Многослойное защитное покрытие

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Латушкина Светлана Дмитриевна Посылкина Ольга Ивановна Жижченко Алексей Геннадьевич Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Многослойное защитное покрытие, содержащее слой титана и слой соединения титана, отличающееся тем, что толщина упомянутых слоев составляет 30-200 нм, а суммарное количество чередующихся слоев составляет от 4 до 50.(56) 1. Патент 10924, 2008. 2. Патент 9076, 2007 (прототип). 3. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М. Машиностроение, 1969. - С. 288. 4. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер А.С. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. Резание материалов. - М. Изд-во МГТУ им. Баумана, 2011. С. 448. Заявляемая полезная модель относится к области материаловедения в машиностроении, в частности к защитным покрытиям, и может быть использована для повышения эксплуатационных свойств различного инструмента и других изделий. Одним из путей повышения износостойкости инструмента является использование различных упрочняющих покрытий, преимущественно на основе титана и его соединений. Так, например, известно многослойное композиционное покрытие, содержащее внутренний слой из титана или нитрида титана и внешний слой из углеродсодержащего алмазоподобного продукта 1. 102302014.08.30 Недостатком рассматриваемого аналога является то, что вследствие высокой твердости алмазоподобного слоя покрытие в целом отличается значительной хрупкостью. Кроме того, существенное различие физико-механических характеристик используемых слоев,обусловленное их различной химической природой, снижает адгезионную прочность между слоями. Совокупность данных факторов при воздействии ударных нагрузок в процессе эксплуатации инструмента приводит к расслоению покрытия, возникновению микротрещин и сколов, что является причиной его низкой коррозионной износостойкости. Другим существенным недостатком аналога является невысокая суммарная толщина рассматриваемого упрочняющего покрытия, обусловленная наличием высоких механических напряжений. Увеличение толщины для достижения наилучших эксплуатационных характеристик сопровождается значительным ростом механических напряжений, что в процессе эксплуатации приводит к растрескиванию покрытия, его скалыванию и преждевременному износу. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, ее прототипом является защитно-декоративное покрытие, состоящее из слоя титана и верхнего слоя соединения титана 2. Толщина слоев зависит от конкретного случая использования и может составлять величину до нескольких мкм. Использование соединения титана в качестве внешнего слоя по сравнению с рассмотренным выше аналогом позволяет несколько снизить общую величину механических напряжений, что позволяет увеличить максимальную толщину покрытия. Однако в подавляющем большинстве случаев этого недостаточно для эффективного его использования. Кроме того, недостатком прототипа является его относительно невысокая коррозионная стойкость при абразивном износе, обусловленная структурой входящих в него слоев. Конденсированные пленки титана характеризуются выраженной столбчатой структурой зерен. С увеличением толщины слоя размер зерен увеличивается как по его толщине (иначе, в длину с образованием столбиков), так и в плане. Это происходит за счет кристаллизации пленки путем подавления роста мелких зерен и преимущественного роста наиболее крупных. Поскольку конденсация слоев покрытия проводится при относительно высокой температуре, после охлаждения покрытия до комнатной температуры на границах зерен концентрируются механические напряжения. Причем чем больше размер зерна, тем выше напряжения на его границах. Это заметно ухудшает прочность сцепления зерен друг с другом за счет уменьшения энергии химической связи между атомами различных зерен,приводит к образованию сквозных пор в покрытии, а также повышает химическую активность межзеренных границ. Понижение энергии химической связи между зернами в покрытии приводит к снижению его прочности и, следовательно, к снижению износостойкости. Образование пор способствует возникновению очагов коррозии и ее быстрому распространению. Высокая химическая активность межзеренных границ способствует их быстрому окислению при воздействии агрессивных факторов, т.