Износостойкое комбинированное покрытие и способ получения износостойкого комбинированного покрытия

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИЗНОСОСТОЙКОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМБИНИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андреев Михаил Анатольевич Кузнецова Татьяна Анатольевна Маркова Людмила Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) 1. Износостойкое комбинированное покрытие на поверхности пар трения или режущего инструмента, состоящее из азотированного подслоя и верхнего слоя из нитрида металла, отличающееся тем, что азотированный подслой выполнен из сплава циркония-гафния толщиной 1 мкм, а верхний слой выполнен из нитрида циркония-гафния толщиной 3 мкм и состоит из наноразмерных зерен. 2. Способ получения износостойкого комбинированного покрытия на поверхности пар трения или режущего инструмента, включающий очистку и разогрев поверхности, азотирование и нанесение верхнего слоя из нитрида металла, отличающийся тем, что перед азотированием на поверхность наносят подслой из сплава циркония-гафния толщиной 1 мкм, азотирование ведут при содержании азота в рабочей смеси 1,5-5,0 , а в качестве верхнего слоя наносят слой из нитрида циркония-гафния толщиной 3 мкм. 10786 1 2008.06.30 Изобретение относится к области получения функциональных покрытий, стойких к износу, и способам их получения на поверхности изделия, а именно к износостойким ионно-плазменным покрытиям и способу нанесения составов ионно-плазменных износостойких покрытий с низким коэффициентом трения, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения деталей машин и механизмов. Преимущественная область применения - изготовление деталей пар трения, нанесение износостойкого покрытия на режущий инструмент и штамповую оснастку. Известен способ комбинированной вакуумной ионно-плазменной обработки, включающий обработку изделия в плазме 1, содержащей ионы аргона, водорода, а также ионы углерода или углерода и азота, проведение его диффузионного насыщения и нанесение износостойкого покрытия. Недостатком способа является сажеобразование на поверхности образца за счет химических реакций на этапе обработки изделия в плазме. Следствием является низкая адгезионная прочность последующего нитридного слоя. Известен также способ получения износостойких покрытий из соединений металлов,заключающийся в одновременной конденсации металла и обработке изделий в камере с низкотемпературной плазмой 2. Недостатком способа является низкая износостойкость,связанная с большим размером зерна покрытия. Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий,включающий ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа - азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы 3. Недостатком способа является невысокая адгезия верхнего слояк промежуточному слою 4. В качестве прототипа выбрано износостойкое ионно-плазменное покрытие и способ получения износостойкого ионно-плазменного покрытия на поверхности пар трения 4. Покрытие состоит из азотированного подслоя глубиной более 50 мкм и верхнего слоя из нитрида циркония толщиной 5-10 мкм. Способ получения покрытия включает очистку и разогрев поверхности, азотирование, активацию полученного азотированного подслоя ионами аргона и осаждение верхнего слоя из нитрида циркония. Недостатком данного способа является невысокое повышение износостойкости. Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении износостойкости обрабатываемой поверхности при увеличении адгезионной прочности покрытия. Поставленная задача достигается тем, что износостойкое покрытие состоит из промежуточного подслоятолщиной 1 мкм, подвергнутого азотированию, и верхнего слоятолщиной 3 мкм, имеющего наноразмерное строение. Известно, что твердые растворы обладают большей прочностью, чем чистые металлы. В данном изобретении предлагается покрытие на основе сплава циркония с гафнием, который также входит вгруппу Периодической системы элементов и образует ствердый раствор