Композиционное многослойное покрытие

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Белкард(72) Авторы Струк Василий Александрович Костюкович Геннадий Александрович Кравченко Виктор Иванович Овчинников Евгений Витальевич Рогачев Александр Владимирович Попов Александр Викторович Радевич Александр Михайлович Авдейчик Сергей Валентинович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Белкард(56) ЦУАН ЯНЬ и др. Международный симпозиум. О природе трения твердых тел Тезисы докладов. - Гомель, 2002. С. 94-95.3886 1, 2001.4902395 , 1990.02267284 , 1990.61091354 , 1986.2026412 1, 1995.(57) Композиционное многослойное покрытие, содержащее внутренний слой из титана или из нитрида титана и внешний слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта,отличающееся тем, что толщина каждого слоя составляет 0,01-0,2 мкм, слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта содержит 5-20 мас.графитовой фазы, при этом сочетание слой из титана и слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта или слой из нитрида титана и слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта повторяется 1-8 раз, а соотношение элементов титана и углерода в покрытии составляет 11. Изобретение относится к области материаловедения в машиностроении, в частности к композиционным материалам, применяемым для защиты деталей трения и металлообрабатывающего инструмента от изнашивания. Современное машиностроение широко применяет инструмент, на рабочую поверхность которого нанесены композиционные покрытия 1. К числу наиболее распространенных покрытий для металлообрабатывающего инструмента относят нитрид титана ,который наносят с помощью плазмохимических технологий. Покрытие из нитрида титана обеспечивают высокую износостойкость инструмента для холодного деформирования металлических заготовок благодаря предотвращению явлений схватывания и задира 2. При нанесении покрытий из нитрида титана на металлорежущий инструмент (сверла, фрезы,метчики, зенкеры и т.п.) эффект резко снижается. Это обусловлено использованием повышенных температур для формирования покрытия из(300-500 С), которые вызывают снижение твердости инструмента из-за явления отпуска. Кроме того, несепарированная капельная фазаповреждает режущую крошку, вызывая ее затупление и снижение режущей способности. В связи с этим для обработки различного рода инструмента и деталей трения применяют композиционные многослойные покрытия, слои которых выполняют различные функции формирующую, противоизносную, антикоррозионную. 10924 1 2008.08.30 Прототипом изобретения является износостойкое покрытие для рабочих поверхностей плунжерных пар топливных насосов 3. Композиционное покрытие содержит несколько слоев, в том числе слой нитрида титана, меди или медьсодержащего сплава, и составляет от 0,01 до 0,5 мкм. Такое покрытие наносят в вакуумных установках послойно на подготовленную поверхность деталей плунжерных пар. Покрытие по прототипу обеспечивает высокую износостойкость пар трения в режиме воздействия высоких нагрузок и небольших перемещений. К существенным недостаткам материала по прототипу относятся недостаточная эффективность для металлорежущего инструмента и плохая смачиваемость смазочно-охлаждающими средами вследствие наличия поверхностного гидрофобного слоя политетрафторэтилена. Задачей изобретения является создание композиционного многослойного покрытия для металлообрабатывающего инструмента с повышенными показателями функционального ресурса. Поставленная задача решается тем, что композиционное многослойное покрытие содержит внутренний слой из титана или из нитрида титана и внешний слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта, при этом толщина каждого слоя составляет 0,010,2 мкм, слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта содержит 5-20 мас.графитовой фазы, сочетание слой из титана и слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта или слой из нитрида титана и слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта повторяется 1-8 раз, а соотношение элементов титана и углерода в покрытии составляет 11. Предлагаемое композиционное покрытие отличается тем, что дополнительно включает углеродсодержащий слой с различными модификациями углерода (алмазоподобной и графитоподобной), который в процессе эксплуатации (обработки металлической детали) обеспечивает высокую износостойкость инструмента и качество обрабатываемой поверхности. Дополнительный эффект обеспечивается применением многослойного композиционного материала, в котором сочетание углеродсодержащий слой - титан или углеродсодержащий слой - нитрид титана повторяется от 1 до 8 раз. Эффект действия композиционного покрытия усиливается при соотношении элементов титана и углерода в слоях, равном их стехиометрическому соотношению в соединении карбид титана с формулой . Для подтверждения эффективности заявленного композиционного покрытия приводим следующие данные. При формировании композиционного покрытия применяли слои из нитрида титана, полученные при магнитной сепарации плазменного потока, углеродсодержащие слои с различным содержанием алмазоподобной и графитоподобной фракции, так называемые алмазоподобные покрытия (АПП), углеродсодержащие слои, легированные титаном . Слои наносили