия все же сохраняют свои превосходные свойства, как описано выше. В некоторых применениях такие толщины являются предпочтительными, поскольку они даже могут увеличивать срок службы. Можно реализовать и еще большие толщины, чем 30 мкм.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойное покрытие Al-Cr-B-N/Ti-Al-N синтезируют способом реактивного катодного дугового испарения. Вследствие нанесения с использованием дугового испарения в покрытии присутствуют макрочастицы металлических материалов из мишени, которые значительно отклоняются по своему составу и свойствам от остальной части покрытия. Это является результатом типичного получения капель, которые не полностью прореагировали с газообразным реагентом во время дугового испарения. Эти макрочастицы (капли) могут оставаться достаточно мелкими, чтобы они не ухудшали механические, термические, химические и трибологические свойства многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N, синтезированных согласно настоящему изобретению. Однако в то же время эти макрочастицы по-прежнему способствуют улучшению общей усталостной прочности покрытия за счет придания пластичности.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойное покрытие Al-Cr-B-N/Ti-Al-N представляет собой наноламинированное покрытие, индивидуальные слои Al-Cr-B-N которого имеют толщину ≤100 нм, предпочтительно имея двойнослойный период нанослоев Al-Cr-B-N и Ti-Al-N между 75 и 15 нм.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойное покрытие Al-Cr-B-N/Ti-Al-N содержит дополнительный адгезионный слой для дополнительного улучшения адгезии покрытия к подложке и/или дополнительный самый внешний или верхний слой, который может представлять собой, например, декоративный слой или приработочный слой.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойное покрытие Al-Cr-B-N/Ti-Al-N имеет в направлении толщины покрытия по меньшей мере одну область с толщиной по меньшей мере 1 мкм, где многослойная архитектура Al-Cr-B-N/Ti-Al-N характеризуется тем, что двойнослойный период индивидуальных слоев Al-Cr-B-N и Ti-Al-N является постоянным.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойное покрытие Al-Cr-B-N/Ti-Al-N имеет в направлении толщины покрытия по меньшей мере одну область многослойной архитектуры Al-Cr-B-N/Ti-Al-N с постоянным двойнослойным периодом, как определено в предыдущем варианте осуществления, и в дополнение имеет по меньшей мере один слой Ti-Al-N с другой толщиной, чем индивидуальные слои Ti-Al-N, содержащиеся в этой по меньшей мере одной области многослойной архитектуры с постоянным двойнослойным периодом.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойное покрытие Al-Cr-B-N/Ti-Al-N имеет в направлении толщины покрытия по меньшей мере одну область многослойной архитектуры Al-Cr-B-N/Ti-Al-N с постоянным двойнослойным периодом, как определено в предыдущем варианте осуществления, и в дополнение имеет по меньшей мере один слой Al-Cr-B-N с другой толщиной, чем индивидуальные слои Al-Cr-B-N, содержащиеся в этой по меньшей мере одной области многослойной архитектуры с постоянным двойнослойным периодом.

