Способ нанесения износостойкого покрытия


 


Владельцы патента RU 2617189:

Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрических исполнительных механизмов и приводов "ПРИМЕХ" (RU)

Изобретение относится к ионно-плазменному способу нанесения износостойких покрытий на поверхности изделий из металлов и других материалов. Способ нанесения износостойкого покрытия на основе нитрида углерода на изделие включает ионно-плазменную очистку и нагрев поверхности изделия до 200-450°C, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере аргона переходного слоя Ti, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере азота переходного слоя TiN, ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки CNx в атмосфере азота импульсным дуговым разрядом в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3, длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования импульсов 1-5 Гц. В частных случаях осуществления изобретения при формировании промежуточных слоев Ti и TiN осуществляют магнитную сепарацию плазменного потока. Слой алмазоподобной пленки CNx покрытия наносят толщиной 0,2-2,0 мкм. Нанесение слоя алмазоподобной пленки проводят чередованием нанесения алмазоподобного слоя и обработки этого слоя ионами аргона. Во время ионно-плазменной очистки к изделию подводят импульсное отрицательное напряжение. Обеспечивается повышение износостойкости поверхности изделия за счет нанесения покрытия на основе нитрида углерода. 4 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к ионно-плазменному способу нанесения износостойких покрытий на поверхности изделий из металлов и других материалов. Покрытия могут использоваться в промышленности для повышения износостойкости режущих и технологических инструментов.

Алмаз является самым твердым природным материалом, известным в настоящее время. Поликристаллический алмаз эффективен для повышения износостойкости, однако его осаждение требует очень высоких температур и давлений. В качестве покрытия для режущих инструментов за рубежом широко используются пленки diamondlikecarbon (DLC). DLC пленки имеют высокую твердость (выше 1500 HV), низкий коэффициент трения (менее 0,2) и термическую стабильность в диапазоне до 600°C. Основным недостатком DLC покрытий является недостаточная адгезия к материалу изделия.

Для предотвращения расслоения и повышения адгезии с подложкой применяется промежуточный слой металлов Ti, Zr, W, Cr и их нитридов между изделием и износостойким покрытием.

Наиболее эффективным методом направленной модификации функциональных свойств поверхностей, подверженных износу, является нанесение пленочных покрытий. В настоящее время процессы физического осаждения покрытий (процессы PVD) на различные изделия, в том числе режущий инструмент, получают все большее применение из-за высокой надежности, универсальности, возможности получения покрытий практически любого состава и структуры с обеспечением экологической чистоты процессов при производстве инструмента в сравнении с методами и процессами плазмохимического осаждения покрытий (методы CVD) («Методы нанесения вакуумных PVD-покрытий». Курс лекций. Сост. Жданов А.В. Владимирский государственный университет. 2014): http://www.vlsu.m/fileadmin/Kadry_dlja_regiona/9/2014_nov/9-2-6-02_2014_Metody_nanesenija_vakuurnnyh_PVD_pokrytij.pdf

Карбиды (TiC, SiC, WC, VC и т.д.) и нитриды (CrN, ZrN и др.) различных металлов и неметаллов нашли широкое применение за счет приемлемых значений микротвердости и адгезии, однако они характеризуются достаточно большими значениями коэффициента трения.

Современные исследования направлены на получение многослойных покрытий, включающих два (TiC/TiN, TiC/Al2O3 и т.д.) или более слоев (TiN /TiCN/TiC или (TiAl)N/CrN). Также применяются градиентные многокомпонентные покрытия, в которых происходит непрерывное изменение концентрации компонентов.

Нанокомпозитные покрытия являются новым поколением материалов, они состоят из нанокристаллической или аморфной структуры. Небольшие (до 10 нм) размеры частиц играют важную роль для пограничных зон нанокомпозитных материалов, что сказывается на улучшении адгезионных свойств покрытий и повышении рабочих температур (до 3000-3500°C) по сравнению с материалами, у которых размеры зерен превышают 100 нм.

