СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF APPLICATION OF WEAR-RESISTANT COATING

Изобретение относится к ионно-плазменному способу нанесения износостойких покрытий на поверхности изделий из металлов и других материалов. Покрытия могут использоваться в промышленности для повышения износостойкости режущих и технологических инструментов.
Алмаз является самым твердым природным материалом, известным в настоящее время. Поликристаллический алмаз эффективен для повышения износостойкости, однако его осаждение требует очень высоких температур и давлений. В качестве покрытия для режущих инструментов за рубежом широко используются пленки diamondlikecarbon (DLC). DLC пленки имеют высокую твердость (выше 1500 HV), низкий коэффициент трения (менее 0,2) и термическую стабильность в диапазоне до 600°C. Основным недостатком DLC покрытий является недостаточная адгезия к материалу изделия.
Для предотвращения расслоения и повышения адгезии с подложкой применяется промежуточный слой металлов Ti, Zr, W, Cr и их нитридов между изделием и износостойким покрытием.
Наиболее эффективным методом направленной модификации функциональных свойств поверхностей, подверженных износу, является нанесение пленочных покрытий. В настоящее время процессы физического осаждения покрытий (процессы PVD) на различные изделия, в том числе режущий инструмент, получают все большее применение из-за высокой надежности, универсальности, возможности получения покрытий практически любого состава и структуры с обеспечением экологической чистоты процессов при производстве инструмента в сравнении с методами и процессами плазмохимического осаждения покрытий (методы CVD) («Методы нанесения вакуумных PVD-покрытий». Курс лекций. Сост. Жданов А.В. Владимирский государственный университет. 2014): http://www.vlsu.m/fileadmin/Kadry_dlja_regiona/9/2014_nov/9-2-6-02_2014_Metody_nanesenija_vakuurnnyh_PVD_pokrytij.pdf
Карбиды (TiC, SiC, WC, VC и т.д.) и нитриды (CrN, ZrN и др.) различных металлов и неметаллов нашли широкое применение за счет приемлемых значений микротвердости и адгезии, однако они характеризуются достаточно большими значениями коэффициента трения.
2
3
Современные исследования направлены на получение многослойных покрытий, включающих два (TiC/TiN, TiC/AlO и т.д.) или более слоев (TiN /TiCN/TiC или (TiAl)N/CrN). Также применяются градиентные многокомпонентные покрытия, в которых происходит непрерывное изменение концентрации компонентов.
Нанокомпозитные покрытия являются новым поколением материалов, они состоят из нанокристаллической или аморфной структуры. Небольшие (до 10 нм) размеры частиц играют важную роль для пограничных зон нанокомпозитных материалов, что сказывается на улучшении адгезионных свойств покрытий и повышении рабочих температур (до 3000-3500°C) по сравнению с материалами, у которых размеры зерен превышают 100 нм.
3
4
Фирма Platit (Швейцария) разработала способ получения двухфазных наноструктурированных покрытий с размерами зерен до 5 нм, у которых основную функцию по износостойкости выполняют зерна (Al, Cr)N или (Ti, Al)N (основная нанокристаллическая фаза), на границах которых располагается вторая нанокристаллическая (или аморфная) фаза SiN, сдерживающая коагуляцию зерен основной фазы как при осаждении покрытия (вакуумно-дуговая технология), так при эксплуатации инструмента. Аналогичные исследования по разработке наноструктурированных покрытий нового поколения проводят фирмы Balzers, Metaplas, Cimicon и др. (Верещака А.С., Верещака А.А. «Тенденции совершенствования и методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента». Современные технологии в машиностроении: Сб. науч. статей) - http://www.kpi.kharkov.ua/archive/Наукова_перiодика/stm/2010/4/НЕКОТОРЫЕ%20МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ%20ПРИНЦИПЫ%20СОЗДАНИЯ%20 ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ%20ПОКРЫТИЙ%20ДЛЯ%20РЕЖУЩЕГО%20ИНСТРУМЕНТА.pdf
В научно-технической литературе имеется большое количество исследований, посвященных повышению эксплуатационных характеристик изделий за счет нанесения на их поверхность нитрида титана (TiN) или карбонитрид титана (TiCN) (В.В. Кунченко, А.А. Андреев, «КАРБОНИТРИДЫ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫЕ ВАКУУМНО-ДУГОВЫМ ОСАЖДЕНИЕМ», ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с. 116-120): http://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2001_2/article_2001_2_116.р df
Однако данные покрытия, обладая хорошей адгезией к материалу подложки, имеют низкую твердость, либо высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления. При нагреве (резка, трение) идет разрушение Ti-N связей, и покрытие быстро изнашивается за счет недостаточной твердости.