е. коррозии, что приводит к дальнейшему росту механических напряжений, потере его защитных свойств и дальнейшему разрушению. Для уменьшения негативного влияния рассмотренных факторов прототип предусматривает аморфизацию поверхности слоя титана за счет его ионного облучения ионами титана. Однако формирование покрытия проводится при достаточно высокой температуре,поэтому слой титана непрерывно рекристаллизуется, и после прекращения ионной бомбардировки пленка в основном восстанавливает свою крупнозернистую столбчатую структуру. Осаждаемый на этот слой титана слой соединения титана частично наследует ее, и покрытие в целом получается довольно крупнозернистым. В связи с этим облучение промежуточного слоя титана ионами титана дает лишь незначительный эффект. Кроме того, в процессе эксплуатации рассматриваемое покрытие подвергается значительным термоциклическим нагрузкам. Известно, что температура в зоне резания может достигать 1000 С и более 3, 4. Это приводит к дальнейшей рекристаллизации структуры 2 102302014.08.30 с укрупнением размера зерна, росту механических напряжений и существенному снижению коррозионной стойкости, обусловленной быстрым сопутствующим образованием пор и микротрещин в покрытии. Задачей заявляемой полезной модели является повышение коррозионной и износостойкости покрытия. Поставленная задача решается тем, что в многослойном защитном покрытии, содержащем слой титана и слой соединения титана, толщина упомянутых слоев составляет 30 200 нм, а суммарное количество чередующихся слоев составляет от 4 до 50. Сущность заявляемого технического решения заключается в измельчении структуры покрытия и уменьшении механических напряжений. Небольшая толщина слоев в составе покрытия обеспечивает мелкозернистую структуру упрочняющего покрытия и низкие механические напряжения. Большое количество слоев обеспечивает необходимую толщину покрытия в целом и его высокие защитные и упрочняющие свойства. На начальном этапе роста пленки титана размер ее зерен очень мал. Если толщину пленки зафиксировать на данном этапе и нанести поверх нее новый слой, в частности, соединения титана, то структура нового слоя также будет мелкозернистой. Это обусловлено как начальной стадией ее роста, так и отчасти явлением наследования структуры. Толщину слоя соединения титана для предотвращения увеличения размеров зерна также выбирают невысокой. Дальнейшая конденсация нового слоя чистого титана вследствие несоответствия типа кристаллических решеток также способствует получению мелкозернистой структуры. Многократное повторение рассматриваемой процедуры чередования слоев до достижения требуемой общей толщины позволяет получить упрочняющее покрытие с мелкозернистой структурой и минимальными механическими напряжениями,что обеспечивает его высокие эксплуатационные характеристики, в частности высокую коррозионную и износостойкость. При равной толщине заявляемого покрытия, состоящего, например, из 10 слоев, и прототипа, состоящего из двух слоев, защитные свойства заявляемого неизмеримо выше. Трудоемкость получения заявляемого покрытия по сравнению с прототипом не повышается, т.к. все слои могут быть сформированы в едином технологическом цикле, например, при периодической подаче активного газа (например,чередованием азота и аргона при получении структур титан - нитрид титана или углеводорода и аргона при получении структур титан - карбид титана и т.п.). Толщина слоев в составе заявляемого покрытия в интервале 30-200 нм выбрана на том основании, что при толщинах менее 30 нм, например 15 нм, конденсируемая пленка с учетом шероховатости поверхности подложки не всегда получается сплошной, что не позволяет получить требуемую структуру покрытия. Толщина же более 200 нм нецелесообразна в связи с тем, что это приводит к заметному росту размеров зерна пленки, что приводит к увеличению механических напряжений и снижению эксплуатационных характеристик покрытия в целом. Ощутимый положительный эффект заявляемого технического решения достигается уже при наличии четырех слоев (1 титан - 2 соединение титана - 3 титан - 4 соединение титана). Количество слоев в составе покрытия обусловлено его требуемыми эксплуатационными характеристиками и может составлять от 4 до 50. Менее 4 слоев, например 2, использовать нецелесообразно, т.