Фирма Platit (Швейцария) разработала способ получения двухфазных наноструктурированных покрытий с размерами зерен до 5 нм, у которых основную функцию по износостойкости выполняют зерна (Al, Cr)N или (Ti, Al)N (основная нанокристаллическая фаза), на границах которых располагается вторая нанокристаллическая (или аморфная) фаза Si3N4, сдерживающая коагуляцию зерен основной фазы как при осаждении покрытия (вакуумно-дуговая технология), так при эксплуатации инструмента. Аналогичные исследования по разработке наноструктурированных покрытий нового поколения проводят фирмы Balzers, Metaplas, Cimicon и др. (Верещака А.С., Верещака А.А. «Тенденции совершенствования и методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента». Современные технологии в машиностроении: Сб. науч. статей) - http://www.kpi.kharkov.ua/archive/Наукова_перiодика/stm/2010/4/НЕКОТОРЫЕ%20МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ%20ПРИНЦИПЫ%20СОЗДАНИЯ%20 ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ%20ПОКРЫТИЙ%20ДЛЯ%20РЕЖУЩЕГО%20ИНСТРУМЕНТА.pdf

В научно-технической литературе имеется большое количество исследований, посвященных повышению эксплуатационных характеристик изделий за счет нанесения на их поверхность нитрида титана (TiN) или карбонитрид титана (TiCN) (В.В. Кунченко, А.А. Андреев, «КАРБОНИТРИДЫ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫЕ ВАКУУМНО-ДУГОВЫМ ОСАЖДЕНИЕМ», ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с. 116-120): http://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2001_2/article_2001_2_116.р df

Однако данные покрытия, обладая хорошей адгезией к материалу подложки, имеют низкую твердость, либо высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления. При нагреве (резка, трение) идет разрушение Ti-N связей, и покрытие быстро изнашивается за счет недостаточной твердости.

В заявке США №2015093566 (B05D 1/10; B05D 1/12; B05D 1/36, опубл. 02.04.2015) приводится описание способа формирования износостойкого покрытия, включающего в себя нанесение на подложку мелкодисперсного порошка из инкапсулированных частиц различных материалов, таких как алмаз, карбид вольфрама, вольфрам, окись алюминия, карбид кремния и нитрид кремния, с последующей выдержкой при температуре 500°C и спеканием при температуре 850°C в течение 180 минут. Недостатком данного технического решения является сложность технологического процесса и энергозатратность (высокие температуры обработки).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков (принятого за прототип) является способ нанесения покрытия (патент RU 2261936, C23C 14/24, C23C14/48, опубл. 10.10.2005), включающий вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия, состоящего из нижнего слоя карбонитрида титана TiCN и верхнего слоя нитрида титана TiN. К недостаткам этого способа относится то, что многослойное покрытие имеет низкую прочность сцепления слоев и формируется в течение нескольких технологических циклов (в отличие от заявляемого решения).

Техническим результатом заявляемого решения является повышение износостойкости поверхности изделия за счет нанесения покрытия на основе нитрида углерода.

Технический результат достигается тем, что способ нанесения износостойкого покрытия включает ионно-плазменную очистку и нагрев поверхности изделия до 200-450°C, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере аргона переходного слоя Ti, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере азота переходного слоя TiN, ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки CNx в атмосфере азота импульсным дуговым разрядом в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3 длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования 1-5 Гц. При формировании промежуточных слоев Ti, TiN и TiC осуществляют магнитную сепарацию плазменного потока. Слой углеродной алмазоподобной пленки покрытия наносят толщиной 0,2-2,0 мкм. Нанесение слоя алмазоподобного покрытия производят чередованием нанесения алмазоподобного покрытия и обработки слоя алмазоподобного покрытия ионами аргона. Во время ионно-плазменной очистки к изделию подводят импульсное отрицательное напряжение.

Нанесение износостойкого покрытия осуществляют следующим образом.

Изделие или части изделия, на которые необходимо нанести покрытие, предварительно очищают от загрязнений, пыли и т.п. Далее изделие располагают в рабочем объеме вакуумной камеры на специальной оснастке, установленной с возможностью вращения.

Вакуумная камера содержит электродуговой испаритель титана, электродуговой испаритель углеродной плазмы, источник ионов аргона, газовый натекатель аргона, газовый натекатель азота, вакуумметр, систему вращения специальной оснастки, систему сепарации плазменного потока, источник смещения потенциалов.

Вакуумирование камеры производят до достижения давления (1-2)*10-3 Па. Затем включением газового натекателя аргона обеспечивают рабочее давление аргона 10-2 Па и с помощью источника ионов аргона подвергают обработке поверхность изделия ионами аргона с энергиями 1-3 кэВ при температуре 200-450 градусов. Данная температура обеспечивает технологические условия для формирования последующих слоев покрытия.

