СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛЕЙ И ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF ION-PLASMA TREATMENT OF STEEL AND HARD ALLOY PARTS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологическим способам упрочнения и повышения износостойкости изделий из сталей и твердых сплавов.
Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку (заявка 2000109697/02, C23C 14/02, 14/46, публ. 2002.11.10) в среде инертного газа, включающий создание разности электрических потенциалов между подложкой и катодом и очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия с дальнейшим проведением отжига покрытия путем повышения разности потенциалов до 1250-1500 В. В известном способе при очистке поверхности подложки ионный поток и поток испаряющегося материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и наносят покрытие с последующим отжигом неоднократно до требуемой толщины. При этом подложка выполнена из высоколегированного сплава на никелевой основе, а в качестве материала катода используют никель, что, наряду с предварительной очисткой и активацией поверхности подложки ионами инертного газа, повышает прочность сцепления покрытия с подложкой.
Недостатками известного способа являются сложность конструктивной реализации процесса экранирования, а также недостаточная эффективность и длительность процесса ионной очистки поверхности подложки, связанные с малой интенсивностью потока ионов инертного газа и неизбежным прибытием на подложку части ионов материала распыляемого катода, т.к. не все они осаждаются на поверхности ограждающих экранов. Кроме того, способ ограничен по своему применению изделиями из сплавов на никелевой основе, а применение для отжига слоев покрытия разности потенциалов между подложкой и катодом свыше 1000 В приводит к разрыхлению покрытия, вследствие большого коэффициента распыления при значениях энергии ионов более 1000 эВ, и, следовательно, к снижению его качества.
-3
-2
2
-4
-4
2
Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали (патент РФ 2131480, C23C 14/06, 14/48, публ. 1999.10.06), включающий ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа-азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы. В известном способе азотирование, очистку поверхности 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 - 2·10 мм рт.ст., отрицательном напряжении смещения на деталях 300-1000 В и плотности ионного тока 2-8 мА/см в течение 30-90 мин, очистку проводят в плазме инертного газа - аргона при давлении 3·10 - 7·10 мм рт.ст. и плотности тока 3-5 мА/см, также создаваемой генератором газоразрядной плазмы, а нанесение 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 основы 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 сплавами (преимущественно конструкционными сталями с низкой степенью легирования, где наблюдается формирование на поверхности сплошного слоя из нитридов железа), и покрытие из нитрида титана также характеризуется узкой областью защитно-упрочняющего действия в ограниченных условиях эксплуатации изделий. Кроме того, при электродуговом нанесении покрытия в рабочем потоке испаряемого материала неизбежно присутствует микрокапельная фаза, и осаждение капель титана на поверхности снижает прочность сцепления покрытия с подложкой и эффективность его защитно-упрочняющего действия в целом.
Известен способ комбинированной вакуумной ионно-плазменной обработки инструмента (патент РФ №2210621, C23C 14/48, публ. 2003.08.20), выбранный в качестве прототипа. Известный способ включает обработку изделия в газоразрядной плазме, содержащей ионы аргона и водорода, проведение его диффузионного насыщения и нанесение износостойкого покрытия, причем обработку изделия и диффузионное насыщение проводят одновременно в газоразрядной плазме, дополнительно содержащей ионы углерода или углерода и азота.
Использование в способе-прототипе газоразрядной плазмы, дополнительно содержащей ионы углерода или углерода и азота, позволяет при диффузионном насыщении сформировать в поверхностном слое изделия дисперсно распределенные карбиды или карбонитриды и, таким образом, повысить его твердость. Дополнительная бомбардировка ионами инертного газа (аргона), содержащимися в газоразрядной плазме, создаваемой плазмогенератором с накаливаемым эмиттером, способствует повышению скорости диффузии, а значит и увеличению толщины упрочненного поверхностного слоя.