Описана система многослойного покрытия, нанесенная на по меньшей мере часть поверхности твердого тела и содержащая в многослойной архитектуре индивидуальные слои Al-Cr-B-N, нанесенные способом физического осаждения из паровой фазы, отличающаяся тем, что в по меньшей мере части суммарной толщины системы многослойного покрытия индивидуальные слои Al-Cr-B-N сочетаются с индивидуальными слоями Ti-Al-N, при этом индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, и при этом толщина индивидуальных слоев Al-Cr-B-N превышает толщину индивидуальных слоев Ti-Al-N, и за счет этого остаточное напряжение системы многослойного покрытия значительно меньше по сравнению с остаточным напряжением соответствующей аналогичной системы однослойного покрытия Al-Cr-B-N, а предпочтительно твердость системы многослойного покрытия больше или равна твердости соответствующего аналогичного однослойного покрытия Al-Cr-B-N.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия соотношение толщин индивидуальных слоев Al-Cr-B-N и индивидуальных слоев Ti-Al-N в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, может составлять в основном 2:1.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия состав слоев Al-Cr-B-N, содержащихся в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, может представлять собой AlaCrbBcNd, где a+b+c=1, a=9/5∙y, 0,1≤z≤0,3, где a, b и c представляют собой атомные доли, определенные после элементного анализа, учитывающего только элементы Al, Cr и B для баланса элементов.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия та часть покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, может содержать по меньшей мере два индивидуальных слоя Ti-Al-N и два Al-Cr-B-N, предпочтительнее по меньшей мере три индивидуальных слоя Ti-Al-N и три Al-Cr-B-N.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия толщина индивидуальных слоев Ti-Al-N и Al-Cr-B-N в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, предпочтительно остается постоянной.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия элементный состав индивидуальных слоев Al-Cr-B-N в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, предпочтительно является постоянным.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, могут представлять собой нанослои, соответствующие индивидуальны толщины которых составляют у каждого ≤ 100 нм, предпочтительно двойнослойный период, определяемый как сумма толщин, соответствующих одному индивидуальному нанослою Al-Cr-B-N и одному индивидуальному нанослою Ti-Al-N, составляет ≤100 нм, предпочтительно двойнослойный период составляет между 75 и 15 нм.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия между той частью покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, и поверхностью подложки может быть нанесен дополнительный индивидуальный слой Ti-Al-N, значения толщины и концентрации элементов которого равны соответствующим значениям индивидуальных слоев Ti-Al-N, содержащихся в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, или отличаются от них.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия между той частью покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, и поверхностью покрытия может быть нанесен дополнительный индивидуальный слой Al-Cr-B-N, значения толщины и концентрации элементов которого равны соответствующим значениям индивидуальных слоев Al-Cr-B-N, содержащихся в той части покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, или отличаются от них.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия дополнительный индивидуальный слой Ti-Al-N может быть нанесен непосредственно на поверхность подложки, и/или дополнительный индивидуальный слой Al-Cr-B-N нанесен в качестве самого внешнего слоя.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия непосредственно на поверхность подложки может быть нанесен дополнительный адгезионный слой, не состоящий из Ti-Al-N, чтобы улучшить адгезию покрытия к подложке, и/или на поверхность покрытия в качестве верхнего слоя нанесен дополнительный самый внешний слой, не состоящий из Al-Cr-B-N, и этот слой может представлять собой, например, тонкий декоративный слой или приработочный слой.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия суммарная толщина покрытия в системе многослойного покрытия может быть выбрана равной или большей 3 мкм, предпочтительно равной или большей 5 мкм. Кроме того, суммарную толщину покрытия можно выбирать равной или большей 10 мкм, 20 мкм и даже вплоть до 30 мкм или более согласно требованиям применения.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия по меньшей мере та часть покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, предпочтительно синтезирована реактивным катодным дуговым испарением. Вследствие нанесения с использованием дугового испарения в покрытии присутствуют макрочастицы металлических материалов из мишени, которые значительно отклоняются по своему составу и свойствам от остальной части покрытия. Эти макрочастицы способствуют повышению общей усталостной прочности покрытия за счет придания упругости, и они не ухудшают механические, термические, химические и трибологические свойства многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия по меньшей мере та часть покрытия, где индивидуальные слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N предпочтительно нанесены поочередно друг на друга, проявляет гранецентрированную кубическую структуру в нанесенном состоянии.

В упомянутой выше системе многослойного покрытия самый внешний слой может представлять собой слой Al-Cr-B-N, который демонстрирует образование BxNy.

Согласно изобретению твердое тело может быть по меньшей мере частично покрыто системой многослойного покрытия по одному из описанных выше вариантов. Твердое тело может представлять собой, например, режущий инструмент или формовочный инструмент, или литейную форму, или пресс-форму, или матрицу, или высокоточную деталь, или автомобильную деталь, или деталь для использования в автомобильной промышленности (двигателестроении) или в аэрокосмической промышленности, такую как, например, деталь турбины.

В частности, изобретение можно использовать для следующих применений:

1. Инструменты:

- расходные вставки на основе твердого металла, металлокерамики, нитрида бора, нитрида кремния или карбида кремния для фрезерования, точения или сверления;

- фрезы, такие как фрезы с круглой головкой и концевые фрезы;

- нарезные фрезы;

- червячные фрезы;

- контурные фрезы;

- стержневые лезвия;

- сверла;

- метчики;

- буры;

- гравировальные инструменты;

- расширительные коронки.

2. Формовочные и штамповочные инструменты:

- формы для литья алюминия под давлением;

- формы для нанесения пластмассового покрытия;

- экструзионные матрицы;

- инструменты для формовки листов;

- штампы для штамповки металлов;

- кузнечные тиски, в частности, для горячей ковки;

- инструменты для горячей гофрировки.

3. Детали и части, предназначенные для автомобильной промышленности:

- клапаны;

- ключевые эксцентрики;

- втулочные иглы;

- коромысла клапанов;

- эксцентрики;

- роликовые шпиндели;

- кулисные пальцы;

- толкатели клапанов;

- распределительные валы;

- подшипники распределительных валов;

- клапанные эксцентрики;

- нивелиры с элевационными винтами;

- поршневые кольца;

- поршневые пальцы;

- инжекторы и детали инжекторов;

- лопатки турбин;

- детали насосов;

- насосы высокого давления;

- передаточные механизмы;

- зубчатые колеса;

- упорные подшипники;

- детали электрической системы управления и ускорения;

- детали антиблокировочной тормозной системы (ABS);

- подшипники;

- шариковые подшипники;

- роликовые подшипники;

- подшипники распределительных валов.