В заявке США №2015093566 (B05D 1/10; B05D 1/12; B05D 1/36, опубл. 02.04.2015) приводится описание способа формирования износостойкого покрытия, включающего в себя нанесение на подложку мелкодисперсного порошка из инкапсулированных частиц различных материалов, таких как алмаз, карбид вольфрама, вольфрам, окись алюминия, карбид кремния и нитрид кремния, с последующей выдержкой при температуре 500°C и спеканием при температуре 850°C в течение 180 минут. Недостатком данного технического решения является сложность технологического процесса и энергозатратность (высокие температуры обработки).
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков (принятого за прототип) является способ нанесения покрытия (патент RU 2261936, C23C 14/24, C23C14/48, опубл. 10.10.2005), включающий вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия, состоящего из нижнего слоя карбонитрида титана TiCN и верхнего слоя нитрида титана TiN. К недостаткам этого способа относится то, что многослойное покрытие имеет низкую прочность сцепления слоев и формируется в течение нескольких технологических циклов (в отличие от заявляемого решения).
Техническим результатом заявляемого решения является повышение износостойкости поверхности изделия за счет нанесения покрытия на основе нитрида углерода.
x
12
13
-3
Технический результат достигается тем, что способ нанесения износостойкого покрытия включает ионно-плазменную очистку и нагрев поверхности изделия до 200-450°C, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере аргона переходного слоя Ti, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере азота переходного слоя TiN, ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки CN в атмосфере азота импульсным дуговым разрядом в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅10-1⋅10 см длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования 1-5 Гц. При формировании промежуточных слоев Ti, TiN и TiC осуществляют магнитную сепарацию плазменного потока. Слой углеродной алмазоподобной пленки покрытия наносят толщиной 0,2-2,0 мкм. Нанесение слоя алмазоподобного покрытия производят чередованием нанесения алмазоподобного покрытия и обработки слоя алмазоподобного покрытия ионами аргона. Во время ионно-плазменной очистки к изделию подводят импульсное отрицательное напряжение.
Нанесение износостойкого покрытия осуществляют следующим образом.
Изделие или части изделия, на которые необходимо нанести покрытие, предварительно очищают от загрязнений, пыли и т.п. Далее изделие располагают в рабочем объеме вакуумной камеры на специальной оснастке, установленной с возможностью вращения.
Вакуумная камера содержит электродуговой испаритель титана, электродуговой испаритель углеродной плазмы, источник ионов аргона, газовый натекатель аргона, газовый натекатель азота, вакуумметр, систему вращения специальной оснастки, систему сепарации плазменного потока, источник смещения потенциалов.
-3
-2
Вакуумирование камеры производят до достижения давления (1-2)*10 Па. Затем включением газового натекателя аргона обеспечивают рабочее давление аргона 10 Па и с помощью источника ионов аргона подвергают обработке поверхность изделия ионами аргона с энергиями 1-3 кэВ при температуре 200-450 градусов. Данная температура обеспечивает технологические условия для формирования последующих слоев покрытия.