Недостатком способа-прототипа является относительно узкая область его применения, так как не все виды наносимых покрытий обладают химическим сродством с науглероженным или карбонитрированным слоем подложки, и в этом случае диффузионное насыщение может привести даже к уменьшению прочности сцепления покрытия с подложкой. А что касается инструмента, изготовленного из твердого сплава на основе карбидов тугоплавких металлов, то насыщение его углеродом малоэффективно и для повышения твердости поверхностного слоя. К недостаткам способа-прототипа относится и то, что в нем не предусмотрены технологические операции, влияющие на свойства самого наносимого износостойкого покрытия и улучшающие его характеристики.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов, обеспечивающего химическое сродство диффузионно-насыщенного поверхностного слоя изделия с наносимым покрытием, повышение твердости этого поверхностного слоя, улучшение свойств самого покрытия и, в конечном счете, повышение износостойкости всей композиции изделие-покрытие.
Поставленная задача решается тем, способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов включает обработку изделия в газоразрядной плазме, содержащей ионы аргона, проведение диффузионного насыщения изделия и нанесение на него покрытия, но, в отличие от прототипа, диффузионное насыщение проводят в газоразрядной плазме, в которую дополнительно вводят магнетронным распылением мишени-катода ионы компонентов твердого тела, входящих в состав наносимого покрытия, а само покрытие наносят магнетронным распылением мишени-катода с одновременным ассистирующим воздействием газоразрядной плазмы, при этом переход от диффузионного насыщения к нанесению покрытия осуществляют понижением отрицательного потенциала смещения на обрабатываемом изделии.
Другими отличиями от прототипа является то, что:
- газоразрядная плазма, в которой проводят диффузионное насыщение, содержит ионы аргона и азота и формируется газовым плазмогенератором;
- газоразрядная плазма, в которой проводят нанесение покрытия, содержит ионы аргона и азота и формируется газовым плазмогенератором.
-5
-3
-3
-3
-1
-1
2
Предложенный способ осуществляют следующим образом. В камере установки, содержащей источник газоразрядной плазмы (газовый плазмогенератор с накаленным катодом) и магнетронный источник плазмы, создают предварительный вакуум порядка 5×10 мм рт.ст. (6,65×10 Па). Затем через газовый плазмогенератор в камеру вводят аргон до давления 1×10 - 2×10 мм рт.ст. (1,33×10 - 2,66×10 Па); изменением тока накала катода от 0 до 200 А регулируют ток разряда плазмогенератора и плотность газоразрядной плазмы. Обрабатываемому изделию придают вращение, подают на него отрицательный потенциал смещения, плавно изменяя его значение от 50 до 500-600 В, и проводят ионную очистку поверхности. При этом интенсивность ионной очистки и температуру нагрева изделия регулируют током разряда газового плазмогенератора, т.е. плотностью тока ионов аргона - от 0 до 5 мА/см.
По окончании процесса очистки с активацией поверхности и достижении требуемой температуры изделия, не выключая газового плазмогенератора и при том же значении отрицательного потенциала смещения на изделии (500-600 В), поджигают магнетронный разряд, с помощью которого формируют плазменный поток, содержащий ионы распыляемого материала магнетронной мишени-катода. Такая совмещенная технология с дополнительной бомбардировкой прибывающих на подложку атомов распыляемого материала магнетронной мишени ионами инертного газа, генерируемыми газовым плазмогенератором и характеризуемыми высокой плотностью тока, способствует интенсификации процессов диффузии за счет механизмов радиационного стимулирования. Если в состав наносимого впоследствии покрытия входит азот, т.е. синтезируются нитриды, то на данном этапе комбинированного способа в аргон добавляется азот в требуемом по технологии нанесения покрытия соотношении компонентов газовой смеси. Формируемый таким образом диффузионный поверхностный слой изделия обладает химическим сродством по своему элементному составу с наносимым покрытием, повышенной твердостью по сравнению с основой, а значит, способствует более плавному переходу физико-механических свойств от основы к покрытию. Такая квазимонолитность композиции основа-поверхностный слой-покрытие обеспечивает лучшую работоспособность изделия в жестких условиях эксплуатации - при термоциклических воздействиях, ударных нагрузках и т.п.
