Способ формирования износостойкого покрытия

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андреев Михаил Анатольевич Ильющенко Александр Федорович Маркова Людмила Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ формирования износостойкого покрытия путем ионно-лучевого распыления мишени в вакууме, отличающийся тем, что распыляют мишень, изготовленную из спрессованного порошка тугоплавкого металла и 3-7 мас.наноразмерного порошка оксида алюминия с размером частиц 5-10 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 С 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 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.). 11988 1 2009.06.30 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 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 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, таким образом, 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 покрытия, путем ионнолучевого распыления мишени в вакууме, распыляют мишень, изготовленную из спрессованного порошка тугоплавкого металла и 3-7 мас.наноразмерного порошка оксида алюминия - 23 (НРП 23) с размером частиц 5-10 нм. Добавление НРП 23 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 алюминия коалесцируют и их концентрация в процессе осаждения пленки уменьшается, присутствие наноразмерных частиц оксида алюминия 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 алюминия 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 23 в мишень для распыления на износостойкость деталей из сталей и сплавов были проведены исследования микромеханических характеристик покрытий, сформированных из мишеней с добавками наноразмерных порошков оксида алюминия. Для сравнения исследовались образцы из т же сталей и сплавов с покрытиями, полученными путем распыления титановых, хромовых и никелевых мишеней без добавок наноразмерных порошков оксида алюминия. Все измерения микротвердости покрытий проводили на микротвердомерес использованием наконечника Кнупа при нагрузке на индентор равной 0,01 Н. Высоту неровностей определяли с помощью профилографа-профилометра 252 при вертикальном увеличении х 100000. Морфологию поверхности и ширину треков износа изучали с применением сканирующего электронного микроскопа. Результаты испытаний титановых, никелевых и хромовых покрытий представлены в табл. 1, 2, 3. 11988 1 2009.06.30 Таблица 1 Способ Предлагаемый Предлагаемый Известный Результаты испытаний титановых покрытий Микротверд. по- Высота неровноСостав покрытия крытия, МПа стей,1023 9800-12000 10-15723 9500-10100 10-14323 7600-8000 13-18123 5800-6600 16-20 Способ Предлагаемый Предлагаемый Известный Результаты испытаний никелевых покрытий Микротверд. по- Высота неровноСостав покрытия крытия, МПа стей,1023 12900-13500 20-24723 12800-13400 22-28323 11000-12000 33-39123 8000-8900 38-66 Способ Предлагаемый Предлагаемый Известный Результаты испытаний хромовых покрытий Микротверд. по- Высота неровноСостав покрытия крытия, МПа стей,1023 13500-14100 3-4723 13200-14000 2-3323 12900-13400 2-3123 12100-12600 5-6 Как видно из табл. 1, 2, 3, предлагаемый способ формирования износостойких покрытий, путем введения в мишень для распыления наноразмерных порошков оксида алюминия, позволяет повысить физико-механические характеристики покрытий следующим образом. Для титановых покрытий в 1,7 раза повысить микротвердость в 2,2 раза повысить износостойкость в 4 раза уменьшить шероховатость. Для никелевых покрытий в 1,6 раза повысить микротвердость в 2,7 раза повысить износостойкость в 2,2 раза уменьшить шероховатость. Для хромовых покрытий в 1,2 раза повысить микротвердость в 4,3 раза повысить износостойкость в 6 раз уменьшить шероховатость. Введение НРП 23 в мишень для распыления в количестве менее 3 не дает явно выраженного увеличения эксплуатационных свойств ионно-лучевых покрытий. 11988 1 2009.06.30 Увеличение концентрации НРП 23 в мишени для распыления до 10 не повысило физико-механические характеристики покрытий. Это объясняется тем, что при увеличении концентрации НРП 23 свыше 7 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 алюминия в мишени для распыления в количестве 3-7 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. 4