Износостойкое покрытие и способ его получения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН 119) (11) А ГОСУДАРСПО ИЗОБПРИ ГКНТ ВЕННЫЙ КОМИТЕТЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯСССР ОБРЕ И ЛЬСТ АВТОРСКО Ви ОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИНИЯносостойк.(54) ИЗН ЕГО ПОЛУ (57) 1. И СПОСОБ ое покрытие, сомере из одногостава одного леги меньше о яще ти основы покрытия очеи поверхн анной толщин и й с я т слоя п ров анн содерж кент, что,ременного с го тугоплав ащего .немето т л и ч а целью повыш ичавс целью повыше ого соединения, аллический компою щ е е с я тем ния стойкости пот по меньшей мере крытия, оно содерж одно наиболее терм бил 1,ное соединение рация неметалличес по толщине слоя ст ласти гомогенности динамически спри этом кон итого компоне билиэирована в обуказанного соедиодного из легислой содержит каования указанного н еств авк щих компотов браз изатор для инения, т честве ле-,единения(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 методомосаждений плазменных потоков в вакууме КИБ 1. - Физика и химия обработки материалов. Р 2, 1979, с. 169-170. соед2. Покрытие по н. 1, о ю щ е е с я тем, что в к ированного тугоплавкого с 51) 4 С 23 С 14/32, В 23 Р 1 оно содержит аэы 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 сло- ями 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 рания иэносостоико"ти покрытия, очистку и разогрев рабочей поверхности основы осуществляют до температуры, на40-50 С меньшей температуры образования наиболее легкоплавкой эвтектикиипи перетектики, образуемой компонен-тами испаряемого материала катода иосновы, с последующим введением впокрытие по меньшей мере одного катализатора для образования в нем термодинамически стабильного тугоплавкогосоединения и стабилизации концентрации неметаллической компоненты потолщине слоя покрытия в области гомогенности указанного соединения,1495390 Редакто а Тир одписн изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 аказ 4219/26НИИПИ Государств ставитель С, Миронкинехред А.Кравчук Корректор Л. Вески ого комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР35, Москва, Ж-Э 5, Раушская наб., д, 4/53 14955. Способ по п, 4, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что разогрев рабо" чей поверхности основы из стали осуществляют до 150-550 С; иэ твердых и керамических сплавов в , до 600-750 С; из жаропрочных сплавов до 500-800 С; из чугунов - до 150-УОО С; из титановых сплавов - до 200-400 С; из цветных сплавов - до 100-500 С; из неме" таллических полимерных материалов до 50-400 С; из неметаллических тугоюплавких материалов - до 600-800 С. 390 4 5 10 15 гированного хлорида магния-ниобийсо 20 держащие магниевые сплавы. 6, Способ по п. 4, о тличаю щ и й с.я тем, что при конденсации покрытия на основе легированного нитрида титана в качестве материала катода используют молибденсодержащие титановые сплавы; легированного нит рида циркония - вольфрамсодержащиециркониевые сплавы, легированногонитрида гафния - вольфрамсодержащиегафниевые сплавы, легированного цитрида алюминия - магнийсодержащие алюминиевые сплвы; легированного карбидамолибдена - ниобийсодержащиемолибденовые сплавы; легированного оксидахромамолибденсодержащие сплавы хрома;легированного нитрида ниобия-вольфрамсодержащие ниобиевые сллавы; легиро"ванного нитрида ванадия-ниобий и/илихромсодержащие ванадиевые сплавьц легированного карбида вольфрама-молибденсодержащие вольфрамовые сплавы;легированного диселенида тантала-вольФрамсодержащие танталовые сплавы; ле30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к металлообработке, в частности к режущему инструменту с износостойким покрытием испособу его получения из плазменнойФазы,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 рабочуюповерхность основы 2, может быть однослойным или многослойным и состоятьпо,меньшей мере из одного легированного тугоплавкого термодинамическистабильного соединения, в которомконцентрация неметаллической составляющей по толщине слоя покрытия ограничена крайними значениями составов области гомогенности указанногонаиболее термодинамически стабильного соединения, которое выбрано извсех возможных соединений, образуе.