СПОСОБ МНОГОСЛОЙНОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКУ
METHOD OF APPLYING SANDWICH COATINGS ON SUBSTRATE

Изобретение относится к технологии получения покрытий, стойких в процессе обработки деталей из жаропрочных и высокопрочных сплавов, и может быть использовано при изготовлении режущего инструмента, работающего при точении сверхтвердых металлов.
3
3
2
3
Режущий инструмент с многослойным покрытием успешно работает при точении вышеназванных металлов и сварного шва, имеющего даже большую твердость в сравнении с указанными металлами. Наиболее приемлемым для получения никелевого покрытия является метод конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Для покрытия из карбида хрома используется способ плазменно-кластерного типа. Плазменно-кластерная технология основана на подаче напыляемого порошкового материала микронного размера в канал плазматрона. В сопле плазматрона и в струе плазмы, истекающей в вакуумную камеру с напыляемым материалом (CrC), происходят различные теплофизические процессы: плавление, диспергирование и испарение. Дальнейшее расширение, струи, плазмы в вакуумной камере приводит к тому, что парообразная фаза материала (CrC)
начинает конденсироваться на поверхности инструмента с образованием кластеров, из которых в дальнейшем образуются наночистицы.
Оба способа позволяют обеспечить плотные и равномерные по толщине покрытия.
Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности потенциалов между подложкой и катодом, очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия с последующим отжигом. При этом ионный поток и поток испаряющегося материала, идущий от катода к подложке, экранируют. Однако данный способ используется для нанесения покрытий на рабочее колесо турбины энергетической установки, выполненное из высоколегированного сплава на основе никеля, а не на режущий инструмент (см. патент RU 2192501, кл. С23С 14/34, дата публикации 10.11.2002).
Известен также способ получения многослойного покрытия на режущем инструменте, включающий последовательное формирование методом вакуумно-дугового синтеза адгезионного, переходного и износостойкого слоев тугоплавких соединений. Для этого формируют адгезионный слой, содержащий, по крайней мере, один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение, формируют переходный слой, содержащий тугоплавкое соединение металлов IV и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере, один из которых из состава износостойкого слоя, и формируют износостойкий слой с нанокристаллической структурой, содержащий тугоплавкие соединения металлов из IV и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием (см. патент RU 2413790, кл. С23С 14/06, дата публикации 27.11.2011). Однако при осуществлении этого способа проводится ускоренный нагрев и ускоренное охлаждение. Такой режим не обеспечивает адгезию между подложкой и покрытиями, и, кроме того, разность между коэффициентами линейного расширения материалов подложки и покрытий приводит к образованию трещин в покрытиях.
Предлагаемый способ нанесения покрытий на подложку из высокоуглеродистой стали в среде инертного газа включает очистку поверхности подложки потоком ионов инертного газа методом КИБ при температуре 550-600°С, нанесение никелевого покрытия методом КИБ при температуре 550-600°С и его отжиг с повышением температуры до 650-700°С и последующее нанесение карбида хрома плазменно-кластерным методом. Ионы инертного газа возникают при образовании плазмы за счет расщепления инертного газа.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения - повышение плотности и однородности покрытий, наносимых на заготовку режущего инструмента, и адгезии между подложкой и первым покрытием - никелем, и между покрытиями никелем и карбидом хрома, что способствует увеличению стойкости режущего инструмента при циклических нагрузках.
-5
-2
-2
Процесс осуществляется следующим образом. Вначале заготовку (под режущий инструмент) обрабатывают в ацетоне с последующей обдувкой сжатым воздухом. Это позволяет удалить загрязнения с поверхности заготовки. Далее проводят установку заготовки в приспособление в рабочем объеме камеры установки (КИБ). Затем осуществляют вакуумирование рабочего объема установки до 1*10 мм. рт. ст. и после этого вводят в него аргон до достижения давления 4*10 мм. рт. ст. После этого в зоне воздействия дугового разряда создают электрическую мощность 2-3 кВт. Это обеспечивает формирование потока, содержащего ионы аргона, и осуществление процесса очистки поверхности подложки на заготовке режущего инструмента ионами аргона. Время очистки составляет 30-40 мин. После очистки поверхности наносят слой никеля толщиной 5-7 мкм и производят последующий отжиг в этой же установке при температуре 550±50°С. Время выдержки составляет 80-100 мин. Температура достигается в процессе бомбардировки поверхности (подложки) ионами аргона и частично ионами и атомами никеля. Никель для нанесения используется порошковый. Нанесение его осуществляют с увеличением электрической мощности в дуге до 4-6 кВт. Отжиг позволяет уплотнить никелевое покрытие за счет процесса самодиффузии его атомов и обеспечить адгезию никеля в подложку благодаря процессу диффузии. Никель с железом имеют сродство между собой. Далее заготовку с никелевым покрытием охлаждают в камере до температуры 100±10°С и затем устанавливают ее в плазменно - кластерную установку. После вакуумирования рабочего объема до 10 мм. рт. ст. заполняют рабочий объем аргоном до давления 50 Па. Затем осуществляют напыление порошка карбида хрома на никелевое покрытие.
Расход порошка карбида хрома составляет до 5 г/сек; температура газа доходит до 3300°С, давление в плазматроне до 70-100 Па, скорость нанесения покрытий до 1 мкм/сек. Охлаждение заготовки осуществляют, как в установке КИБ, так в и ионно-кластерной до температуры 100±10°С.
-5
-2
Ниже приведен пример осуществления предложенного способа. В качестве подложки использовали стержень - сталь 45 (основа - железо с добавкой углерода 0,45%). Перед началом проведения процесса нанесения покрытия рабочую камеру КИБ вакуумировали до 1*10 мм. рт. ст. и после того вводили в нее аргон до достижения давления 4*10 мм. рт. ст. Далее зажигали дугу мощностью до 3±0,1 кВт и осуществляли очистку поверхности (подложки) от окислов и одновременно при этом достигали развитой поверхности (подложки) для улучшения связи (адгезии) покрытия (никеля) с подложкой.
-2
После очистки поверхности подложки наносили на нее покрытие из никеля толщиной 5+2 мкм. Температура на подложке составляла 550±50°С. Контроль температуры осуществляли пирометром. Далее проводили отжиг покрытия. Температуру на подложке поднимали до 650-700°С бомбардировкой подложки ионами аргона. Выдержку при этой температуре осуществляли в течение 10-15 мин. Далее заготовку с никелевым покрытием охлаждали в камере до температуры 100±10°С и затем устанавливали ее в установку плазменно-кластерного типа. После вакуумирования рабочего объема до 1 Па (1*10 мм рт. ст.) в камеру подавали разогретый плазмотроном газ (азот) с порошком карбида хрома. Устанавливалось динамическое давление около 50 Па (0,5 мм рт. ст.) Время нанесения покрытия составляло 5-10 мин. Толщина покрытия карбида хрома была в пределах 15-25 мкм. Скорость нанесения покрытий никеля составила 0,1 мкм/мин и карбида хрома 2-3 мкм/мин. После окончания нанесения покрытий осуществляли охлаждение в установке до температуры 100±10°С. Затем подложку охлаждали на воздухе.
Качество покрытий оценивали с помощью металлографического исследования. Установлено, что покрытия плотные, отмечена диффузия никеля в подложку и в покрытие карбида хрома. Все это доказывает достаточную прочность сцепления покрытий друг с другом и никеля с подложкой.