Способ формирования износостойкого покрытия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андреев Михаил Анатольевич Маркова Людмила Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ формирования износостойкого покрытия путем ионно-лучевого распыления композиционной мишени в вакууме, отличающийся тем, что распыляют мишень, изготовленную из спрессованного порошка тугоплавкого металла и 1-5 мас.наноразмерного порошка оксида циркония 2 с размером частиц 50-150 нм. Изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочнения поверхности изделий путем нанесения вакуумных покрытий методом ионно-лучевого распыления в вакууме композиционных мишеней, и может быть использовано для нанесения упрочняющих износостойких покрытий на детали машин, режущий инструмент и технологическую оснастку. Известны способы упрочняющей обработки поверхности изделий путем нанесения вакуумных покрытий методом электродугового испарения на основе тугоплавких металлов - групп Периодической системы в среде реакционных газов 2 и 2 формированием нитридов, карбидов и карбонитридов этих металлов 1. Недостатком данного способа нанесения покрытий на детали машин, режущий инструмент и технологическую оснастку является относительно невысокая износостойкость упрочненной поверхности за счет пористости получаемых этим способом покрытий, а также из-за несовершенства структуры формируемых покрытий. Известны также способы формирования многослойных функциональных вакуумных покрытий 2 путем последовательного нанесения на изделия слоев тугоплавких металлов и их соединений, обеспечивающих те или иные функциональные характеристики покрытий (износостойкость, коррозионную стойкость и т.д.). Недостатком данного способа является необходимость использования для формирования покрытий установок с несколькими источниками генерации плазменных потоков(многокатодных установок), сложность в выборе оптимальной конструкции многослойного покрытия (подбор материалов и последовательность их нанесения), а также необходи 15870 1 2012.06.30 мость проведения расчетов по оптимальной толщине каждого слоя, их совместимости по коэффициентам термического расширения и т.д. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования функциональных покрытий методом ионно-лучевого распыления мишеней из металлов и их соединений 3. Недостатком данного способа формирования является получаемое покрытие со структурой, имеющей дефектное строение по границам зерен, не обеспечивающее его достаточную плотность и, следовательно, не обеспечивающее необходимую стойкость покрытия. Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости обрабатываемой поверхности за счет формирования беспористого покрытия с мелкозерненой структурой, получаемого в процессе его нанесения методом ионно-лучевого распыления. Это достигается тем, что в известном способе формирования износостойкого покрытия путем ионно-лучевого распыления композиционной мишени в вакууме распыляют мишень, изготовленную из спрессованного порошка тугоплавкого металла и 1-5 мас.наноразмерного порошка оксида циркония 2 с размером частиц 50-150 нм. Добавление НРП 2 в мишень для распыления увеличивает количество центров зародышеобразования при формировании покрытия и таким образом ускоряет его рост. В то время как зародыши кристаллизации в покрытии без добавления наноразмерного порошка оксида циркония коалесцируют и их концентрация в процессе осаждения пленки уменьшается, присутствие наноразмерных частиц оксида циркония в мишени для распыления увеличивает количество зародышей в течение всего процесса кристаллизации и ведет к увеличению числа отдельных кристаллов в покрытии. При этом формируется более мелкое зерно. Наноразмерные частицы оксида циркония располагаются по границам зерен,служащим местом концентраций дислокаций, и препятствуют их переползанию в соседние зерна при приложении нагрузок и температур, тем самым повышая механические свойства покрытий. Сущность способа поясняется примером. Для выделения влияния добавки НРП 2 в мишень для распыления на износостойкость деталей из сталей и сплавов были проведены исследования микромеханических характеристик покрытий, сформированных из композиционных мишеней с добавками наноразмерных порошков оксида циркония. Для сравнения исследовались образцы из тех же сталей и сплавов с покрытиями, полученными путем распыления титановых и хромовых мишеней без добавок наноразмерных порошков оксида циркония. Все измерения микротвердости покрытий проводили на микротвердомерес использованием наконечника Кнупа при нагрузке на индентор, равной 0,01 . Высоту неровностей определяли с помощью профилографа-профилометра 252 при вертикальном увеличении 100000. Морфологию поверхности и ширину треков износа изучали с применением сканирующего электронного микроскопа. Результаты испытаний титановых и хромовых покрытий представлены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Результаты испытаний титановых покрытий Ширина Микротверд. Высота неровноСпособ Состав покрытия трека изнопокрытия, МПа стей,са, мкм Предлагаемый 12(50 нм) 10800-12000 10-15 23-26 Предлагаемый 52 (50 нм) 13400-14300 10-13 20-25 Предлагаемый 12 (150 нм) 9500-11000 13-20 25-32 Предлагаемый 52 (150 нм) 12200-13100 16-22 22-29 Известный 15870 1 2012.06.30 Таблица 2 Результаты испытаний хромовых покрытий Способ Предлагаемый Предлагаемый Предлагаемый Предлагаемый Известный Введение НРП 2 в мишень для распыления в количестве менее 1 не дает явно выраженного увеличения эксплутационных свойств ионно-лучевых покрытий. Увеличение концентрации НРП 2 в мишени для распыления до 10 не повысило физико-механические характеристики покрытий. Это объясняется тем, что при увеличении концентрации НРП 2 свыше 5 наночастицы начинают вносить искажения в кристаллическую решетку материалов покрытия и повышают дефектность таких покрытий. Исходя из этого, оптимальным вариантом для формирования износостойких покрытий является содержание наноразмерных частиц оксида циркония в мишени для распыления в количестве 1-5 мас.Источники информации 1. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. - М. Машиностроение, 1986. - 192 с. 2. Кострицкий А.И., Лебединский О.В. Многослойные вакуумные покрытия. - М. Машиностроение, 1987. - 208 с. 3. Панков В.В. и др. Вакуумная техника и технология. - 1993. - Т. 3. -1. - С. 28-32. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3