СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ НА ДЕТАЛЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF ION-PLASMA APPLICATION OF NANOSTRUCTURED METAL COATING ONTO PART

Изобретение относится к химико-термической обработке металлических изделий, к проблеме трения и износа и может быть использовано для производства бурового инструмента повышенной износостойкости, любого режущего инструмента и машиностроительных деталей, работающих в условиях контактно-циклического нагружения.
Известен способ повышения износостойкости деталей машин и инструмента методом конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки на установках типа «Булат» (Патенты № 1536846, 1605572, 1625046). Так, способ химико-термической обработки инструмента по патенту №1605572, включающей нанесение нитрида титана методом конденсации ионной бомбардировки на обрабатываемое изделие и азотирование в плазме газового вакуумно-дугового разряда, позволяет повысить стойкость режущего инструмента из стали Р6М5 и Т5К10 на 25-40%. Способ упрочнения деталей из нержавеющих сталей (А.С. №№ 1400131, 1625046), включающий триодный способ азотирования в азотной плазме с последующим деазотированием в плазме несамостоятельного тлеющего разряда и нанесения нитрида титана в едином технологическом цикле, позволил повысить ограниченный предел выносливости в агрессивной среде в 1,2 раза.
Однако лучшими режущими свойствами, высокой способностью сопротивляться износу и лучшими усталостными характеристиками обладают наноструктурированные материалы (А.Федоров. Нанокомпозитивные покрытия для снижения трения. Наноиндустрия. - 2007. - №1. С.14-15; В.П.Сергеев, М.В.Федорищева, А.В.Воронов, О.В.Сергеев, С.Г.Псахье. Модификация трибомеханических свойств и структуры нанокомпозитивных покрытий TiN при бомбардировке пучками ионов А1+В и термообработке. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. - С.1545-1548).
Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в получении наноструктурированных покрытий на поверхности обрабатываемых деталей, обладающих более высокими эксплутационными свойствами, в частности износостойкостью и повышенной усталостной прочностью, при расширении функциональных возможностей известной установки.
Поставленная задача решается предложенным способом ионно-плазменного нанесения на деталь наноструктурированного металлического покрытия с использованием высоковольтного вакуумного ввода и установки типа «Булат» с охлаждаемой посадочной частью и проволочным нагревателем-испарителем вокруг этой части, включающем установку детали в вакуумной камере, создание вакуума 0,01 Па, катодную очистку поверхности обрабатываемой детали путем подачи в вакуумную камеру аргона до давления 1-2 Па, нагрева проволочного нагревателя-испарителя до температуры красного каления, отключения нагрева и подачи на деталь постоянного тока напряжением до 1500 В.
Нанесение металлического покрытия на обрабатываемую деталь осуществляют путем нагрева нагревателя-испарителя, подачи в камеру азотоводородной смеси до давления 1-2 Па, приложения напряжения постоянного тока 200-600 В между нагревателем и испарителем и деталью с одновременным охлаждением обрабатываемой детали до получения градиента температур 700-1400°С. Нагреватель-испаритель изготавливают из проволок Al, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ag, Te, Ta, W, Re, Pt, Au или проволок из сплавов этих металлов.
Формирование металлического покрытия происходит в условиях высокого градиента температур между нагревателем-испарителем (анод) из проволоки материала, наносимого на поверхность детали, и деталью (катод), подвергаемой охлаждению через высоковольтный вакуумный ввод. В процессе осаждения ионов металла, являющихся микроскопическими центрами кристаллизации, на охлаждаемую поверхность покрываемой детали формируется слой металла с наноструктурой. При этом невозможны ни диффузионные процессы, ни рост кристаллов.
На чертеже представлен высоковольтный вакуумный ввод, с помощью которого реализуется предложенный способ.
Ввод состоит из токопроводящего полого стержня 1 с охлаждаемой посадочной частью, разделенного на две полости перегородкой 2, и штуцеров 3 и 4 для подвода и отвода охлаждающей воды или солевого раствора, наружной трубы 5, являющейся кожухом, в который заливается при необходимости жидкий азот и который служит одновременно токоподводом, трубы 6 из кварца, набора изоляционных колец 7, гайки 8 и опорной изоляционной втулки 9, которая воспринимает вес обрабатываемой детали 10, проволочного нагревателя-испарителя 11, электроподводов питания 12 (анод) и 13 (катод) и электроподвода переменного тока 14 для нагрева проволочного нагревателя-испарителя. Высоковольтный вакуумный ввод установлен в вакуумной камере (не показано).
Способ осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь 10 устанавливают на охлаждаемую посадочную часть токопроводящего полого стержня 1. В вакуумной камере, в которую помещают высоковольтный вакуумный ввод, создают вакуум 0,01 Па. Катодную очистку поверхности детали осуществляют при подачи в вакуумную камеру аргона до давления 1-2 Па, включат через клеммы 14 нагрев нагревателя-испарителя 11 и доводят температуру последнего до температуры красного каления. Затем отключают нагрев и на обрабатываемую деталь подают напряжение до 1500 В. После катодной очистки осуществляют нанесение металлического покрытия на поверхность детали. Выполняют нагрев нагревателя-испарителя 11 и в камеру подают азотоводородную смесь до давления 1-2 Па. Одновременно осуществляют охлаждение высоковольтного вакуумного ввода путем подачи в токопроводящий полый стержень 1 через штуцер 4 охлаждающего водного или солевого раствора. При этом между нагревателем-испарителем и обрабатываемой деталью прикладывают напряжение постоянного тока порядка 200-600 В. В зависимости от напыляемого металла образуется слой покрытия, который намного лучше сопротивляется износу, чем полученный по известной технологии.
Пример конкретного выполнения
н
вн
Втулка размером D=18 мм, d=14 мм, L=20 мм из нормализованной стали 20×13 устанавливается на посадочную часть высоковольтного вакуумного ввода. Проволока нагревателя-испарителя выполнена из нитрида титана (TiN). В вакуумной камере создают вакуум 0,01 Па. Осуществляют катодную очистку втулки в среде аргона при давлении 1,5 Па, нагрев нагревателя-испарителя напряжением постоянного тока на детали 1500 В.
После очистки осуществляют нанесение металлического покрытия (TiN) на деталь в среде азотоводородной смеси при давлении 1,3 Па и при приложении постоянного тока между нагревателем-испарителем и втулкой, равного 400 В, градиент температур при этом равен 1200°С.
Результаты испытаний полученных покрытий сведены в таблице.
Как видно из таблицы, металлическое покрытие с наноструктурой обладает более высокими эксплутационными свойствами, такими как износостойкость и повышенная усталостная прочность.
Таблица 1
Материал
Давление, Па
Градиент температур, °С
Толщина покрытия, мкм
Интенсивность изнашивания, мг/м
Число циклов, σ=400 МПа (воздух)
Втулка 20Х13, б/п
Прототип
1,3
10
0,9
1,5×10<sup>5</sup>
Втулка 20Х13, покрытие TiN
Пример 1
1,3
1200
14
0,3
7,1×10<sup>6</sup>
Втулка 20Х13, покрытие TiN
Пример 2
1
1400
16
0,2
7,8×10<sup>6</sup>
Втулка 20Х13, покрытие TiN
Пример 3
2
700
15
0,4
6,3×10<sup>6</sup>