И наконец, на заключительном этапе комбинированного способа, без разрыва процесса, а только путем снижения отрицательного потенциала на изделии от 500-600 В до 100-50 В, т.е. когда процессы осаждения превалируют над процессами распыления, переходят непосредственно к нанесению покрытия магнетронным распылением. При этом газовый плазмогенератор продолжает функционировать, за счет чего обеспечивается более высокая степень диссоциации и ионизации реакционного газа в газовой смеси аргон-азот, а значит более полное протекание реакций ионно-плазменного синтеза на подложке и улучшение свойств наносимого покрытия. В частности, проведенные исследования на покрытиях разного состава (Ti-N, Ti-B-Si-N, Ti-B-C-N) показали, что в случае магнетронного нанесения с ассистирующим воздействием газового плазмогенератора их твердость на 10-30% выше, чем покрытий, осажденных по обычной технологии магнетронного напыления без плазмогенератора. Реализация способа может быть иллюстрирована следующими примерами.
Пример 1.
2
2
2
-3
-3
-5
-1
-3
-l
-3
-l
В качестве подложки использовали образцы стали 40Х и твердого сплава ВК6-ОМ. Образцы предварительно пришлифовывали и полировали алмазной пастой зернистостью 1/0. После предварительной химической очистки в бензине и ректификационном спирте образцы загружали в вакуумную камеру от установки ННВ-6.6-И1, в которой были смонтированы дуомагнетрон с двумя дискообразными распыляемыми мишенями диаметром 120 мм и газовый плазмогенератор с накаливаемым катодом. Дуомагнетрон и газовый плазмогенератор расположены в одной плоскости с углом между центральными осями 120°. Образцы закрепляли в центре поворотного стола установки и им задавалось вращение с угловой скоростью 2 об/мин. В качестве материалов двух распыляемых магнетронных мишеней использовали титановый сплав ВТ-1-0 и СВС-композит состава TiBSi. Камеру вакуумировали до давления 5×10 мм рт.ст. (6,65×10 Па), затем через газовый плазмогенератор напускали аргон до давления 1,5×10 мм рт.ст. (2×10Па), поджигали газовый разряд и, регулируя ток накала вольфрамового катода, устанавливали ток газового разряда 20 А. На поворотный стол с закрепленными образцами подавали первоначальное отрицательное напряжение (потенциал смещения) 50 В, которое в течение 10 минут повышали до 600 В и далее поддерживали 20 минут при этом значении, обеспечивая очистку и активацию поверхности образцов. После этого зажигали магнетронный разряд на мишени Ti-B-Si с током разряда 2А; ток разряда газового плазмогенератора повышали до 50 А при том же значении давления аргона в вакуумной камере 1,5×10 мм рт.ст. (2×10Па), и при напряжении смещения 600 В в течение 10 минут проводили обработку образцов по совмещенной технологии. Далее аргон заменяли на газовую смесь Ar+25% N, подаваемую в газовый плазмогенератор при давлении 1,5×10 мм рт.ст. (2×10 Па), поджигали разряд на второй магнетронной мишени, выполненной из титанового сплава ВТ-1-0 и устанавливали его значение 6А. При указанных значениях токов разрядов распыляемых одновременно титановой и композитной мишеней (6 и 2 А соответственно), токе газового разряда 50 А и напряжении смещении 600 В, в течение 10 минут проводили финишную стадию диффузионного насыщения поверхности образцов, предшествующую предполагаемому нанесению покрытия состава Ti-B-Si-N магнетронным ассистированным напылением. После диффузионного насыщения специально не проводили нанесения покрытия, а образцы исследовали с целью изучения свойств модифицированного поверхностного слоя. Проведенный оже-спектральный анализ на приборе «Шхуна-2» подтвердил факт диффузии составляющих элементов в поверхностный слой образцов. Глубина диффузии титана - самого тяжелого элемента с наибольшим атомным радиусом из использованной комбинации атомов - составила 0,6 мкм. Диффузия более легкого элемента - азота - зафиксирована на большей глубине - до 1 мкм. Измерения микротвердости образцов, проведенные на приборе «Neophot-2», показали следующие результаты. Твердость поверхностного слоя стали 40Х после диффузионного комбинированного насыщения повысилась с 1,7 ГПа до 2,8 ГПа, а твердость поверхностного слоя сплава ВК6-ОМ - с 18 ГПа до 28 ГПа. Таким образом, экспериментально подтверждено достижение цели этапа диффузионного насыщения в предлагаемом варианте магнетронного распыления материала мишени-катода с одновременным воздействием на атомы, прибывающие к поверхности подложки, ионов газовой смеси аргона и азота, создаваемых газовым плазмогенератором.