Изобретение, описанное в настоящем патентном документе, включает в себя способ изготовления твердого тела, покрытого описанной выше системой многослойного покрытия согласно настоящему изобретению.

1. Многослойное покрытие, нанесенное методом физического осаждения из паровой фазы на по меньшей мере часть поверхности подложки, содержащее слои Al-Cr-B-N, нанесенные методом физического осаждения из паровой фазы, отличающееся тем, что в по меньшей мере части многослойного покрытия слои Al-Cr-B-N комбинированы со слоями Ti-Al-N, при этом слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, причем толщина слоев Al-Cr-B-N превышает толщину слоев Ti-Al-N, за счет чего остаточное напряжение упомянутого многослойного покрытия является меньшим по сравнению с остаточным напряжением однослойного покрытия Al-Cr-B-N, а предпочтительно твердость упомянутого многослойного покрытия больше или равна твердости однослойного покрытия Al-Cr-B-N.

2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что соотношение толщин слоев Al-Cr-B-N и слоев Ti-Al-N в той части покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, составляет 2:1.

3. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в составе слоев Al-Cr-B-N, содержащихся в части покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, атомные доли a, b и с соответствующих элементов Al, Cr, В определяются элементным анализом, учитывающим только элементы Al, Cr, В для баланса элементов, причем а+b+с=1.

4. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что часть покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, содержит по меньшей мере два слоя Ti-Al-N и два слоя Al-Cr-B-N, предпочтительнее по меньшей мере три слоя Ti-Al-N и три слоя Al-Cr-B-N.

5. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что толщина слоев Ti-Al-N и Al-Cr-B-N в части покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, остается постоянной.

6. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что элементный состав слоев Al-Cr-B-N в части покрытия, в которой слои Al-Cr-В-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, остается постоянным.

7. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N в части покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, представляют собой нанослои, соответствующие толщины которых составляют у каждого ≤100 нм, предпочтительно толщина двойного слоя, определяемая как сумма толщин, соответствующих одному нанослою Al-Cr-B-N и одному нанослою Ti-Al-N, составляет ≤100 нм, предпочтительно толщина двойного слоя составляет между 75 и 15 нм.

8. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что между частью покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, и поверхностью подложки нанесен дополнительный слой Ti-Al-N, значения толщины и концентрации элементов которого равны соответствующим значениям слоев Ti-Al-N, содержащихся в упомянутой части покрытия.

9. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что между частью покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, и поверхностью покрытия нанесен дополнительный слой Al-Cr-B-N, значения толщины и концентрации элементов которого равны соответствующим значениям слоев Al-Cr-B-N, содержащихся в упомянутой части покрытия.

10. Покрытие по п. 8 или 9, отличающееся тем, что дополнительный слой Ti-Al-N нанесен на поверхность подложки, и/или дополнительный слой Al-Cr-B-N нанесен в качестве внешнего слоя.

11. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на поверхность подложки нанесен дополнительный адгезионный слой, не состоящий из Ti-Al-N, для улучшения адгезии покрытия к подложке, и/или на поверхность покрытия в качестве верхнего слоя нанесен дополнительный внешний слой, не состоящий из Al-Cr-B-N, причем упомянутый слой может представлять собой, например, тонкий декоративный слой или приработочный слой.

12. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что суммарная толщина слоев многослойного покрытия равна или больше 3 мкм, предпочтительно равна или больше 5 мкм.

13. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга реактивным катодным дуговым испарением, при этом в покрытии содержатся макрочастицы металлических материалов из мишени, причем упомянутые макрочастицы способствуют повышению усталостной прочности всего покрытия за счет придания упругости, и они не ухудшают механические, термические, химические и трибологические свойства многослойных покрытий Al-Cr-B-N/Ti-Al-N.

14. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что по меньшей мере часть нанесенного покрытия, в которой слои Al-Cr-B-N и Ti-Al-N нанесены поочередно друг на друга, имеет гранецентрированную кубическую структуру.

15. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что внешний слой представляет собой слой Al-Cr-B-N, в котором образуется фаза, состоящая из бора и азота.

16. Подложка, по меньшей мере частично покрытая многослойным покрытием, отличающаяся тем, что она снабжена покрытием по любому из пп. 1-15, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы.

17. Подложка по п. 16, отличающаяся тем, что она представляет собой режущий инструмент, или формовочный инструмент, или штамповочный инструмент, или деталь или часть транспортного средства, или деталь или часть для использования в автомобильной промышленности или аэрокосмической промышленности, в частности деталь турбины.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. Способ нанесения жаростойкого металлокерамического покрытия на изделие из жаропрочного сплава включает нанесение на поверхность упомянутого изделия чередующихся керамических слоев тугоплавких окислов металлов и разделение этих слоев промежуточными компенсационными слоями пластичного металла.

