СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ИЗДЕЛИЯ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
PROCEDURE FOR COATING ITEMS OUT OF HARD ALLOYS

Изобретение относится к области машиностроения и служит для повышения микротвердости и износостойкости инструмента или изделия путем увеличения прочности сцепления ионно-плазменного покрытия из нитрида титана (TiN) к поверхности изделий из твердых сплавов на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой.
Известны способы нанесения износостойких сверхтвердых покрытий на изделия из стальных и металлокерамических материалов в вакууме физическими методами: ионно-плазменное напыление, электродуговой метод, метод реактивного магнетронного распыления и другие. Самыми важными требованиями, предъявляемыми к рабочим поверхностям изделий с покрытиями, работающими в условиях высоких знакопеременных нагрузок, является их усталостная прочность, обеспеченная высокой адгезией покрытия с поверхностью изделий. Поэтому в ряде случаев проводят комбинированную обработку поверхности изделий, состоящую из предварительной подготовки поверхности перед нанесением покрытия, и собственно само осаждение износостойкого покрытия.
Известны способы вакуумного нанесения покрытий, в которых высокая адгезия покрытия с поверхностью изделий обеспечивается тем, что процесс нанесения покрытия проводится при высоких температурах (~400-600°С), когда происходит интенсивное перемешивание атомов покрытия с поверхностью изделий за счет термической диффузии, либо с той же целью после нанесения покрытия проводится высокотемпературный отжиг [М.М.Никитин. Технология и оборудование вакуумного напыления. М.: Металлургия, 1992, 111 с.].
-3
-2
2
Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали [RU 2131480 С1, 10.06.1999], включающий ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа-азота и нанесение покрытия из нитрида титана из плазменной фазы дугового разряда. В известном способе азотирование и нанесение нитрида титана осуществляют в одной вакуумной камере в плазме дугового и газового разряда с накаленным катодом в едином цикле, образуя на поверхности деталей трехслойную структуру. При этом азотирование проводят с использованием генератора газоразрядной плазмы с накаленным катодом при давлении реактивного газа 5·10-2·10мм рт.ст., отрицательном напряжении смещения на деталях 300-1000 В и плотности ионного тока 2-8 мА/см в течение 30-90 мин, а нанесение покрытия из нитрида титана осуществляют со скоростью 2 мкм/ч в течение 60-90 мин при отрицательном напряжении смещения на детали 300-600 В и одновременной работе генератора газоразрядной плазмы и дугового испарителя, что способствует более полному протеканию реакций синтеза нитрида титана на поверхности изделия. Формирование трехслойной структуры, включающей первый дисперсно-упрочненный азотированный подслой стальной основы, второй подслой из сплошного нитрида железа и третий слой (покрытие) из нитрида титана, обеспечивает более плавный переход твердости от материала изделия к покрытию, кристаллографическое подобие второго подслоя и наносимого нитрида титана и, в конечном счете, большую прочность сцепления покрытия с изделием и работоспособность всей композиции изделие-покрытие.
Недостатком известного способа является узкая область его применения, т.к. он ограничен только азотируемыми сталями, поэтому он неприемлем для твердых металлокерамических сплавов, не поддающихся формированию переходного азотированного слоя.
2
18
19
2
Известен способ комбинированной вакуумной ионно-плазменной обработки материалов [RU 2234556 С2, 25.04.2002]. Способ включает последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота, проведение стабилизирующего отжига и нанесение защитного износостойкого покрытия нитрида титана путем вакуумного ионно-плазменного напыления. Облучение поверхности изделий из металлов ионами азота с энергий от 200 эВ до 1500 эВ проводят при плотности ионного тока 5-10 мА/см, обеспечивая дозу 10-2·10 ион/см.
-1
-1
После ионной имплантации проводят ионно-плазменное нанесение в вакууме защитного покрытия TiN при токе дугового разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 3·10 до 4·10 Па. Достигаемая толщина покрытия не менее 8 мкм. При этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме. Основным фактором, ответственным за повышение усталостной прочности и адгезионной прочности покрытия, является упрочнение и изменение фазового состава поверхностного слоя изделия. Ионная имплантация азота формирует поверхность с развитой дислокационной структурой и нитридными упрочняющими фазами, создает благоприятное структурно-фазовое состояние основного материала, обеспечивая его плавный переход в покрытие TiN. В результате проведения предлагаемой упрочняющей обработки в поверхностном слое изделия возникает композиционная структура.
Недостатками являются длительность процесса набора необходимой дозы имплантированных ионов и время на проведение дополнительной операции - отжиг длительностью до 30 минут.
2
2
Увеличение адгезии вакуумных покрытий TiN, нанесенных на металлокерамические подложки при умеренных температурах (450°C) после предварительной обработки импульсным мощным ионным пучком (МИП), отмечено в работе В.А.Тарбокова, Г.Е.Ремнева (журнал "Физика и химия обработки материалов", 2003, №6, с.40-43). Энергия ионов составляла 250 кэВ, длительность импульса - 60 нс, плотность тока от 70 до 250 А/см, при этом плотность энергии составляла 1-3,75 Дж/см.
2
-4
6
2
6
2
5
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ повышения износостойкости твердосплавного инструмента или изделия [патент SU 1468017; С23С 14/48; опубл. 30.09.1994] из твердых сплавов типа ВК и ТК путем термической обработки рабочей поверхности твердого сплава импульсным мощным ионным пучком с энергией Е=(250-400) кэВ, плотностью тока j≅160-250 А/см и длительностью τ=(60-100) нс в вакууме 10 Торр, что соответствует плотности мощности, превышающей 4·10 Вт/см. На очищенный таким образом образец наносят износостойкое покрытие, например, ионно-плазменным методом, затем его вновь облучают мощным ионным пучком с плотностью мощности (0,3-6)·10 Вт/см в течение 60-100 нс. Такая плотность достаточна для того, чтобы испарилась поверхность образца на глубину до 1 мкм. При испарении происходит очистка поверхности изделий от окалины, ржавчины, окислов и прочих загрязнений и на ней образуется шероховатость, достаточная для хорошей адгезии наносимого затем покрытия. Кроме того, в результате испарения слоя толщиной 0,1-0,5 мкм за очень короткое время (длительность импульса 80 нс) в образце возникает ударная волна с механическим давлением не менее 4·10 бар. Под воздействием этой волны в глубине образца происходит измельчение зерен, появление дислокаций и поверхностное упрочнение изделия. При этом на поверхности изделия происходит ионное перемешивание в расплаве глубиной, приблизительно равной длине пробега ионов, а затем при прекращении облучения - охлаждение поверхностного слоя со скоростью более 10 К/с. В результате этого на поверхности изделия образуется слой стеклообразного материала с высокими износостойкими характеристиками. За ним следует слой с высокой плотностью дислокаций, меньшими размерами зерен и межфазных границ, чем у исходного (необлученного) сплава и металла. При использовании изобретения повышается производительность процесса модификации поверхностных свойств материалов, существенно улучшаются стойкостные и адгезионные свойства обработанной поверхности изделий.
Недостатками данного способа являются использование мощного ионного пучка, которое ведет к необходимости защиты от неиспользованного рентгеновского излучения, повышенный уровень которого связан с ускоряющим напряжением, превышающим 100 кВ, и связанная с этим необходимость больших затрат на оборудование помещений для ускорителя и пультовой.
-7
Кроме того, недостатком известного способа является низкая износостойкость, так как при эксплуатации изделия происходит образование микротрещин с последующим выкрашиванием материала. Это связано с быстрым вводом энергии в приповерхностный слой (~10 с), что соответствует малой длительности жизни расплава приповерхностного слоя, что и приводит к повышенной склонности к кратерообразованию на облучаемой поверхности и высокому уровню действующих и остаточных напряжений.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа повышения износостойкости твердосплавных изделий преимущественно на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой путем комбинированной электронно-ионно-плазменной обработки.
Техническим результатом предлагаемого решения является структурно-фазовая модификация и активация поверхностного слоя изделия на границе сопряжения с наносимым покрытием, повышение твердости этого поверхностного слоя, улучшение адгезии покрытия и, в конечном счете, повышение износостойкости всей композиции изделие-покрытие.
2
2
5
2
Указанный технический результат достигается тем, что в способе нанесения покрытия на изделия из твердых сплавов преимущественно на основе монокарбида вольфрама WC с кобальтовой связкой, включающем облучение рабочих поверхностей изделий пучками заряженных частиц, с последующим нанесением на них износостойкого покрытия, согласно изобретению облучение проводят в вакууме импульсным сильноточным пучком электронов с плотностью тока 11-20 А/см, энергией 15 кэВ, длительностью импульсов 150 мкс, плотностью энергии 30 Дж/см (что соответствует плотности мощности 2·10 Вт/см), с последующим нанесением на них износостойкого покрытия из TiN толщиной 1-5 мкм.
