Упрочняющее покрытие

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Упрочняющее покрытие, содержащее последовательно сформированные слои повышенной твердости, отличающееся тем, что последний слой толщиной 0,1-0,5 мкм выполнен планаризирующим.(56) 1. Вершина А.К., Агеев В.А. Ионно-плазменные защитно-декоративные покрытия. Гомель ИММС НАНБ, 2001. - 172 с. 2. Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Мн. Наука и техника, 1983. 3. Патент РБ 10171 / А.К. Вершина, В.А. Агеев. Лезвийный инструмент. Приор. 06.07.2005. Опубл. 30.12.2007 (прототип). 4. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. - М. Издательство стандартов, 1975. Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для упрочнения режущего инструмента. Наиболее эффективным методом борьбы с абразивным износом инструмента является нанесение упрочняющих покрытий, характеризующихся высокой твердостью 1. Для этих целей используют покрытия на основе соединений тугоплавких металлов, формируемых различными методами. Толщина покрытия определяется видом и назначением инструмента и может составлять от долей микрон до величин порядка мм. 61412010.04.30 Первоначально наибольшую популярность приобрели покрытия из нитрида титана 2. Пленкизаметно повышают износостойкость различного инструмента, однако, в недостаточной степени. Это связано, с одной стороны, с высокой их пластичностью и небольшим различием в твердости междуи обрабатываемым материалом, а с другой - с попаданием инородных частиц, например песка, в зону взаимодействия покрытия и материала в процессе резания. Высокая твердость частиц загрязнений приводит к быстрому абразивному износу покрытия. Поэтому были найдены покрытия с более высокими эксплуатационными характеристиками. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, его прототипом, является упрочняющее покрытие, состоящее из подслоя на основе нитрида титана и слоя карбида титана 3. Карбид титана характеризуется более высокой твердостью по сравнению с нитридом. Слой нитрида титана в таком многослойном покрытии играет роль демпфера. Прототип более устойчив к абразивному износу, однако, не в полной мере. Устойчивость к абразивному износу, кроме твердости покрытия, сильно зависит от шероховатости поверхности. Микронеровности поверхности упрочняющего слоя можно рассматривать как дополнительный абразивный слой, взаимодействующий с обрабатываемым материалом в процессе эксплуатации покрытия, и повышающий силу трения. В результате абразивного взаимодействия выступов покрытия с обрабатываемым материалом выступы выкрашиваются. По мере увеличения количества выкрошившихся зерен покрытия его шероховатость возрастает, что приводит к увеличению сил трения и повышению интенсивности абразивного износа покрытия. Технология получения упрочняющих покрытий на сегодняшний день обеспечивает получение однородных по толщине, но конформных пленок. Микрорельеф покрытия в точности повторяет микрорельеф поверхности основы. Поскольку поверхность инструмента является шероховатой, поверхность упрочняющего слоя также получается шероховатой. Кроме того, упрочняющие слои характеризуются наличием собственной структуры, которая также способствует повышению общей шероховатости,например, при кристаллизации материала покрытия. Чем больше количество выступов поверхности и выше размер неровностей, тем больше силы трения между инструментом и обрабатываемым материалом, и тем выше скорость абразивного износа. Уменьшение трения за счет уменьшения размера неровностей путем полировки поверхности инструмента не оправдывается из-за высокой трудоемкости и стоимости полировки. В результате скорость обработки материала снижается, а износ инструмента возрастает. Задачей заявляемой полезной модели является повышение износостойкости упрочняющего покрытия за счет уменьшения его абразивного взаимодействия с контактирующими материалами. Поставленная задача решается тем, что в упрочняющем покрытии, содержащем последовательно сформированные слои повышенной твердости, последний слой толщиной 0,1-0,5 мкм выполняют планаризирующим. Сущность заявляемого технического решения заключается в снижении шероховатости поверхности упрочняющего покрытия. Это приводит к снижению сил трения между поверхностью упрочняющего покрытия и обрабатываемым материалом, чем и обеспечивается повышение его стойкости к абразивному износу. В качестве планаризирующих слоев упрочняющих покрытий могут выступать пленки на основе диоксида кремния, получаемые из растворных композиций. Составы таких композиций известны и используются в различных областях техники, например в микроэлектронике, для получения тонких пленок и сглаживания топологического рельефа интегральных схем. Могут быть также использованы пленки на основе диоксида титана,циркония и т.