Пример 2.
2
2
2
-5
-3
-3
-l
-3
-1
-3
-l
Согласно заявленному способу на установке, описанной в примере 1, комбинированной ионно-плазменной обработке были подвергнуты фрезы ФКЦ 4134 диаметром 8 мм, изготовленные на ОАО «Томский инструментальный завод» из импортного твердого сплава группы К30 (отечественные аналоги - сплавы ВК-8, ВК-4). Одновременно в качестве контрольного образца для измерения твердости покрытия после комбинированной обработки в вакуумную камеру вместе с фрезами был помещен пришлифованный и полированный образец твердого сплава ВК6-ОМ. Перед размещением в вакуумной камере фрезы и контрольный образец промывали в бензине и протирали спиртом. Фрезы и контрольный образец твердого сплава устанавливали в гнезда поворотного стола установки ННВ-6.6-И1, расположенные по окружности. В процессе комбинированной обработки они совершали вращательные перемещения относительно дуомагнетрона, газового плазмогенератора (2 об/мин) и собственной оси. Так же, как и в примере 1, в качестве материалов распыляемых мишеней дуомагнетрона использовали титановый сплав ВТ-1-0 и СВС-композит состава TiBSi. Также камеру вакуумировали до давления 5×10 мм рт.ст. (6,65×10 Па), затем через газовый плазмогенератор напускали аргон до давления 1,5×10 мм рт.ст. (2×10Па), поджигали газовый разряд и устанавливали ток газового разряда 20 А. На фрезы и контрольный образец подавали отрицательное напряжение (потенциал) смещения 50 В, которое в течение 10 минут повышали до 600 В. Общее время ионной очистки составляло 30 минут. После очистки зажигали магнетронный разряд на мишени Ti-B-Si. Ток магнетронного разряда составлял 2А; ток разряда газового плазмогенератора повышали до 50 А. Давления аргона в вакуумной камере, так же как и напряжение смещения, оставались прежними и составляли соответственно 1,5×10 мм рт.ст. (2×10 Па), и 600 В. При этих параметрах процесса обработка инструмента и контрольного образца осуществлялась в течение 10 минут. По истечении этого времени аргон заменяли на газовую смесь Ar+25% N при том же рабочем давлении в камере 1,5×10 мм рт.ст. (2×10Па) и поджигали разряд на второй магнетронной мишени, выполненной из титанового сплава ВТ-1-0. При значениях токов разрядов распыляемых одновременно титановой и композитной мишеней 6А и 2А соответственно, токе газового разряда 50 А и напряжении смещении 600 В, проводили финишную стадию диффузионного насыщения фрез и контрольного образца в течении 10 минут. По прошествии этого времени, напряжение смещения снижали с 600 до 50 В и в течение 120 минут проводили нанесение покрытия состава Ti-B-Si-N при ранее использовавшихся значениях токов магнетронного разряда титановой и композитной мишеней (6А и 2А). При этом ток ассистирующего газового разряда повышали с 50 до 100 А и поддерживали это значение в течение всех 120 минут процесса нанесения покрытия. После окончания комбинированной обработки газовый плазмогенератор и магнетроны выключались, подача газовой смеси прекращалась, а фрезы и контрольный образец остывали в вакуумированной камере в течение 3-х часов.
Измерения микротвердости, проведенные на контрольном образце после комбинированной ионно-плазменной обработки при нагрузке на алмазную пирамиду 0,2 Н, показали увеличение его твердости с 18 ГПа до 44 ГПа. Испытания фрез, обработанных по комбинированному способу, проводили в сравнении с исходными (необработанными) в специализированной лаборатории ОАО «Томский инструментальный завод» на универсальном горизонтально-фрезерном станке модели 6Т83Г. Фрезы испытывались в жестких условиях резания методом фрезерования уступа в образцах закаленной стали 45 (52-56 HRC) по ГОСТ 1050-88 в соответствии с методикой №2-2006 г. КТО ООО «ТИЗ». При испытаниях применялись СОЖ ПОА-1 и следующие режимы резания: число оборотов - 1600 об/мин, подача - 125 мм/мин, глубина фрезерования - 1 мм. Результаты испытаний показали, что при использовании фрез, упрочненных по комбинированному способу, фактическая длина фрезерования составила от 4890 до 7141 мм, в то время как при использовании исходных, не упрочненных фрез, этот показатель равнялся 2500-3000 мм. Средняя стойкость фрез, упрочненных по предлагаемому способу, повысилась в 2,27 раза.