мых материалом катода и газом-реагентом, Так как концентрация неметаллической компоненты по толщине слояпокрытия стабилизирована в областиее значений, соответствующих областигомогенности, отвечающих образованию"только одного и притом наиболее тер 1 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 укаэаннЪ 1 х соединений по толщине слоя покрытия повышает его износостойкость. Кроме того, покрытие выполнено из наиболее термодинамически стабильных тугоплавких соединений, .обладающих наибольшим значением энтальпии образованияо(-бН ), 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-реагент). Это придает покрытию описан-ные свойства. Кроме того, такое многослойное покрытие позволяет испольненного из элементов материал покрытия (при использовании одного катодаили в виде дополнительного катода,выполненного из самого катализатораили при необходимости из сплава нескольких катализаторов (в случае конденсации покрытия из нескольких Фазвнедрения, галогенидов, халькогенидовипи их сочетаний) .Разогрев рабочей поверхности основы осуществляют до температуры, на40-50 С ниже температуры плавлениянаиболее легкоплавкой эвтектики илиперетЕктики, образуемой испаряемымматериалом катода и элементами основы. При температуре разогрева рабочейповерхности 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 вобласти гомогенности наиболее термодинамически стабильного соединения иснижает стойкость покрытия, При разогреве основы выше температуры верхнего предела в локальных точках поверхности основы происходит ее оплавление, что также снижает стойкостьпокрытия.Применение катализатора позволяет в неравновесных условиях произво вдить синтез покрытия, состоящего изнаиболее 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 наней снижают и одновременно в камерувводят газ-реагент для взаимодействияс испаряемым материалом катода до образования на рабочей поверхности износостойкого покрытия заданной толщины, После этого подачу газа-реагента в камеру прекращают, напряжение сосновы снимают и выключают дуговойразряд, а основу с покрытием охлаждают в камере до комнатной температуры.П р и м е р. Наносили покрытияразличных составов (табл. 1) из легированных тугоплавких соединений наразличную основу. Для этого в камеруустановки нанесения износостойкихпокрытий типа "Булат", содержащую ка 5 149539 зовать те или иные, необходимые свой,ства тугоплавких соединений, что позволяет повысить стойкость покрытия.Одним из вариантов выполнения предлагаемого покрытия является много 5 слойное покрытие, в котором между слоями легированных тугоплавких соединений, которые соответствуют описанным, расположены слои нелегирован 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 30 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 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 нейэлектродуговыми испарителями, ма 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, выпол 1495390тоды 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, подачугаза-реагента прекращали, отключали дуговой разряд и охлаждали образцы в камере до комнатной температуры.Конкретные значения режимов техно логического процесса для каждого рассмотренного случая приведены втабл. 2. Стойкостные испытания проводились 25 на машине трения типа АБс 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 Р = 18-30 кг/мм , скорость вращения контртела Ч = 20-60,м/с. Износостойкость покрытия определялась как количество циклов нагружения О 1) 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 Р 6 М 5, при сверлении стали 45 приведены в табл. 2.Режимы стойкостных испытаний скорость резания Ч = 45 м/с; подача Я = 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.Ь1 дз ВЦ Я вф ф (Я О О О О О СР СЭ ФфО О мЪ О О Ю Л ф фф В Ю ф юи 5 .ЪР О ОФ ФФ ФФФфЪ Сф 3 Сф 3юф 0 Ж фЙз 3 Я ъсц 1 ф0 ЖВй 09 М ое 3 Д ф б . О.О фее М ефв+ М б Д ффФФ + Н + О фД+ Фю еЮНФОФафбЖу лам Еьф ЮФ 8 Эф + + + + ф фОООЮ ОЮООО ИОцО ОЙОИО ф УФ 4ФМЪСфФр ЮООиООООФФГ ЛСО ОООО ООф О ффИИфФЧ Ю 4 фЪ Р Оч 1 фЪ ФОффф И От+ ф Ф И Мф и ФЖ ф О г 436 5 ч есй ф Р г+ Р И ЮОф+ +ф 3 7 О) бьО д5 яее 4 сч аЩ СфЙ й й фф 4 Р ) СЧ СЧл фч Я Ю м 3 жм1 1О О О СЧ ОООО ООО Л сО р ур 28888 ооо 8 1 АЮ ц) и о Э В ц фС 3 14Э Ь и 5 .А3 оЬф О э О д О О ффЪее(Ч СЧ И ФЮ В фО,г УОеВо юеЗ 1 о ощ Офч М Я о+а Дю е 4 3 хф юеим хму 1495390 ОООО О вомо еео+ Ихк хч мфЩ гсЛ5 фо+ лндр5 нмъфнн фоф+ + ч3 5 ф ф% ха афь ооооа ОифОЛ фф ф Осч оо оофефм ч д 3 о ф х и Р ф - цйнмн 1дф фффффа Йць