п. Планаризирующие покрытия на основе диоксида кремния получают путем окунания изделий в раствор кремнийорганического соединения, например тетраэтоксиси 2 61412010.04.30 лана, центрифугированием или иным способом. Раствор растекается по поверхности предшествующего слоя и заполняет все впадины неровностей, за счет чего и достигается планаризация поверхности. Далее проводят сушку и термообработку пленки. Кремнийорганическое соединение при этом гидролизуется с образованием стекловидной пленки диоксида кремния, обладающей хорошей адгезией к различным упрочняющим покрытиям. Полученная таким образом пленка на основе диоксида кремния сглаживает шероховатость и другие неровности (например, царапины) поверхности покрытия и обладает высокой твердостью. На нее не налипают загрязнения, что также способствует повышению устойчивости покрытия к абразивному износу. Толщина планаризирующего слоя зависит от размеров неровностей предшествующего слоя. Так как спектр размеров неровностей любой поверхности чрезвычайно широк, положительный эффект достигается уже при самом минимальном значении толщины планаризирующего слоя, например 0,1 мкм. Даже в этом случае заметная часть (размером менее 0,1 мкм) неровностей поверхности сглаживается, чем обеспечивается снижение силы трения между покрытием и обрабатываемым материалом. Меньшая толщина планаризирующего слоя, например 0,05 мкм, также позволяет получить положительный эффект, однако в этом случае методы формирования таких пленок не гарантируют получение сплошных слоев. Максимальная толщина планаризирующего слоя может составлять величину, примерно равную размерам неровностей поверхности, фактические значения которых, как правило, не превышают 0,5 мкм. Дальнейшее ее увеличение нецелесообразно в связи с тем, что стоимость покрытия возрастает,а дополнительные преимущества не появляются. Планаризирующие слои могут быть нанесены на любые упрочняющие покрытия, полученные различными методами. Кремнийорганические соединения и их растворы хорошо смачивают различные поверхности, получаемые пленки на основе диоксида кремния обладают высокой адгезией. То же самое относится к покрытиям и на других основах. В каждом конкретном случае формирования планаризирующего слоя упрочняющего покрытия руководствуются имеющимися в распоряжении реактивами и оборудованием. Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 1, где приведено схематическое изображение разреза формируемого покрытия. На основание 1 нанесено упрочняющее покрытие, состоящее из упрочняющего слоя 2 и планаризирующего слоя 3. Упрочняющий слой 2 в точности повторяет микрорельеф поверхности основания. Планаризирующий слой 3 сглаживает все неровности. В процессе эксплуатации покрытие контактирует с обрабатываемым материалом. В случае отсутствия планаризирующего слоя взаимодействие происходит с шероховатой поверхностью упрочняющего слоя. Силы трения, ответственные за абразивный износ, при этом велики. Наличие планаризирующего слоя заметно снижает силу трения между поверхностью и обрабатываемым материалом за счет уменьшения шероховатости. Износ покрытия при этом снижается. Заявляемое покрытие испытывали при упрочнении токарных резцов с рабочей частью в виде твердосплавной режущей пластины. Упрочняющее покрытие формировали следующим образом. Резцы обезжиривали в растворе поверхностно-активного вещества,промывали дистиллированной водой и помещали в установку УРМ 3.279.048. Поверхность рабочей части готовили к нанесению покрытия путем бомбардировки ионами титана при потенциале смещения 1,5 кВ и давлении в камере 10-3 Па. Затем на поверхность резцов наносили подслой на основе нитрида титана толщиной 2 мкм при давлении азота 0,1 Па, а затем упрочняющий слой карбида титана толщиной 4 мкм при давлении пропанбутановой смеси 0,13 Па. Упрочняющий слой наносили при токе дуги 120 А и потенциале смещения - 50 В. После охлаждения резцы извлекали из камеры установки и окунали в горячий раствор состава 54 мл этилсиликата, 37 мл этилового спирта, 8 мл воды, 0,5 мл соляной кислоты и 1 мл бензина. Излишки раствора удаляли центрифугированием. Затем проводили термообработку на воздухе при температуре 350 С в течение 30-60 мин. Тол 3 61412010.04.30 щину планаризирующего слоя регулировали изменением режимов его формирования. Контроль толщины планаризирующего слоя проводили на тестовом полированном образце. Шероховатостьслоев определяли в соответствии с 4. Полученное покрытие испытывали на износостойкость при точении шайб из стали марки Ст 3. В качестве прототипа использовали покрытие, не прошедшее стадию формирования планаризирующего слоя. В качестве параметра стойкости принимали время непрерывной работы резца до его заточки. Результаты испытаний приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что использование планаризирующего слоя позволяет значительно снизить шероховатость поверхности покрытия и повысить его износостойкость. Класс шероховатости поверхности при этом изменяется от 9 (0,25 мкм) до 12 (0,025 мкм и менее). Сравнительные результаты испытаний износостойкости покрытий Стойкость Стойкость Стойкость Толщина планари- Шероховатость резца до пер- резца до вто- резца до зирующего слоя, поверхности,Примечание вой заточки, рой заточки, третьей замкм, мкм мин мин точки, мин Не сплош 0,05 0,080 50 40 35 ная пленка 0,1 0,025 65 60 55 0,3 Менее 0,020 65 60 55 0,5 Менее 0,020 65 60 55 0,8 Менее 0,020 65 60 55 Прототип (без планаризирующего 0,100-0,250 45 40 35 слоя) Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить износостойкость упрочняющего покрытия за счет уменьшения его абразивного взаимодействия с обрабатываемым материалом. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4