к. в этом случае заявляемое покрытие не отличается от прототипа. Использование более 50 слоев также вряд ли целесообразно из-за чрезмерно высокой общей толщины (более 10 мкм) покрытия в целом, что при общем увеличении стоимости и трудоемкости его формирования не дает никаких дополнительных преимуществ. Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведено схематическое изображение покрытия-прототипа, а на фиг. 2 - изображение заявляемого покрытия (приведены 8 слоев). На фигурах приняты следующие обозначения 3 102302014.08.30 1 - основание 2 - слой титана 3 - слой соединения титана. Индекс а при обозначениях слоев указывает на принадлежность к прототипу, а индекс б - к заявляемому покрытию. Как видно из фиг. 2, заявляемое покрытие состоит из большого количества чередующихся слоевтитана 2 б и его соединения 3 б малой толщины, а покрытие-прототип (фиг. 1) только из двух слоев, один из которых выполнен из титана 2 а, а другой - из его соединения 3 а, причем толщина каждого из них относительно высока. Заявляемое покрытие обеспечивает повышение коррозионной и износостойкости за счет следующих факторов. Малая толщина слоев в составе заявляемого покрытия обеспечивает минимальный размер зерна. Это гарантирует минимальные механические напряжения на границах зерен и повышение энергии химической связи между отдельными зернами. Минимальные механические напряжения предупреждают образование пор в покрытии как при его формировании и хранении, так и в процессе эксплуатации. Повышение энергии химической связи между зернами обеспечивает повышение энергии активации коррозионного процесса, что обеспечивает повышение коррозионной стойкости. Увеличение количества слоев при минимальных механических напряжениях позволяет увеличить общую толщину защитного покрытия вплоть до 10 мкм, что значительно расширяет его технические возможности при упрочнении инструмента. Испытание заявляемого покрытия проводили следующим образом. Покрытия осаждали на установке УРМЗ.279.048, модифицированной встроенной системой сепарации плазмы при двухкатодном распылении на пластины, изготовленные из стали 12 Х 18 Н 10 Т, а также на твердосплавные пластины для деревообрабатывающих фрез. Ионную очистку осуществляли при потенциале смещения 1,5 кВ ионами титанового катода, после этого последовательно осаждали слои титана и его нитрида. Слои нитрида титана получали при парциальном давлении азота 0,5-10-2 Па. Толщины слоев и их количество приведены в таблице. Физико-механические характеристики покрытий Толщина слоя титана и его нитрида, нм Общая толщи- Стационарный Микротвер- Длина пути на покрытия,потенциал дость, ГПа резца, м мкм коррозии, мВ не опреде 1800 ляется 30 20 0,6 270 18 2200 100 20 2,0 240 20 2400 200 20 4,0 230 21 2550 300 20 6,0 250 27 2000 не опреде 200 2 0,4 260 2000 ляется 200 4 0,8 240 20 2300 100 50 5,0 220 22 2500 200 50 10,0 200 25 2650 200 80 16,0 200 27 2600 Прототип 280 18 1950 Общую толщину покрытия определяли на микроинтерферометре МИИ-4. Результаты контроля приведены в таблице. Коррозионную стойкость полученных покрытий определяли на пластинах из стали по величине стационарного потенциала коррозии на основании поляризационных измерений в 3 -ном растворес помощью потенциостата 15 102302014.08.30 П-5848. Измерения микротвердости покрытий проводили нанотвердомеромпри нагрузке 25 г. Износостойкость оценивали на режущих пластинах по длине пути резца в обрабатываемом материале (ламинированная ДСП) на деревообрабатывающем центре с ЧПУВ 4.35 фирмы . Испытания проводились при следующих режимах частота вращения концевой фрезы - 14000 мин-1, скорость подачи - 6,6 м/мин, снимаемый припуск - 21 мм, подача на резец - 0,47 мм. За критерий износа принимались возникающие дефекты обработки (сколы и др.). Результаты контроля приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что заявляемое покрытие, по сравнению с прототипом, характеризуется более высокой коррозионной и износостойкостью. Повышается также и его твердость. Покрытия, сформированные с запредельными значениями заявляемых параметров, не позволяют в полной мере решить поставленную задачу (примеры 1, 5, 6) либо характеризуются необоснованными увеличениями материальных затрат (пример 10). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5