Для обеспечения адгезии покрытия к поверхности изделия электродуговым осаждением с помощью электродугового испарителя наносят подслой Ti толщиной 0,04 мкм с использованием магнитной сепарации плазменного потока. Далее с помощью этого же электродугового испарителя и газового натекателя азота, обеспечивающего давление (2-5)* 10-2 Па в ваккумной камере, осуществляют ионно-плазменное осаждение титана, тем самым формируя переходной слой TiN толщиной 0,1 мкм между титановым подслоем и последующей алмазоподобной пленкой (углеродным покрытием).

С помощью источника смещения потенциалов к изделию подводят отрицательное напряжение от 100 до 2500 Вт для качественного нанесения покрытия.

Далее в этой же атмосфере азота осуществляют ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки толщиной 1-10 мкм с помощью электродугового испарителя углеродной плазмы. Испарение углеродного материала, в качестве которого используют графит, осуществляют импульсным дуговым разрядом от электродугового испарителя углеродной плазмы.

Плазму для осаждения углеродного материала создают вне области разрядного промежутка дугового разряда в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3 длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования 1-5 Гц. При этом скорость напыления АПП достигает 2 А/импульс.

Для повышения качества покрытия нанесения слоя алмазоподобной пленки производят чередованием нанесения алмазоподобного покрытия и обработки слоя алмазоподобного покрытия ионами аргона при давлении 10-2 Па.

Контроль за технологическими параметрами давления в вакуумной камере и его регулирование в процессе всего цикла нанесения покрытий осуществляют посредством вакуумметра.

Пример 1. В качестве изделия были выбраны образцы из стали марки 12Х18Н10Т. Нанесение алмазоподобного покрытия проводилось двумя способами. В первом случае нанесение покрытия проводилось известным способом: проводилась плазменная очистка изделия ионами аргона в течение 20 мин, далее наносился адгезионный слой титана толщиной 100 нм, наносимого электродуговым катодным распылением при одновременном приложении к изделию постоянного отрицательного напряжения 1000 В, нагревом изделия до температуры 450°C, далее методом импульсного электродугового катодного распыления графита при частоте 5 Гц наносилась алмазоподобная пленка толщиной 4 мкм. Во втором случае, в отличие от первого, на адгезионный слой титана наносился плазменным методом переходный слой смеси титан-углерод толщиной 200 нм с переменной возрастающей концентрацией углерода от 5 до 95 ат. % и далее наносилась алмазоподобная пленка тем же методом, что и в первом случае. Во втором случае толщина алмазоподобной пленки составляла также 2 мкм.

Пример 2. В качестве изделия брали образцы из стали марки 08Х17Н2. На адгезионный слой титана при температуре не выше 400°C наносились плазменным методом переходные слои нитрида титана толщиной 100 нм и смеси титан-углерод толщиной 200 нм, и далее наносилась алмазоподобная пленка тем же методом, что и в первом случае, но с частотой не более 2 Гц и толщиной пленки 2 мкм.

Пример 3. В качестве изделия брали образец из керамики. Нанесение покрытия проводилось при температуре 200°C по следующей схеме: известным способом: проводилась плазменная очистка изделия ионами аргона в течение 20 мин, далее наносилась алмазоподобная пленка толщиной 0,2 мкм и далее наносилась алмазоподобная пленка в атмосфере азота. Толщина пленки составляла 2 мкм, которая затем активировалась ионами азота.

Таким образом, согласно предлагаемому способу за один технологический цикл происходит формирование многокомпонентных слоев TiN/ TiC/ CNx с применением метода ионно-плазменного нанесения покрытия в атмосфере азота, что придает поверхности изделия износостойкие свойства.

Проведенные испытания доказали достижение заявленного технического результата: за счет нанесения покрытия на основе нитрида углерода повысилась износостойкость поверхности изделия, в результате чего ресурс работы изделия увеличился в 2,5 раза.

1. Способ нанесения износостойкого покрытия на основе нитрида углерода на изделие, включающий ионно-плазменную очистку и нагрев поверхности изделия до 200-450°C, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере аргона переходного слоя Ti, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере азота переходного слоя TiN, ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки CNx в атмосфере азота импульсным дуговым разрядом в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3, длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования импульсов 1-5 Гц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании промежуточных слоев Ti и TiN осуществляют магнитную сепарацию плазменного потока.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что слой алмазоподобной пленки CNx покрытия наносят толщиной 0,2-2,0 мкм.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что нанесение слоя алмазоподобной пленки проводят чередованием нанесения алмазоподобного слоя и обработки этого слоя ионами аргона.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что во время ионно-плазменной очистки к изделию подводят импульсное отрицательное напряжение.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ вакуумно-плазменного нанесения многослойного покрытия, включает нанесение нижнего слоя из нитрида хрома и нанесение верхнего слоя из нитрида соединения титана, кремния и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, при этом 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 молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.