замещения. Поверхность покрытия имеет ячеистую структуру со средним размером ячеек 1,5 мкм,выстроенную из зерен размером 100 нм, и равномерно распределенной в ней микрокапельной фазой. Количество микрокапельной фазы составляет 2-3 , средний размер 2,5 мкм. Такое строение покрытия обеспечивает высокую износостойкость покрытия. Под воздействием индентора при трении на поверхности покрытия образуется вторичная структура - пластичный слой. В его образовании участвуют как зерна поверхностного слоя покрытия, так и пластически деформированная микрокапельная фаза. Наноразмерные зерна поверхностного слоя покрытия перестраиваются за счет зернограничного проскальзывания, не образуя очагов выкрашивания. Пластические свойства деформированной микрокапельной фазы значительно выше, по сравнению с микрокапельной фазой стандартных вакуумных нитридных покрытий за счет микролегирования покрытия элементами подложки под влиянием азотирования. Равномерному распределению пластичного слоя на поверхности трения способствуют ячейки покрытия. Такое строение покрытия достигается способом его формирования. Способ получения износостойкого комбинированного покрытия на поверхностях пар трения включает очи 2 10786 1 2008.06.30 стку и разогрев поверхности, нанесение промежуточного подслоятолщиной 1 мкм,азотирование подслоя при содержании азота в рабочей смеси 1,5-5 и осаждение верхнего слоя изтолщиной 3 мкм. Ионная очистка обработкой пучком ионов аргона, сформированным газовым ионным источником холловского типа в течение 5-10 мин при 2,66-3,9910-2 Па, анода 30-50 В,разрядном токе 3-5 А и разогрев поверхности бомбардировкой при высоком потенциале (1,2-1,5 кВ) ионамиипри Ркамеры 6-710-3 Па, дуги 70-80 А способствуют созданию на поверхности тончайшего слоя зерен , служащего центрами зародышеобразования для последующей стадии формирования покрытия. Нанесение подслоятолщиной 1 мкм осуществляется при Ркамеры 5710-2 Па,дуги 80-100 , опорное 120-130 В из плазмы электродугового разряда катода из сплава(80 и 20). При этом формируется структура, в которой зернаразмером 100 нм выстроены в виде шестиугольников с заполненным центром, что определяется гексагональной кристаллической решеткой циркония и гексагональной плотноупакованной - гафния. Последующее ионное азотирование в смеси 22 с содержанием азота 1,5-5 в зависимости от рабочего давления и импульсном напряжении на катоде катода 650-700 В формирует более мелкую дисперсную структуру. Округлые частицы размером менее 50 нм покрывают всю поверхность подслоя , закладывая предпосылки наноразмерного строения последующего слоя. Самые крупные из них располагаются по границам зерен, сливаясь между собой. После азотирования на поверхности подслояформируется сетка из дисперсных частиц. Таким образом, азотирование закладывает предпосылки для формирования равноосной ячеистой структуры в последующем верхнем слое комбинированного покрытия. Азотирование усиливает диффузию элементов подложки в комбинированное покрытие. За счет усиления диффузионных процессов повышается адгезионная прочность покрытия. Далее на поверхность изделий осаждалось покрытие нитрида циркония-гафния толщиной 3 мкм. Ячейки поверхности нитридного слоя значительно крупнее (средний размер 1,5 мкм) ячеек сетки азотированного слоя . Это объясняется конусностью структуры нитридного слоя. Ячеистая структура нитридного слоявыстраивается из зерен размером от 30 до 200 нм. Сущность предлагаемого изобретения поясняется на примере. Реализация способа поясняется фиг. 1-4, на которых изображена структура поверхности комбинированного покрытия на основе сплавана различных этапах формирования покрытия, полученная методом АСМ. Предварительно очищенные и обезжиренные торцевые фрезы из стали Р 6 М 5 помещали в вакуумную камеру установки для нанесения покрытий ННВ-6,6-И 1. После достижения в камере необходимого вакуума изделия подвергали ионной очистке обработкой пучком ионов аргона, сформированным газовым ионным источником холловского типа в течение 5 мин при 310-2 Па, анода 40 В, разрядном токе 4 А. Далее при Ркамеры 610-3 Па, дуги 70 А проводилась обработка поверхности фрез при потенциале 1,2 кВ ионамии . По данным атомно-силовой микроскопии (АСМ), на поверхности формируется сплошной слой зеренсо средним размером 100 нм. На фиг. 1 приведено АСМ-изображение равномерного слоя зеренна поверхности подложки после ионной очистки и ионной бомбардировки с размером поля сканирования 4,54,5 мкм. Формирование подслоятолщиной 1 мкм осуществлялось при Ркамеры 610-2 Па,дуги 90 А, опорное 130 В. Зерна сплава , согласно полученным АСМ-изображениям, кристаллизуются в гексагональной плотноупакованной решетке со средним размером 100 нм. На фиг. 2 приведено АСМ-изображение кольцевого расположения зерен в 3 10786 1 2008.06.30 структуре электродугового подслоятолщиной 1 мкм с размером поля сканирования 1,21,2 мкм. Подготовленные таким образом фрезы подвергались ионному азотированию на установке АР-63. Камера вакуумировалась до остаточного давления Ркамеры 20 Па, на катод подавалось импульсное напряжение катода 650 В и проводилась очистка изделий и их нагрев до рабочей температуры 500 С, и выдержка при этой температуре в рабочей газовой среде 22 в течение 20 минут. Затем в камеру подавался азот. Его процентное соотношение в смеси 22 составляло 3 . Выдержка при температуре 500 С и подача азота продолжалась 20 минут. После азотирования поверхность представляла собой сетчатую структуру, состоящую из мелких дисперсных частиц со средним размером 50 нм, распределенных по подслою . На фиг. 3 приведено АСМ-изображение структуры подслояпосле азотирования с сеткой из дисперсных частиц на поле сканирования 22 мкм. Более мелкие частицы распределены по телу зерен , более крупные по границам зерен , сливаясь в сетку. После остуживания фрез в камере до температуры 150 С и затем на воздухе до 50 С их переносили в установку ННВ-6,6-И 1. На поверхность изделий по описанному выше режиму осаждалось покрытие нитрида циркония-гафния толщиной 3 мкм. Поверхность слояпредствляла собой ячеистую структуру со средним размером ячеек 1,5 мкм,состоящую из зерен размером от 30 до 200 нм. На фиг. 4 приведено АСМ-изображение структуры верхнего нитридного слояс ячейками и зернами размером 30-200 нм на поле сканирования 22 мкм. Мелкие зерна располагаются в центре ячеек, крупные - по ребрам ячеек. Предлагаемое износостойкое комбинированное покрытие, нанесенное на поверхности пар трения, и способ получения износостойкого ионно-плазменного покрытия на поверхностях пар трения может использоваться в качестве финишной операции при изготовлении деталей взамен традиционного процесса азотирования и снижает износ деталей и пар трения. Испытания на износ проводились на установке, обеспечивающей возвратно-поступательное движение образца относительно индентора со скоростью 10-2 м/с. Использовался алмазный индентор с радиусом закругления острия 200 мкм. Нагрузка на индентор составляла 0,5 Н, что в пересчете на пятно контакта соответствовало 70 Па. Общая длина пути индентора по образцу составляла 20 м. Длина одного прохода индентора по поверхности образца равнялась 10 мм. Таким образом, за время проведения испытания индентор совершал 2000 проходов по образцу. Микрогеометрия дорожек трения контролировалась с помощью профилографа-профилометра 252. Объем материала, удаленного индентором с поверхности в процессе проведения испытания, и удельный объемный износ покрытийприведены в таблице. Материал покрытия(азотирование) покрытие , полученное электродуговым испарением в вакууме Объем изношенного материала , м 3 2,0710-11 9,810-13 Удельный объемный износ , м 3/Нм 2,0710-13 9,810-15 Испытания показали, что применявшиеся режимы азотирования позволяют повысить износостойкость подслояв 20 раз. Износостойкость предлагаемого комбинированного покрытия на основе сплавав 2,2 раза выше распространенного покрытия , полученного электродуговым испарением в вакууме. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5