Изобретение относится к винтовой нажимной стальной пружине для поршневого кольца, выполненной с износостойким покрытием, которая может быть использована как компонент маслосъемного кольца в поршне двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при этом наносят нижний слой из нитрида соединения титана, алюминия и хрома при их соотношении, мас.%: титан 70,5-79,5, алюминий 14,0-20,0, хром 6,5-9,5, и верхний слой из нитрида циркония, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и алюминия, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при этом наносят нижний слой из нитрида соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 78,0-84,0, цирконий 6,0-10,0, хром 8,0-12,0, и верхний слой из нитрида циркония, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и циркония, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при этом наносят нижний слой из нитрида соединения титана, кремния и хрома при их соотношении, мас.%: титан 87,1-90,5, кремний 1,0-1,4, хром 8,5-11,5, и верхний слой из нитрида хрома, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при этом наносят нижний слой из нитрида соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 78,0-84,0, цирконий 6,0-10,0, хром 8,0-12,0, и верхний слой из нитрида хрома, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют составным из титана и циркония, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при этом наносят нижний слой из нитрида соединения титана, кремния и хрома при их соотношении, мас.%: титан 87,1-90,5, кремний 1,0-1,4, хром 8,5-11,5, и верхний слой из нитрида циркония, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида титана, кремния, алюминия, ниобия и хрома при их соотношении, мас.%: титан 57,12, кремний 0,85, алюминий 9,46, ниобий 20,89, хром 11,68.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу, с покрытием, а также к способу нанесения покрытия на скользящий элемент. Поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания выполнено из чугуна или стали и имеет износостойкое покрытие.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. Способ нанесения жаростойкого металлокерамического покрытия на изделие из жаропрочного сплава включает нанесение на поверхность упомянутого изделия чередующихся керамических слоев тугоплавких окислов металлов и разделение этих слоев промежуточными компенсационными слоями пластичного металла.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама, углеродистого вольфрама и меди, и может быть использовано в электротехнике.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама и меди, которые могут быть использованы в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы W-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.

Изобретение относится к способам получения композитных наноматериалов и может быть использовано в приборостроении и других областях при производстве материалов на основе полупроводников, диэлектриков или металлов.

Изобретение относится к композитным наноматериалам и может быть использовано в приборостроении для производства материалов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе молибдена, углеродистого молибдена и меди, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионно-стойкие покрытия с высокой адгезией с основой на уровне когезии.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению стального листа с многослойным покрытием, используемого для производства автомобильных деталей.

Изобретение относится к многослойному защитному барьерному покрытию для конструкционного сплава V-4Cr-4Ti, которое может быть использовано для нанесения на конструкционные элементы термоядерных установок, имеющие контакт с водородсодержащими средами, и препятствовать накоплению водорода в элементах конструкций, а также утечке через элементы конструкций трития путем диффузии через металл.

Изобретение относится к нанесению покрытий путем проведения неравновесных процессов распыления в вакууме ионным пучком. Может использоваться для создания автоэмиссионных катодов, упрочнения рабочих кромок режущего инструмента, в частности хирургического, защиты от химически агрессивных сред и повышенных температур, требующих химической инертности и биосовместимости покрытий, высокой твердости и низкого трения, высокой теплопроводности покрытий.

Изобретение относится к многослойному теплозащитному покрытию на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности. Многослойное теплозащитное покрытие включает основной металлический подслой, выполненный из сплава на основе никеля, верхний керамический теплозащитный слой и дополнительный металлический жаростойкий подслой между основным подслоем и керамическим слоем.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения и повышения коррозионной стойкости лопаток компрессора газотурбинных двигателей, а также может быть использовано в области создания накопителей и преобразователей энергии на основе суперконденсаторов с алюминиевыми электродами. Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов включает предварительную очистку поверхности изделия с последующем размещением изделия в вакуумной камере, подачу отрицательного напряжения смещения на изделие, подачу в вакуумную камеру аргона, обработку изделия в газоразрядной плазме индукционного высокочастотного разряда в аргоне при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне 400-600 В. Затем на изделие в вакууме наносят металлическое покрытие путем магнетронного распыления мишени-катода, нагретой до температуры, при которой давление паров металла достаточно для поддержания магнетронного разряда, с одновременным ассистированием плазмой высокочастотного разряда, горящим в парах металла при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне 250-400 В и температуре ниже температуры разупрочнения материала изделия из алюминиевого сплава. Обеспечивается получение упрочняющих коррозионно-стойких защитных покрытий на изделиях из алюминиевых сплавов с плавным переходом состава от основы изделия к наносимому покрытию. 4 ил.
Наверх