-2
Для обеспечения адгезии покрытия к поверхности изделия электродуговым осаждением с помощью электродугового испарителя наносят подслой Ti толщиной 0,04 мкм с использованием магнитной сепарации плазменного потока. Далее с помощью этого же электродугового испарителя и газового натекателя азота, обеспечивающего давление (2-5)* 10 Па в ваккумной камере, осуществляют ионно-плазменное осаждение титана, тем самым формируя переходной слой TiN толщиной 0,1 мкм между титановым подслоем и последующей алмазоподобной пленкой (углеродным покрытием).
С помощью источника смещения потенциалов к изделию подводят отрицательное напряжение от 100 до 2500 Вт для качественного нанесения покрытия.
Далее в этой же атмосфере азота осуществляют ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки толщиной 1-10 мкм с помощью электродугового испарителя углеродной плазмы. Испарение углеродного материала, в качестве которого используют графит, осуществляют импульсным дуговым разрядом от электродугового испарителя углеродной плазмы.
12
13
-3
Плазму для осаждения углеродного материала создают вне области разрядного промежутка дугового разряда в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅10-1⋅10 см длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования 1-5 Гц. При этом скорость напыления АПП достигает 2 А/импульс.
-2
Для повышения качества покрытия нанесения слоя алмазоподобной пленки производят чередованием нанесения алмазоподобного покрытия и обработки слоя алмазоподобного покрытия ионами аргона при давлении 10 Па.
Контроль за технологическими параметрами давления в вакуумной камере и его регулирование в процессе всего цикла нанесения покрытий осуществляют посредством вакуумметра.
Пример 1. В качестве изделия были выбраны образцы из стали марки 12Х18Н10Т. Нанесение алмазоподобного покрытия проводилось двумя способами. В первом случае нанесение покрытия проводилось известным способом: проводилась плазменная очистка изделия ионами аргона в течение 20 мин, далее наносился адгезионный слой титана толщиной 100 нм, наносимого электродуговым катодным распылением при одновременном приложении к изделию постоянного отрицательного напряжения 1000 В, нагревом изделия до температуры 450°C, далее методом импульсного электродугового катодного распыления графита при частоте 5 Гц наносилась алмазоподобная пленка толщиной 4 мкм. Во втором случае, в отличие от первого, на адгезионный слой титана наносился плазменным методом переходный слой смеси титан-углерод толщиной 200 нм с переменной возрастающей концентрацией углерода от 5 до 95 ат. % и далее наносилась алмазоподобная пленка тем же методом, что и в первом случае. Во втором случае толщина алмазоподобной пленки составляла также 2 мкм.
Пример 2. В качестве изделия брали образцы из стали марки 08Х17Н2. На адгезионный слой титана при температуре не выше 400°C наносились плазменным методом переходные слои нитрида титана толщиной 100 нм и смеси титан-углерод толщиной 200 нм, и далее наносилась алмазоподобная пленка тем же методом, что и в первом случае, но с частотой не более 2 Гц и толщиной пленки 2 мкм.
Пример 3. В качестве изделия брали образец из керамики. Нанесение покрытия проводилось при температуре 200°C по следующей схеме: известным способом: проводилась плазменная очистка изделия ионами аргона в течение 20 мин, далее наносилась алмазоподобная пленка толщиной 0,2 мкм и далее наносилась алмазоподобная пленка в атмосфере азота. Толщина пленки составляла 2 мкм, которая затем активировалась ионами азота.
x
Таким образом, согласно предлагаемому способу за один технологический цикл происходит формирование многокомпонентных слоев TiN/ TiC/ CN с применением метода ионно-плазменного нанесения покрытия в атмосфере азота, что придает поверхности изделия износостойкие свойства.
Проведенные испытания доказали достижение заявленного технического результата: за счет нанесения покрытия на основе нитрида углерода повысилась износостойкость поверхности изделия, в результате чего ресурс работы изделия увеличился в 2,5 раза.