СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НИТРИДА ТИТАНА
TITANIUM NITRIDE COATING MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на поверхности деталей машин и может быть использовано в металлообработке.
Известен способ нанесения покрытий нитрида титана [1], включающий очистку обрабатываемой поверхности и вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия с использованием реакционного газа, при этом обрабатываемое изделие помещают в вакуумную камеру установки, оснащенной магнетронами, электродуговыми испарителями и нагревателем, проводят очистку обрабатываемой поверхности в три этапа, на первом - в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности нагревателем до 100°C, на втором - в плазме магнетронного разряда, на третьем - проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа (при нагреве поверхности до 300-350°C), затем наносят нижний слой титана и наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония в газовой смеси инертного и реакционного газов.
Недостатком вышеописанного способа является сложность нанесения толстых покрытий (десятки и сотни микрометров) из-за низкой производительности используемого метода вакуумного осаждения, высокая энергоемкость нанесения покрытия, а также необходимость сильного нагрева основного материала, способная привести к нежелательным процессам (фазовым превращениям, разупрочнению, короблению детали и др.).
В качестве прототипа выбран способ [2], в котором помещают подложку в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронными распылителями, электродуговыми испарителями и резистивным нагревателем, проводят очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при нагреве поверхности до 100°C, проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа (при нагреве поверхности до 300-350°C), затем наносят нижний слой титана и наносят чередующиеся слои нитридов титана и алюминия смеси инертного и реакционного газов.
Недостатком вышеописанного способа является сложность нанесения толстых покрытий (десятки и сотни микрометров) из-за низкой производительности используемого метода вакуумного осаждения, высокая энергоемкость нанесения покрытия, а также необходимость сильного нагрева основного материала, способная привести к нежелательным процессам (фазовым превращениям, разупрочнению, короблению детали и др.).
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении производительности процесса нанесения покрытия, снижении энергоемкости процесса и снижении нагрева подложки в процессе нанесения покрытия.
Технический результат достигается тем, что выполняют очистку поверхности и наносят покрытие нитрида титана в среде реакционного газа, при этом очистку обрабатываемой поверхности производят пескоструйной обработкой, а покрытие наносят детонационным методом.
Поставленная задача решается за счет:
- использования для создания покрытия энергии взрыва детонирующей газовой смеси (ацетилен 50% -кислород 50%), а не электрической энергии, что повышает энергоэффективность процесса нанесения покрытия;
- отсутствия необходимости подогрева подложки, что также повышает энергоэффективность и предотвращает нежелательные термоактивируемые процессы (коробление поверхности, фазовые превращения, разупрочнение и др.) в материале подложки;
- использования метода детонационного напыления, который обеспечивает высокую производительность процесса нанесения покрытия (при частоте выстрелов до 10 Гц за один выстрел наносится слой толщиной до 10 мкм).
Заявленный способ реализуется по следующим этапам:
- Производят очистку подложки методом пескоструйной обработки.
- Приготавливают смесь порошков титана и азида натрия.
- Наносят детонационное покрытие нитрида титана с использованием приготовленной смеси порошков. Сущность происходящих процессов заключается в том, что при взрыве азид натрия разлагается с выделением большого количества азота, который является одновременно защитным и реакционным газом. Частицы титана в стволе детонационной установки разогреваются до температуры плавления и вступают в реакцию с азотом с образованием нитрида титана, осаждаемого на подложку в виде покрытия.
Пример реализации.
Наносили покрытие нитрида титана на медную подложку с использованием автоматизированного детонационного комплекса «Дракон». Для осуществления реакции образования нитрида использовался азот, выделяемый в процессе термического разложении азида натрия
3
2
NaN→Na+N+N
На протекание реакции идет только азот, выделяющийся при разложении азида натрия. Расчет масс компонентов, вступающих в реакцию с образованием нитрида титана TiN проводили по уравнению:
3
3Ti+NaN=3TiN+Na
ч
3
Исходные компоненты титан и азид натрия загружаются в челнок дозатора. Объем стандартной лунки челнока дозатора равен V=0,8·0,15·0,15=0,018 см. Плотность загружаемой смеси .
ч
Масса загружаемой смеси равна V·ρ=0,0696 г. Определили массу порошка титана:
.
3
Таким образом, механическую смесь порошков готовили исходя из соотношения m(Ti)/m(NaN)=3,15. Далее на медную подложку выполняли 300 выстрелов. Для снижения влияния воздушной среды ствол детонационной установки заполняли азотом под избыточным давлением 1,1 атм. Полученное покрытие имело толщину 40 мкм. Масса образованного слоя равна 300 мг. Цвет покрытия черный с налетом желтого цвета. В результате был проведен рентгенофазовый анализ полученного покрытия (фиг.1).
Из рентгенограммы видно, что побочные продукты типа оксида и гидроксида натрия в нитридах отсутствуют. Таким образом, результаты рентгенофазового анализа подтвердили возможность детонационного нанесения покрытий нитрида титана.
На фиг.1 показана рентгенограмма полученного покрытия нитрида титана.
На фиг.2 представлена структура полученного покрытия нитрида титана.
Используемая литература
1. Патент РФ №2361013. Способ получения износостойкого покрытия / В.Н. Анциферов, А.Л. Каменева, А.Ю. Клочков, Р.С. Новиков. Опубл. 10.07.2009, бюл. №19.
2. Патент РФ №2429311. Способ получения покрытия на основе сложных нитридов / В.Н. Анциферов. А.Л. Каменева. Опубл. 20.09.2011, бюл. №26.