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. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к испарителю многокомпонентных растворов. Испаритель содержит заслонку в виде конуса, корпус в виде стакана, нагреватель, размещенный со стороны внешней поверхности корпуса.

Изобретение относится к линии изготовления азотированного листа из текстурированной электротехнической стали и к способу изготовления листа из указанной стали с использованием данной линии.

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке и может быть использовано для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых МОП транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET), а также для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора/детектора спин-поляризованных носителей.

Изобретение относится к способу получения износостойких покрытий на режущем инструменте. Осуществляют предварительную очистку поверхности инструмента и последующее вакуумно-дуговое осаждение покрытия при испарении катодов, содержащих титан и никель, в реакционном газе-азоте.

Изобретение относится к многослойной тонкой пленке для режущего инструмента, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из четырех тонких слоев, уложены в стопу более одного раза.

Изобретение относится к технологии ионно-плазменного напыления и может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов, применяемых в медицине, а также химической, металлургической и горнодобывающей отраслях промышленности.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического SiC - широкозонного полупроводникового материала, используемого для создания на его основе интегральных микросхем.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ вакуумно-плазменного нанесения многослойного покрытия, включает нанесение нижнего слоя из нитрида хрома и нанесение верхнего слоя из нитрида соединения титана, кремния и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, при этом 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 молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.

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. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к линии изготовления азотированного листа из текстурированной электротехнической стали и к способу изготовления листа из указанной стали с использованием данной линии.

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и создания наноструктурных материалов.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для защиты деталей от высокотемпературного окисления. Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов включает осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего, мас.%: гафний 0,5-3,0, алюминий 10,0-20,0, хром 5,0-10,0, никель – остальное.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз характеризуется тем, что определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значение микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины ионно-лучевым распылением включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом и с изменением процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума, после чего определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике, машиностроении и т.д. Способ получения нанокомпозитного металл-керамического покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины включает нанесение ионно-лучевым распылением покрытия с необходимым процентным соотношением металлической и керамической фаз, при этом процентное соотношение металлической и керамической фаз определяют с помощью нейронной сети, для чего наносят покрытия с заданным шагом процентного соотношения фаз металл-керамика, изменяющимся в покрытии от нуля до максимума, определяют значения микротвердости нанесенных покрытий, затем на основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, тестируют полученную нейросетевую модель путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, экспериментально измеренных факторов нейросетевой модели, включающих микротвердость металлического покрытия, микротвердость керамического покрытия, концентрацию металлической фазы в композите и микротвердость нанокомпозитного покрытия в качестве выходного параметра модели, с последующим их определением при помощи полученной нейросетевой модели и сравнения полученных теоретических данных с исходными экспериментальными значениями, затем в искусственную нейронную сеть вводят значения микротвердости металлического и керамического покрытия, их процентное соотношение в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети рассчитывают значение микротвердости металл-керамического нанокомпозитного покрытия при введенном процентном соотношении металлической и керамической фаз.

Группа изобретений относится к нанесению покрытий на подложки и может быть использовано для нанесения покрытий на поверхности инструментов и деталей. Сверло с покрытием, которое выполнено по меньшей мере на сверлильной головке сверла и имеет по меньшей мере один слой, нанесенный магнетронным распылением импульсами высокой мощности (HIPIMS-слой), который нанесен непосредственно на корпус сверла. HIPIMS-слой имеет по меньшей мере один слой по меньшей мере из одного нитрида, и/или карбида, и/или оксида. На HIPIMS-слое предусмотрен слой из аморфного углерода или углеродсодержащий слой (DLC-слой). Слой из аморфного углерода или DLC-слой предусмотрен на HIPIMS-слое в форме металлсодержащего DLC-слоя, при этом содержание металла в DLC-слое постепенно сокращается по направлению к поверхности. Слои получаются плотными и однородными, имеют хорошее сцепление с незначительной шероховатостью поверхности. Увеличивается срок службы инструментов с таким покрытием. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх