СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ НИТРИДОВ
METHOD OF OBTAINING COMPLEX NITRIDE-BASED COATING

Изобретение относится к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий, может быть использовано в горнодобывающей, нефтяной и машиностроительной промышленности для упрочнения и защиты подложки, в частности для получения износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий на инструменте, клапанах, эксцентриках, втулках и т.д.
1-x
x
s
1-x
x
Известен способ нанесения нанокомпозитного однослойного покрытия TiAlN на установке вакуумного напыления типа «Квант» с помощью магнетрона с составной мишенью из сплава титана (57 ат.%) и алюминия (43 ат.%) диаметром 120 мм, работающего от источника постоянного тока, оснащенного системой защиты от микродуг. Для получения покрытия со столбчатой структурой нагрев образцов в вакуумной камере перед напылением и поддержание температуры в процессе напыления покрытия осуществляется с использованием молибденового нагревателя, с глобулярной структурой - дополнительной подачи постоянного потенциала смещения U=-200 В на нагретые до температуры 623 К подложки (см. В.П.Сергеев, М.В.Федорищев, А.В.Воронов, О.В.Сергеев, В.П.Яновский, С.Г.Псахье. Трибомеханические свойства и структура нанокомпозитных покрытий TiAlN // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т.309. №2. С.149-153).
Недостатком известного способа является то, что процесс распыления составной мишени наиболее чувствителен к изменению технологических параметров процесса. При отклонении от последних может неконтролируемо изменяться скорость распыления легкоплавкого элемента Al, входящего в состав в мишени, что приведет к не повторяемости свойств покрытия и мишени, неконтролируемому изменению свойств осаждаемого покрытия. Толщина покрытия 6…7 мкм недопустима для подложки с малыми допусками.
1-x
x
Известен способ получения нанокристаллических покрытий на основе карбидов и нитридов титана и алюминия методом магнетронного распыления, при котором с использованием магнетрона на постоянном токе с составной мишенью из сплава титана (60 ат.%) и алюминия (40 ат.%) в реактивной среде из смеси газов аргона и азота осаждают покрытие TiAlN толщиной 10 мкм (см. В.Е.Панин, В.П.Сергеев, М.В.Федорищева, О.В.Сергеев, А.В.Воронов. Структура и механические свойства нанокристаллических покрытий на основе карбидов и нитридов титана и алюминия // Физическая мезофизика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов. Труды Международной конференции. 2004. С.321-324).
Недостатком известного способа является то, что осаждаемое покрытие постоянного состава с высокой микротвердостью и износостойкостью обладает низкой трещиностойкостью, вследствие того, что осаждение покрытия производят при высокой мощности магнетронного разряда 3,8 кВт. Кроме того, при продолжительном осаждении покрытия при высокой мощности магнетронного разряда значительно увеличивается температура не только конденсации, но и подложки, что ограничивает использование способа для упрочнения подложки с низкой температурой отпуска, например, из быстрорежущих и аустенитных сталей. Толщина покрытия 10 мкм недопустима для подложки с малыми допусками.
1-x
x
Поэтому были предприняты попытки получения покрытий из соединений (Ti,Al)N или TiAlN способами химического осаждения из газовой фазы, например способом термохимического или плазменно-химического осаждения, которые имеют ряд преимуществ, позволяющих равномерно наносить полученные покрытия на изделия сложной геометрической формы и улучшить регулирование стехиометрического соотношения слоев.
Известен способ получения многослойного покрытия на основе Ti-Al-N химическим осаждением из газовой фазы (см. US 6040012 от 21.03.2000). Согласно способу в течение одного непрерывного процесса термохимического осаждения из газовой фазы, представленной газообразной смесью, содержащей восстановительный газ, например аммиак или азот, водород и хлориды титана, и, возможно, хлориды алюминия получают слои, имеющие разные свойства и/или состав, без изменения исходных материалов и без необходимости перемещения покрываемой подложки из одной камеры в другую. Свойства и/или состав каждого осажденного слоя моментально регулируются за счет изменения молярного отношения восстановительный газ - водород в газообразной смеси. Молярное отношение восстановительный газ - водород в газообразной смеси составляет от 0.01 к 1.
К недостаткам известного способа относятся:
- при использовании способа необходимы особые требования безопасности при эксплуатации хлора и водорода, несмотря на то, что процесс получения покрытия происходит в вакууме;
- способ подразумевает ограничение по материалу подложки с низкой температурой отпуска в связи с тем, что температура обработки подложки находится в пределах от 700 до 1400 К;
- толщина каждого осажденного слоя, составляет от 0,02 до 0,5 микрон. Общая толщина покрытия составляет от 1 до 50 микрон. Покрытие с толщиной, исчисляемой десятками микрометров, является не сплошным и может содержать раковины, поры и микротрещины;
- осаждение покрытия происходит при давлении от 10 до 10 Па. Низкий вакуум, при котором формируется покрытие, может привести к образованию оксидов и карбидов титана или алюминия при взаимодействии их с остаточными газами в вакуумной камере, значительно ухудшающие качество покрытия по составу и свойствам;
- продолжительность процесса осаждения составляет от 15 мин до 2 часов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения износостойкого покрытия, включающий очистку поверхности инструмента и вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия с использованием реакционного газа. Помещают инструмент в вакуумную камеру установки, оснащенной магнетронами, электродуговыми испарителями и нагревателем, проводят очистку поверхности в три этапа, на первом - в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности инструмента нагревателем до 100°С, на втором - в плазме магнетронного разряда, на третьем - проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа, нагревая поверхность инструмента на 300-350°С, затем наносят нижний слой титана магнетронным распылением титановой мишени и наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония в газовой смеси инертного и реакционного газов, причем слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени, а слои нитрида циркония получают электродуговым испарением циркониевого катода, после этого наносят верхний слой нитрида титана и циркония, одновременно проводя магнетронное распыление титановой мишени и электродуговое испарение циркониевого катода в газовой смеси инертного и реакционного газов (см. Патент RU №2361013 С1 от 10.07.2009). Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - помещают подложку в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронными распылителями, электродуговыми испарителями и резистивным нагревателем; проводят очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем до 100°С; проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 300…350°С; наносят на подложку нижний слой титана и чередующиеся слои нитридов в смеси инертного газа и азота.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что в известном способе получаемое покрытие имеет невысокие эксплуатационные характеристики: ударо-, тепло- и коррозионностойкость, вследствие того, что внутренние слои покрытия содержат только однокомпонентные нитриды титана (циркония), имеющие более низкие вышеперечисленные характеристики.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение работоспособности и эффективности подложки.
Технический результат заключается в повышении износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойкости поверхности подложки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе получения покрытия на основе сложных нитридов, при котором помещают подложку в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронными распылителями, электродуговыми испарителями и резистивным нагревателем, проводят очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем до 100°С и ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 300…350°С, затем на подложку наносят нижний слой титана и чередующиеся слои нитридов в смеси инертного газа и азота, нижний слой титана наносят электродуговым испарителем титанового катода в среде инертного газа и наносят чередующиеся слои двухкомпонентного нитрида титана и трехкомпонентного нитрида титана и алюминия в газовой смеси инертного и реакционного газов, причем первым наносят слой нитрида титана, а последним - слой нитрида титана и алюминия, при этом слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени, а слои нитрида титана и алюминия получают при одновременном электродуговом испарении алюминиевого катода и магнетронном распылении титановой мишени.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу, - нижний слой титана наносят электродуговым испарителем титанового катода в среде инертного газа; наносят чередующиеся слои двухкомпонентного нитрида титана и трехкомпонентного нитрида титана и алюминия в газовой смеси инертного и реакционного газов, причем первым наносят слой нитрида титана, а последним - слой нитрида титана и алюминия; слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени; слои нитрида титана и алюминия получают при одновременном электродуговом испарении алюминиевого катода и магнетронном распылении титановой мишени.
В качестве инертного газа используют аргон, в качестве реакционного газа используют азот. Эффективность и работоспособность подложки достигается за счет комбинированного метода получения слоев различного функционального назначения: подслой титана - адгезионный и буферный, слой нитрида титана - износостойкий, слой нитрида титана и алюминия - ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойкий.
Нижний адгезионный и одновременно буферный слой титана наносят с использованием электродугового испарителя с титановым катодом. В качестве материала слоя выбран титан, так как он обладает промежуточным коэффициентом термического расширения между материалом подложки и материалом последующего нитридо-титанового слоя. Осаждение слоя титана электродуговым испарением позволяет получить большое содержание рентгеноаморфной фазы и повышает сопротивляемость покрытия к ударным нагрузкам.
Наноструктурированный слой нитрида титана поликристаллического строения, получаемый с использованием магнетронного распылителя с титановой мишенью, сообщает покрытию улучшенные характеристики износостойкости: высокую твердость при сохранении относительно высокой вязкости, достаточную прочность в условиях прерывистого резания и действия динамических теплосиловых нагрузок.
Слои нитрида титана и алюминия получают при одновременном электродуговом испарении алюминиевого катода и магнетронном распылении титановой мишени. Выбор комбинированного метода осаждения обоснован тем, что покрытие по строению представляет собой смесь рентгеноаморфной и поликристаллической фаз, соотношение которых регулируется с помощью основных технологических параметров электродугового испарителя и магнетронного распылителя, что придает покрытию улучшенные характеристики ударостойкости. Многокомпонентный нитрид титана и алюминия обладает также повышенной эластичностью, коррозионностойкостью, значительной химической стабильностью, сопротивляемостью воздействию переменных теплосиловых нагрузок, трещиностойкостью.
Чередование слоев с различной структурой, химическим составом, строением и свойствами позволяет получить многофункциональное покрытие и за счет этого повысить работоспособность и эффективность упрочненной подложки в условиях истирающих, ударных и теплосиловых нагрузок, воздействия окислительной и/или агрессивной среды.
Верхний слой из многофункционального нитрида титана и алюминия получают, одновременно проводя, электродуговое испарение алюминиевого катода и магнетронное распыление титановой мишени для улучшения контактных характеристик: сопротивляемости поверхности подложки воздействию переменных теплосиловых нагрузок, сопротивляемости рабочей поверхности подложки упругопластическим деформациям, циклическим процессам схватывания, разделения стружки и поверхности покрытия, а также воздействию окислительной и/или агрессивной среды.
Способ получения покрытия на основе сложных нитридов осуществляют следующим образом.
Вакуумная камера модернизированной и автоматизированной установки УРМ 3.279.048 содержит два электродуговых испарителя, четыре магнетронных распылителя и резистивный нагреватель. Оснастку с подложкой устанавливают на поворотное устройство в вакуумную камеру, проводят откачку камеры при включенном резистивном нагревателе для удаления адсорбированной влаги со стенок камеры, оснастки и подложки. После откачки камеры при включенном резистивном нагревателе проводят первый этап очистки поверхности подложки - нагрев подложки по всему сечению до температуры 100°С для активизации упрочняемой поверхности, предотвращения перепада температур по сечению подложки и возникновения напряжений между поверхностью подложки и адгезионным нижним слоем покрытия. Контроль осуществляется с помощью пирометра. Проводят второй этап очистки поверхности подложки - ионную очистку электродуговым испарителем с титановым катодом в среде инертного газа при давлении 0,01 Па. Выключают резистивный нагреватель. На поворотное устройство с подложкой подают высокое напряжение, включают один электродуговой испаритель с титановым катодом, создают в среде аргона давление в камере 0,01 Па и проводят ионную очистку подложки, при которой он разогревается до температуры 300°С в течение 5 минут. Далее создают в вакуумной камере давление 0,8-1,0 Па, снимают высокое напряжение с подложки, подают опорное напряжение на подложку. В течение трех минут проводят осаждение адгезионного и одновременно буферного слоя электродуговым испарением катода из титана, который является материалом катода испарителя. Наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида титана и алюминия в газовой смеси инертного и реакционного газов. Первым наносят слой нитрида титана, а последним - слой нитрида титана и алюминия. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве реакционного газа используют азот. Износостойкие наноструктурированные слои нитрида титана получают магнетронным распылителем с титановой мишенью из чистого титана марки ВТ-1-00. Осаждение слоя из нитрида титана проводят при давлении 0,8-1,0 Па в течение 8 минут при соотношении инертного и реакционного газов 35/65%. Наноструктурированный слой обеспечивает покрытию твердость 20…25 ГПа, прочность и износостойкость при действии истирающих нагрузок.
2
3
Ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойкие слои нитрида титана и алюминия получают, одновременно проводя, электродуговое испарение алюминиевого катода и магнетронное распыление титановой мишени в газовой смеси азота и аргона при давлении 0,8-1,0 Па в течение 5 минут. Данный слой характеризуется смесью рентгеноаморфной и поликристаллической фаз, соотношение которых регулируют с помощью основных технологических параметров электродугового испарителя и магнетронного распылителя. При чередовании износостойкого наноструктурированного слоя нитрида титана и ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойкого слоя нитрида титана и алюминия реализуют принцип формирования покрытия с градиентом структуры, химического и фазового состава, свойств и, как следствие, с разделением функций между слоями и сообщение всему покрытию многофункциональных свойств. Слоистая структура покрытия обеспечивает его высокую трещиностойкость, а адгезионная прочность слоев - сопротивление сдвиговым нагрузкам. Верхний слой нитрида титана и алюминия наносят, одновременно проводя, электродуговое испарение алюминиевого катода и магнетронное распыление титановой мишени в газовой смеси азота и аргона при давлении 0,8-1,0 Па в течение 5 минут. При одновременном осаждении конденсируемых частиц титана, являющихся источником поликристаллической фазы, и конденсируемых частиц алюминия, являющихся источником рентгеноаморфной фазы, комбинированным методом получают слой с микроструктурным упрочнением, использование его в качестве верхнего слоя существенно повысит работоспособность и эффективность упрочненной подложки в условиях истирающих, теплосиловых и ударных нагрузок и воздействия окислительной и/или агрессивной среды. Снижение тепловыделения происходит из-за уменьшения коэффициента трения в паре с обрабатываемым/сопрягаемым материалом за счет повышения микротвердости покрытия до 25 ГПа. Высокая коррозионная стойкость покрытия определяется тем, что входящий в состав верхнего слоя алюминий, диффундируя к поверхности и, соединяясь с кислородом, образует защитный слой AlO, затрудняющий дальнейшее окисление покрытия и скорость коррозии и стабилизирующий решетку нитрида титана, сообщает покрытию коррозионные свойства. Плотная структура верхнего слоя усиливает сопротивление поверхности подложки коррозии. Теплостойкость материала подложки обеспечивается снижением тепловыделения на его контактирующих поверхностях.
Слой TiN осаждают с помощью распыления однокомпонентной мишени диаметром 125 мм из титана марки ВТ-1-00 магнетрона, работающего от источника постоянного тока. Мощность разряда магнетрона равна ~2,0 кВт. Покрытие осаждают в реакционной среде из смеси газов аргона и азота при общем давлении 0,8-1,0 Па. Толщина напыленных покрытий для всех образцов соответствует интервалу 3…5 мкм. Микротвердость покрытия измеряют микротвердомером ПМТ-3 при нагрузке на индентор 0,5 Н.
Многослойное покрытие на подложке, состоящее из чередующихся слоев TiN и Ti-Al-N различной толщины, строения и свойств получают в течение одного непрерывного процесса ионно-плазменными методами: магнетронным распылением и комбинированием электродугового испарения и магнетронного распыления в газовой смеси реакционного газа азота и инертного газа - аргона. Свойства и/или фазовый состав каждого осажденного слоя регулируют за счет изменения мощности магнетронного разряда при распылении титана, тока дуги при электродуговом испарении алюминия, давления газовой смеси, процентного соотношения азота и аргона, напряжения смещения на подложке, расстояния мишень-подложка и катод-подложка. Осаждение покрытия с использованием различных источников плазмы позволяет получать покрытие переменной структуры, что делает его способным воспринимать ударные нагрузки.
Изменение технологических параметров: тока дуги электродугового испарителя с алюминиевым катодом, соотношения реакционного и инертного газов, давления газовой смеси позволяет изменять содержание алюминия по отношению к титану в осаждаемом многокомпонентном слое.
Толщина титанового слоя 200…300 нм каждого наноструктурированного слоя TiN составляет 350 нм … 400 нм, многокомпонентного слоя Ti-Al-N - 400 нм … 600 нм. Общая толщина покрытия зависит от эксплуатационного назначения упрочняемой подложки, как правило, составляет 3 мкм - 5 мкм. Покрытие более плотное, равномерное по толщине и составу. Поперечный размер нанокристаллитов в наноструктурированном слое TiN составляет 5-10 нм.
2
3
Полученные результаты рентгеноструктурного анализа позволили заключить, что слой покрытия на основе Ti-Al-N представляет смесь двух фаз: AlN с ГЦК решеткой группы симметрии - F - 43 m и параметром 0,4045 нм с преимущественной ориентировкой (111), TiAlN с гексагональной решеткой группы симметрии - Р6/mmc, параметрами а=0,2985 нм и с=1,3567 нм с преимущественной ориентировкой (100).
К заявляемому способу не предъявляются особые требования безопасности в связи с отсутствием необходимости использования взрывоопасных и токсичных химических соединений и газов.
Способ практически не имеет ограничений по материалу подложки. Процессу упрочнения и защиты могут подвергнуться любые материалы, подвергнутые термической обработке.
Температура обработки подложки обычно составляет в пределах 573 до 623 К, что позволяет использование данного способа для упрочнения материалов с низкой температурой отпуска.
Осаждение покрытия, как правило, происходит при давлении от 0,8…1,0 Па. Высокий вакуум, при котором формируется покрытие, предотвратит образование оксидов и карбидов титана или алюминия из-за отсутствия остаточных газов в вакуумной камере.
Продолжительность процесса осаждения составляет от 60 мин до 1,5 ч.
Преимуществами изобретения являются:
- возможность изменения состава каждого осаждаемого многокомпонентного слоя Ti-Al-N и изменения структуры чередующихся слоев;
- возможность регулирования состава и свойства каждого слоя с высокой степенью точности. Следовательно, получаемые покрытия будут обладать точно заданными свойствами;
- возможность адаптации к получению конкретного покрытия для конкретного применения, что позволяет производить любые типы покрытий с широким диапазоном физико-химических и механических свойств для самых разных сфер применения, которые еще не были изучены на предмет возможности использования покрытий данного типа.
Кроме того, техническое решение позволяет не только значительно повысить микротвердость поверхности подложки, но и улучшить у поверхности и рабочей части подложки следующие эксплуатационные характеристики:
- износостойкость за счет увеличения микротвердости;
2
3
- коррозионностойкость за счет образования плотной и прочной окисной пленки AlO и значительной химической стабильности многокомпонентного нитрида титана и алюминия;
- ударостойкость за счет осаждения прилегающего к подложке адгезионного и одновременно буферного рентгеноаморфного титанового слоя и ударостойких слоев с повышенной эластичностью из многокомпонентного нитрида титана и алюминия;
- трещиностойкость за счет улучшения сопротивляемости поверхности подложки воздействию переменных теплосиловых нагрузок, сопротивляемости рабочей части подложки упругопластическим деформациям, циклическим процессам схватывания, разделения стружки и поверхности покрытия;
- теплостойкость за счет осаждения термодинамически устойчивых слоев нитрида титана и алюминия, снижения тепловыделения на контактирующих поверхностях подложки.
Это свидетельствует о повышении работоспособности и эффективности подложки.