Деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДЕТАЛЬ С МНОГОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Рогачев Александр Владимирович Федосенко Николай Николаевич Саян Николай Иосифович Пилипцов Дмитрий Геннадьевич Руденков Александр Сергеевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) Деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности, содержащая основу из стали и азотированный слой, расположенный непосредственно на основе, отличающаяся тем, что дополнительно содержит переходный слой из карбонитридов железа и легирующих элементов толщиной 0,05-0,1 мкм, расположенный на азотированном слое, и углеродный алмазоподобный слой толщиной 0,1-0,5 мкм, при этом глубина азотированного слоя составляет 2-20 мкм.(56) 1. Рогачев А.В., Сидорский С.С. Восстановление и повышение износостойкости деталей машин. Учебное пособие. - Гомель БелГУТ, 2005. - 343 с. 2. Белый А.В., Кукареко В.А., Патеюк А. Инженерия поверхностей конструкционных материалов концентрированными потоками ионов азота. - Минск Белорус. наука, 2007. С. 244. 3. Научно-технический прогресс в машиностроении Современные методы упрочнения деталей машин. Обзор, информ. Вып. 9. / Под ред. К.В.Фролова. - М., 1991. - 187 с. 4. Рыбаков Л.М., Куксенова Л.И. Трение и износ. - Металловедение и термическая обработка. Т. 19. Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР. - М., 1985. 5.2013463, МПК 23 8/36, 1994.05.30. 6. Заявка на изобретение 2007105767, МПК 23 4/00, 2008. 7.2131480, МПК 23 14/06, 1999 (прототип). 74812011.08.30 Полезная модель относится к детали, предназначенной для позиционирования кремниевых заготовок больших интегральных схем, и может найти применение в машиностроении. К деталям машин и инструментов, испытывающим большие нагрузки, предъявляются особые требования, в числе которых высокие значения предела упругости, твердости поверхностных слоев, стойкость к действию высоких контактных статических и динамических нагрузок, низкий коэффициент трения и высокая износостойкость контактных поверхностей. Указанным требованиям могут соответствовать детали с многослойным покрытием рабочей поверхности. Известны детали машин с многослойным покрытием рабочей поверхности, содержащие поверхностный слой с внедренными твердыми нитридными фазами 1. Известны детали со слоистой структурой покрытия, контактные поверхности которых содержат азотированный слой, обеспечивающий высокую твердость, износостойкость,усталостную прочность 2. Однако при этом коэффициент трения остается достаточно высоким, что определяет высокий износ сопряженной поверхности. Известны детали машин, изготовленные из стали, содержащие на рабочей поверхности слой нитрида титана, позволяющий повысить механические свойства стальных деталей 3. Вместе с тем образование достаточно резкой границы в значениях твердости покрытия и материала самого изделия является причиной разрушения поверхностного слоя при трении. Отметим, что присутствие градиентных слоев с постепенно нарастающей твердостью между материалом изделия и супертвердым покрытием позволяет устранить образование резкой границы, тем самым демпфируя градиент жесткости разнородных материалов 4. Известна деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности, преимущественно из быстрорежущей стали, содержащая поверхностный азотированный слой толщиной 5200 мкм и твердостью 800-1200 кг/мм 2 и износостойкий слой 5. Однако недостаток известной детали обусловлен способом формирования слоев. Формирование азотированного слоя на стальной поверхности осуществляют ионноплазменным способом в одной камере, а формирование износостойкого слоя нитрида титана - вакуумно-плазменным способом в другой камере, при этом между этапами техпроцесса необходимо производить перегрузку детали из камеры в камеру. В результате структура покрытия детали подвергается воздействию окружающей среды с высокой вероятностью ее загрязнения. Это приводит к снижению адгезионного взаимодействия между слоями и, как следствие, к уменьшению износостойкости. Известна полезная модель детали с многослойным покрытием рабочей поверхности,содержащая металлическую основу и слоистую систему, расположенную непосредственно на основе и включающую в себя усиливающий адгезию слой, переходный слой и покровный слой 6. Кроме того, металлическая основа включает в себя по меньшей мере один сплав на никелевой или кобальтовой основе. Кроме того, слоистая система включает теплоизоляционное покрытие, в частности медленно нарастающий слой оксида алюминия или слой оксида хрома. Известная полезная модель детали с многослойной структурой рабочей поверхности представляет собой лопатку турбины. Известная полезная модель не может быть использована как деталь, к которой предъявляются особые требования, в числе которых высокие значения предела упругости, твердости поверхностных слоев, стойкость к действию высоких контактных статических и динамических нагрузок, низкий коэффициент трения и высокая износостойкость контактных поверхностей. 