Новым является то, что при предварительной обработке поверхности изделия импульсным сильноточным электронным пучком с данными параметрами происходит частичное жидкофазное растворение и испарение зерен связывающей фазы с увеличением доли карбидных фаз, не допускающее плавление карбидной фазы, с последующим нанесением покрытия из TiN толщиной 1-5 мкм, что приводит к композиционной структуре материала, плавно переходящей по своему структурно-фазовому состоянию и физико-химическим свойствам от покрытия TiN до основного материала изделия. В результате обеспечивается адгезионная прочность наносимого износостойкого покрытия.
Способ осуществляется следующим образом.
2
2
Изделия из твердого сплава монокарбида вольфрама WC с кобальтовой связкой (ВК8), в нашем случае режущие пластины, помещают в рабочую камеру электронно-лучевой установки и облучают импульсным электронным пучком диаметром 15-20 мм с энергией электронов от 15 кэВ, длительностью импульсов 150 мкс, при плотности тока j≈13 А/см и частотой следования импульсов 1 Гц, обеспечивая плотность энергии пучка 30 Дж/см. Параметры электронного пучка подобраны таким образом, чтобы за 5 импульсов происходило частичное жидкофазное растворение и испарение зерен связывающей фазы с увеличением доли карбидных фаз. При этом не допускается плавление карбидной фазы.
После облучения образцы переносят в рабочую камеру установки для нанесения покрытий вакуумно-дуговым методом и осуществляют процесс ионно-плазменного формирования на облученных поверхностях твердосплавных пластин функциональных нитридных износостойких покрытий типа TiN толщиной 1-5 мкм.
2
5
2
Повышение износостойкости всего изделия определяется величиной адгезии покрытия с поверхностью. Измерения величины адгезии, проведенные на приборе Scratch-tester (CSM Instruments, Швейцария), показали адгезию, равную 120 Н, в то время как в случае нанесения данного покрытия в отсутствие предварительной обработки электронным пучком величина адгезии оказалась равной 40 Н (в 3 раза меньше). С увеличением плотности энергии электронного пучка до величины 45 Дж/см (плотность мощности 3·10 Вт/см), приводящей к полному взаимному переплавлению карбидных зерен со связкой, уменьшается величина адгезии до ~25 Н.
2
2
На фиг.1 показана морфология поверхности твердого сплава ВК8: (а) поверхность исходного образца, (б) поверхность образца, обработанного электронным пучком при плотности энергии 30 Дж/см, (в) поверхность образца, обработанного при плотности энергии 45 Дж/см.
2
2
На фиг.2 показаны значения микротвердости рабочей поверхности твердого сплава ВК8 перед формированием износостойкого покрытия TiN: 1 - исходный образец, 2 - обработанный электронным пучком при плотности энергии 45 Дж/см (взаимный переплав карбидной и связующей фаз), 3 - обработанный электронным пучком при плотности энергии 30 Дж/см (без плавления WC-фазы).
2
2
2
2
Предварительная электронно-пучковая обработка поверхности твердого сплава при плотности тока j≈13 А/см, что соответствует плотности энергии 30 Дж/см, без образования характерной для расплава морфологии формирует поверхность, похожую на исходную (фиг.1б), но со значительным уменьшением доли связующей кобальтовой связки с 8% (фиг.1a) до 5%. В результате изменения структурно-фазового состояния основного материала повышается твердость (фиг.2) на границе конденсации покрытия с поверхностью изделия. Увеличение микротвердости связано с увеличением доли монокарбида вольфрама WC. Дальнейшее увеличение плотности тока до j≈20 А/см, а следовательно, увеличение плотности энергии до 45 Дж/см, приводит к возникновению микрократеров в местах с повышенной объемной долей легкоплавкой связующей фазы, формированию микротрещин и падению микротвердости. Последнее связано с образованием в этих режимах облучения метастабильных карбидов, обладающих низкой прочностью.
Данный способ по сравнению с прототипом выгодно отличается тем, что очистку, активацию и упрочнение поверхности проводят не ионно-пучковым методом, а импульсным сильноточным электронным пучком, при котором отсутствует полное взаимное переплавление карбидной и связующей фаз в приповерхностном слое изделия, что приводит к улучшению адгезии износостойкого покрытия, увеличивая износостойкость всего изделия.
При использовании импульсного электронного пучка с большей длительностью импульса, чем у мощных ионных пучков прототипа, не требуется дополнительный отжиг изделий для снижения уровня остаточных напряжений на границе сопряжения покрытия с поверхностью изделий, а также не требуется дополнительная радиационная защита и связанные с этим большие затраты на оборудование помещений для ускорителя.