Стальное изделие с композиционным износостойким покрытием

Полезная модель используется при нанесении износостойких покрытий на поверхность стальных изделий, работающих в условиях интенсивного износа при эксплуатации, с целью повышения их износостойкости и может найти применение в машиностроении.
Известен способ получения карбидохромовых покрытий термическим разложением паров металлоорганических соединений на основе хрома, при котором деталь из конструкционных и низколегированных сталей размещают в реакторе, нагревают стальную подложку и испаритель до определенных температур, а затем проводят осаждение покрытия разложением металлоорганического соединения «Бархос» в потоке инертного газа (патент РФ №2249633, МПК С23С 16/18, 2003 г.).
Недостатком известного способа является низкое качество получаемого покрытия, обусловленное снижением адгезии, вследствие нестабильности температуры поверхности стальной подложки, охлаждаемой потоком инертного газа.
Известно композиционное покрытие для защиты поверхности стальных изделий от износа, состоящее из промежуточного диффузионно-оксидного слоя, сформированного на поверхности стальной подложки активаторами поверхностного слоя и последующим вакуумным отжигом в реакторе, и основного, состоящего из износостойкого пиролитического карбидохромового покрытия (ПКХП), полученного методом осаждения из газовой фазы хромсодержащего металлоорганического соединения (патент РФ на полезную модель №97731, кл. С23С 28/00, 2010 г.).
Недостатками известного композиционного покрытия являются сложность и высокая энергоемкость технологического процесса нанесения, требующие продолжительного по времени вакуумного отжига в реакторе, а также сложность обеспечения требуемой толщины и равномерности промежуточного диффузионно-оксидного слоя и, как следствие, низкое качество ПКХП в целом.
Наиболее близким техническим решением является способ многослойного нанесения покрытий на подложку стального изделия (режущего инструмента), включающий получение промежуточного слоя никеля и нанесение основного износостойкого карбидохромового слоя (патент РФ №2492276 С1, МПК С23С 14/48, 10.09.2013).
Недостатком известного способа является сложность, высокая продолжительность и энергоемкость технологического процесса нанесения многослойного износостойкого покрытия, включающего проведение очистки поверхности подложки, нанесение слоя никеля, последующий отжиг в этой же установке, охлаждение в камере, помещение изделия в плазменно-кластерную установку и напыление порошка карбида хрома на никелевое покрытие.
Полезная модель направлена на упрощение процесса нанесения и улучшение качества ПКХП.
Указанный технический результат достигается получением на поверхности стальных изделий композиционного покрытия, состоящего из промежуточного слоя химически осажденного никеля и основного слоя ПКХП, полученного методом газофазного осаждения хромсодержащего металлоорганического соединения (МОС).
На фигуре приведена схема стального изделия с композиционным износостойким покрытием, где 1 - стальная подложка, 2 - промежуточный слой никеля, 3 - пиролитическое карбидохромовое покрытие.
Сущность заявленной полезной модели поясняется следующим описанием. Промежуточный слой химически осажденного никеля формируется на поверхности стального изделия в растворе следующего состава: хлористый никель - 60 г/л, цитрат натрия - 60 г/л, гипофосфит натрия - 40 г/л, хлористый аммоний - 60 г/л. Температура раствора - 85-95°С.
Время выдержки изделий в указанном растворе составляет 30-40 минут до достижения оптимальной толщины слоя никеля в 3-5 мкм.
Затем на промежуточный слой химического никеля, сформированный на поверхности стального изделия, наносится износостойкое ПКХП с использованием хромсодержащего МОС методом осаждения из газовой фазы. В процессе нанесения ПКХП МОС переводится в парообразное состояние и контактирует с поверхностью стального изделия, нагретого до температуры, необходимой для разложения МОС с осаждением хрома и его соединений.
Промежуточный слой никеля (твердость 700-1000 МПа) обеспечивает «плавный» переход в покрытии от менее твердой поверхности стального изделия (например, из ст.40Х с твердостью 217-552 МПа) к более твердому ПКХП (микротвердость до 15 ГПа), улучшая адгезионные свойства покрытия в целом. Наличие промежуточного слоя никеля, более твердого, чем сталь, улучшает прочностные характеристики ПКХП на сжатие, не допуская при «точечном» приложении нагрузки смятия стальной подложки и растрескивания покрытия.
Применение химического осаждения никеля упрощает процесс получения композиционного покрытия для защиты поверхности стальных изделий от износа и повышает качество ПКХП.
Пример осуществления технического решения.
Деталь с тщательно обезжиренной любым способом поверхностью размещают в растворе следующего состава: хлористый никель - 60 г/л, цитрат натрия - 60 г/л, гипофосфит натрия - 40 г/л, хлористый аммоний - 60 г/л. Раствор нагревают до температуры 85-95°С и ведут процесс осаждения никеля продолжительностью 30-40 минут, после чего изделие извлекают из раствора, промывают в дистиллированной воде и высушивают.
Затем начинают процесс нанесения на поверхности стального изделия с полученным промежуточным подслоем никеля износостойкого ПКХП методом осаждения из газовой фазы с применением хромсодержащего металлоорганического соединения (МОС). В качестве расходного МОС применяют промышленную хромоорганическую жидкость (ХОЖ) «Бархос» (ТУ 6-01-1149-78). МОС дозирующим устройством подается в реактор, где с помощью испарителя переводится в парообразное состояние. Пары МОС, находящиеся вблизи нагретой поверхности стального изделия, поглощают тепло, излученное ею, разлагаются в газовой фазе и затем конденсируются на поверхности с образованием износостойкой пленки ПКХП.
Для достижения наилучшего качества ПКХП температуру поверхности стального изделия следует поддерживать в диапазоне 450-460°С, давление в реакторе 0,1-1,0 Па, температуру испарителя реактора 200-240°С. Оптимальная толщина получаемого ПКХП задается в каждом конкретном случае, исходя из назначения стального изделия, и определяется временем процесса и скоростью подачи МОС в реактор.
Исследования по определению прочности сцепления покрытия проводили методом нормального отрыва. Получили среднее значения адгезии покрытия с подложкой 500 МПа.
Высокая износостойкость получаемого ПКХП на поверхности стального изделия обуславливается его микротвердостью (до 15 ГПа), а промежуточный слой никеля толщиной 3-5 мкм обеспечивает необходимую адгезию ПКХП с основным материалом стальной детали и прочность всего композиционного покрытия.
Полученное по описанной технологии композиционное покрытие для защиты стали от износа позволяет упростить процесс нанесения износостойкого покрытия высокого качества и тем самым увеличить срок службы стальных изделий, работающих в условиях интенсивного износа при эксплуатации.