на режущие кромки сверл из стали Р 6 М 5 с диаметром рабочей части 0,3, 0,5, 0,8, 1,0, 2,0 мм. Для нанесения композиционного материала использовали серийную установку вакуумного напыления УВ НИПА-1-001. Установка содержит газовый ионный источник, с помощью которого осуществляли очистку и нагрев изделий,источник плазмы стационарного катодно-дугового разряда с металлическим (титановым) катодом, источник плазмы импульсного катодно-дугового разряда с катодом из графита. Слой композиционного материала формировали за один цикл нанесения. Контроль толщины осуществляем расчетным методом исходя из предварительно определенных значений скорости осаждения. Составы материалов приведены в табл. 1. Триботехнические испытания композиционного покрытия проведены по схеме плоскость-ролик на установке, разработанной на базе машины трения СМТ-1. Использовали стандартную четырехпроводную схему измерения контактного сопротивления в паре трения. Момент полного износа покрытия определяли по снижению уровня контактного сопротивления до величины 1 мОм, характерной для множественного металлического контакта. 2 10924 1 2008.08.30 Ресурсные испытания сверл с композиционным покрытием проводили на сверлильной установке при постоянной нагрузке 27,7 Н. В процессе испытаний замеряли время сверления одного отверстия и количество сверлений до затупления сверла. В качестве материала для сверления использовали текстолит поделочный марки ПТ толщиной 5 мм. Результаты испытаний приведены в табл. 2-3. В табл. 3 приведены сравнительные характеристики различных композиционных покрытий, имеющих одинаковую технологию формирования. Как следует из данных табл. 2 и 3, заявляемые составы композиционного материала для покрытий (составы -) превосходят прототип (состав ) по комплексу характеристик - имеют более высокую износостойкость и более низкий коэффициент трения. Таблица 1 Составы композиционных покрытий Количество слоев, шт.(про тотип) 1. Титансодержащий компонент титан нитрид титана 2.Углеродсодержащий алмазоподобный компонент(АПП) 3. Медьсодержащий компонент медь 4. Политетрафторэтилен 5. Содержание графитовой фракции,мас.6. Соотношение элементов / Толщина Толщина слоя слоя 0,010,05 мкм 0,25 мкм В составетолщина слоев 0,05 мкм, в составетолщина слояравна 0,05 мкм, а АПП - 0,01 мкм в составетолщина слоя равна 0,01, с АПП - 0,05 мкм. 3 10924 1 2008.08.30 Таблица 2 Триботехнические свойства материалов для покрытий металлообрабатывающего инструмента Характеристика Коэффициент трения Интенсивность изнашивания,1011 м 3/3 Показатели для состава(прототип) Сверло диаметром 0,8 мм контр тело-текстолит поделочный марки ПТ. Таблица 3 Сравнительные триботехнические свойства материалов для покрытий металлобрабатывающего инструмента Характеристики Состав покрытия Толщина слоя, мкм Коэффициент Интенсивность изтрения нашивания, 10-11 м 3/м 0,52 1,40 1,1 0,59 0,75 Без покрытия Нитрид титана(аналог) Титануглеродсодержащий алмазоподобный слой (содер 0,10,2 жание графитовой фазы 20 ) (АПП) (заяв. состав) Нитрид титана (подслой 0,8(0,050,05)4 АППТ)4 (заяв. состав) Нитрид титана (подслой)0,8(0,010,05)7(АПП)7 (заяв. состав) Оптимальными характеристиками обладают составы в заявленном соотношении компонентов, которое определяется толщиной слоя, количеством слоев, введением углеродсодержащего слоя с алмазоподобной фракцией при их определенном соотношении / в материале в целом. Уменьшение содержания графитоподобной фракции в АПП менее заявляемого. Составприводит к увеличению коэффициента трения, превышение содержания графитовой составляющей в АПП (состав ) уменьшает износостойкость покрытий и увеличивает время сверления особенно при большом количестве циклов (400-500 шт.). 4 10924 1 2008.08.30 Уменьшение толщины функциональных слоев менее 0,01 мкм (состав ) или их увеличение более 0,2 мкм (состав ) или снижает долговечность покрытия из композиционного материала, или не дает дополнительного эффекта при увеличении стоимости покрытия. Оптимальными характеристиками обладают покрытия из материалов, в которых соотношение элементов / равно 1 или стехиометрическому соотношению в соединении(карбид титана). Превышение содержания титана (состав ) или его уменьшение (состав ) по отношению к стехиометрическому неблагоприятно сказывается или на росте коэффициента трения, или на износостойкости покрытия. Таким образом, только заявляемый состав в заявленном соотношении компонентов обладает более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с прототипом. Покрытия из заявленного композиционного материала прошли испытания на ОАО Белкард при использовании различного вида металлообрабатывающего инструмента и рекомендованы к промышленному применению. Источники информации 1. Научно-технический прогресс в машиностроении Современные методы упрочнения деталей машин Обзор. информ. Выпуск 9 / Под ред. К.В. Фролова. - М., 1991. - С. 187. 2. Цуань Янь, Короткевич С.В., Чижик С.А., Попов А.Н. Комплексный анализ триботехнических свойств многослойных сверхтвердых покрытий // Межд. Симпозиум О природе трения твердых тел, Белтриб. - 2002, ИММС НАНБ, Гомель, 2002. - С. 94 -95. 3. Патент РБ 3886, МПК С 23 С 30/001, 14/12,16 1/02 опубл. 2001(прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5