2 74812011.08.30 Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности, содержащая основу из стали и азотированный слой, расположенный непосредственно на основе 7. Кроме того, деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности содержит слой нитрида железа и слой нитрида титана. Деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности формируют в одной вакуумной камере в плазме дугового и газового разряда с накаленным катодом в едином цикле. Известная деталь выдерживает высокие удельные нагрузки в процессе трения. Однако слой нитрида титана, полученный электродуговым напылением, содержит капельную фазу. Частицы титана, покрытые слоем нитрида, вызывают абразивный износ контртела в процессе работы. Таким образом, известная деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности не может быть использована для позиционирования кремниевых заготовок больших интегральных схем, которые имеют довольно интенсивное изнашивание сопряженных рабочих поверхностей деталей узла зацепления. Это приводит к изменению параметров позиционирования, снижает их точность. Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационных свойств детали с многослойным покрытием рабочей поверхности за счет комплексной модификации слоистого покрытия ее поверхности. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении ресурса детали при эксплуатации в повышении твердости и износостойкости рабочей поверхности. Указанный технический результат достигается тем, что деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности, содержащая основу из стали и азотированный слой, расположенный непосредственно на основе, дополнительно содержит переходный слой из карбонитридов железа и легирующих элементов толщиной 0,05-0,1 мкм, расположенный на азотированном слое, и углеродный алмазоподобный слой толщиной 0,1-0,5 мкм, при этом глубина азотированного слоя составляет 2-20 мкм. В отличие от прототипа заявляемая деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности отличается количеством и природой слоев основа из стали, азотированный слой, слой из карбонитридов железа и легирующих элементов и углеродный алмазоподобный слой. Заявляемую деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности формируют бомбардировкой стальной основы детали (12 Х 18 Н 10 Т) ионами азота в течение 2 часов. В результате образуется азотированный слой, состоящий из нитридов железа, хрома и других легирующих элементов, с повышенной твердостью. Экспериментально установлено,что глубина азотированного слоя должна составлять от 2 до 20 мкм. Затем на обработанную поверхность из импульсной катодной плазмы наносят слой углеродного алмазоподобного покрытия толщиной 0,1-0,5 мкм. В результате химического взаимодействия элементов предыдущего слоя с углеродным покрытием образуется переходный слой карбонитридов. Переходный слой из карбонитридов железа с легирующими элементами толщиной 220 мкм уменьшает градиент механических свойств между стальным слоем основы и углеродным алмазоподобным слоем и, как следствие этого, повышает механические свойства и износостойкость рабочей поверхности детали. Внешний углеродный алмазоподобный слой толщиной 0,1-0,5 мкм, нанесенный из импульсной катодной плазмы, не имеет капельной фазы и обладает низким коэффициентом трения 0,1. При этом легированный слой покрытия имеет более высокую теплопроводность, что обусловливает снижение температуры в зоне обработки (контакта). 3 74812011.08.30 На фигуре схематически изображена деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности. Деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности содержит слой стали 1, азотированный слой 2, слой из карбонитридов железа и легирующих элементов 3 и слой углеродного алмазоподобного покрытия 4. Полезная модель - деталь с многослойным покрытием рабочей поверхности - работает следующим образом. Внешний твердый углеродный алмазоподобный слой 4 воспринимает контактную нагрузку в локальных участках и передает ее детали более распределенной. Слой из карбонитридов железа и легирующих элементов 3 обеспечивает высокую прочность адгезионного соединения с внутренним азотированным слоем 2, расположенным на стальной детали 1. Испытания деталей с многослойным покрытием рабочей поверхности для позиционирования кремниевых заготовок больших интегральных схем, изготовленных по заявляемой полезной модели, показали, что в среднем их ресурс возрастает в 2,5 раза. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4