Способ формирования наноструктурированного износо- и коррозионностойкого многослойного покрытия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ИЗНОСО- И КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Ильющенко Александр Федорович Андреев Михаил Анатольевич Маркова Людмила Владимировна Лисовская Юлия Олеговна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) 1. Способ формирования на детали наноструктурированного покрытия с повышенными коррозионно- и износостойкостью, при котором методом ионно-лучевого распыления наносят слои толщиной порядка 10 нм путем поочередного, не менее 40 раз, распыления мишени, изготовленной из спрессованного порошка хрома, и мишени из спрессованного порошка хрома с добавкой 5 мас.УДА. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время распыления осуществляют ионное ассистирование. Изобретение относится к металлургии, а именно к способам формирования покрытий путем нанесения методом ионно-лучевого распыления в вакууме нескольких композиционных мишеней, и может быть использовано для нанесения упрочняющих износостойких и коррозионностойких покрытий на детали машин, режущий инструмент и технологическую оснастку, работающие в агрессивной среде. 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 с формированием нитридов, карбидов и карбонитридов этих металлов 1. Недостатком данного способа нанесения покрытий на детали машин, режущий инструмент и технологическую оснастку является относительно невысокая коррозионная стойкость 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 18354 1 2014.06.30 и их соединений, обеспечивающих те или иные функциональные характеристики покрытий (износостойкость, коррозионную стойкость и т.д.). Недостатками данного способа являются 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 необходимость 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 мишени, выполненной в виде смеси спрессованного порошка тугоплавкого металла с добавками ультрадисперсного алмазного (УДА) порошка с размером частиц 1-5 нм в количестве 5-10 мас.3. Недостатком данного способа является формирование недостаточно трещиностойкого покрытия, также имеющего недостаточную коррозионную стойкость. Задачей предлагаемого изобретения является повышение трещиностойкости, износостойкости и коррозионной стойкости получаемого наноструктурного покрытия за счет формирования многослойной структуры, в которой слои, состоящие из хрома и хрома с добавками УДА, имеют дополняющие друг друга параметры износостойкости, так, один хром - пластичный, другой (хром с добавками УДА) - твердый и хрупкий. Чередование нанометровых слоев (пленок) приводит к дополнительному упрочнению за счет двух основных механизмов закреплению поверхностных источников дислокаций и подавлению их скольжения путем создания структурных барьеров. В основе структурного упрочнения лежит эффект создания поверхностей раздела межкристаллитных и межфазных, являющихся наиболее эффективными барьерами для дислокаций. Многослойность покрытия также препятствует образованию сквозной пористости, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость покрытий Это достигается тем, что в способе формирования на детали наноструктурированного износо- и коррозионностойкого покрытия путем ионно-лучевого распыления спрессованного порошка металла и порошка УДА в вакууме, поочередно, не менее 40 раз, распыляют мишень, изготовленную из спрессованного порошка хрома, и мишень из спрессованного порошка хрома с добавкой ультрадисперсного алмазного (УДА) порошка с размером частиц 1-5 нм в количестве 5 мас. , причем толщина слоев составляет порядка 10 нм. В предпочтительном варианте реализации изобретения во время распыления деталь подвергается ионному ассистированию. Способ получения многослойного покрытия с коррозионно- и износостойкими свойствами включает разогрев как пластин-мишеней, так и поверхности образцов и последующее нанесение подслоев с определенной очередностью и временем распыления для каждого подслоя. Нанесение такого покрытия обеспечивает повышение коррозионной стойкости, трещиностойкости и износостойкости поверхности инструмента, что, в свою очередь, ведет к увеличению ресурса его работы. Параметры технологического процесса остаточное давление в вакуумной камере 510-3 Па рабочее давление газа 910-2 Па ток соленоида источника ионов радикал 1,5 А напряжение на аноде источника ионов 4 кВ ток анода источника ионов 85 мА время распыления 2 мин время распыленияУДА 2 мин последовательность распыления ,УДА количество циклов 40 температура образцов (при подогреве) 1933 С. 2 18354 1 2014.06.30 Предварительную очистку поверхности детали перед нанесением слоев покрытия осуществляют с помощью устройства для формирования многослойного покрытия с ионным ассистированием, содержащего вакуумную камеру, распылительный ионный источник, мишень для распыления, представляющую собой вращающийся вокруг вертикальной оси узел с пластинами-мишенями из металла, или диэлектрика, или композиционного материала, нижний поворотный стол с предметным столиком с подложкой, снабженный защитным кожухом полукруглой формы с пластиной, расположенной вертикально по отношению к нижнему поворотному столу и на его оси для защиты предметного столика с подложкой в момент очистки пластины-мишени 4. Для экспериментальной проверки заявленного способа были исследованы микромеханические характеристики и коррозионная стойкость износостойких покрытий-прототипов,сформированных из мишеней с добавками УДА, а также покрытий, сформированных по предлагаемому способу. Все измерения микротвердости покрытий проводили на микротвердомерес использованием наконечника Кнупа при нагрузке на индентор, равной 0,02 . Морфологию поверхности и ширину треков износа изучали с применением сканирующего электронного микроскопа. Испытания на коррозионную стойкость проводили в соответствии с ГОСТ 9.908-95 Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. Результаты испытаний хромовых покрытий представлены в таблице. Способ-(5 УДА) 40 Предлагаемый блоков Известный 35 УДА Известный 310 УДА Предлагаемый Как видно из таблицы, предлагаемый способ формирования покрытий с коррозионнои износостойкими свойствами путем создания многослойной композиции позволяет повысить физико-химические характеристики покрытий следующим образом в 1,2 раза повысить микротвердость повысить коррозионную стойкость покрытия по сравнению с традиционным способом нанесения покрытий за счет формирования многослойной структуры, препятствующей образованию сквозной пористости. Источники информации 1. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах Учеб. для вузов. - Минск Выш. шк., 1999. - С. 123-127. 2. Кострицкий А.И., Лебединский О.В. Многослойные вакуумные покрытия. М. Машиностроение, 1987. - 208 с. 3. Патент РБ 10419, МПК 23 14/06, 2008. 4. Патент РБ 6285, МПК 23 14/00, 2010. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3