Пример 3.
2
2
2
-5
-3
-3
-1
-3
-1
На установке, использованной в примерах 1 и 2, по предлагаемому способу комбинированной ионно-плазменной обработки, были упрочнены фрезы концевые диаметром 8 мм, изготовленные на ОАО «Томский инструментальный завод» из быстрорежущей стали Р6М5. Одновременно в качестве контрольного образца для измерения твердости после комбинированной обработки в вакуумную камеру вместе с фрезами был помещен пришлифованный и полированный образец этой же закаленной стали. Предварительную химическую очистку и установку фрез с образцом в вакуумную камеру осуществляли так же, как и в примере 2. Но, в отличие от примера 2, в комбинированном процессе использовали одну мишень дуомагнетрона, изготовленную из СВС-композита состава TiBC. Ввиду угрозы отпуска остролезвийных кромок пера закаленной стали Р6М5, режимы и время процесса так же отличались от использованных в примере 2. Камеру вакуумировали до давления 5×10 мм рт.ст. (6,65×10 Па), затем через газовый плазмогенератор напускали аргон до давления 1,0×10 мм рт.ст. (1,33×10 Па), поджигали газовый разряд и устанавливали ток газового разряда 10 А. На фрезы и контрольный образец подавали отрицательное напряжение (потенциал) смещения 50 В, которое в течение 60 минут повышали до 500 В. После очистки зажигали магнетронный разряд на мишени Ti-B-C и аргон заменяли на газовую смесь Ar+25% N. Ток магнетронного разряда составлял 2А; ток разряда газового плазмогенератора оставался прежним - 10 А. Прежними оставались давление в вакуумной камере - 1,0×10 мм рт.ст. (1,33×10 Па) - и напряжение смещения - 500 В. При этих параметрах процесса диффузионное насыщение фрез и контрольного образца осуществляли в течение 20 минут. По истечении этого времени, напряжение смещения снижали с 500 до 50 В, а ток ассистирующего газового разряда повышали с 10 до 50 А. Нанесение покрытия состава Ti-B-C-N проводили в течение 10 минут при ранее использовавшемся значении тока магнетронного разряда - 2А. Во время всех стадий комбинированного процесса по прибору «Смотрич-7» контролировалась температура нагрева фрез, и ее значение не превышало 400-450°С (для исключения отпуска инструментальной основы). После окончания комбинированной обработки газовый плазмогенератор и магнетрон выключались, подача газовой смеси прекращалась, а фрезы и контрольный образец остывали в вакуумированной камере в течение 2-х часов.
Измерения микротвердости, проведенные на контрольном образце стали Р6М5 после комбинированной ионно-плазменной обработки при нагрузке на алмазную пирамиду 0,2 Н, показали увеличение его твердости с 8,5 ГПа до 11,6 ГПа. Испытания фрез, обработанных по комбинированному способу, так же, как и в примере 2, проводили в сравнении с исходными (необработанными) в специализированной лаборатории ОАО «Томский инструментальный завод» на универсальном горизонтально-фрезерном станке модели 6Т83Г. Фрезы испытывались методом фрезерования уступа в образцах стали 45 по ГОСТ 1050-80 в соответствии с методикой №3-2006 г. КТО ООО «ТИЗ». При испытаниях применялись СОЖ 5%-ный раствор эмульсола в воде и следующие режимы резания: число оборотов - 1600 об/мин, подача - 200 мм/мин, припуск обработки - 2 мм. Сравнительные испытания показали, что при использовании фрез, упрочненных по комбинированному способу, фактическая длина фрезерования составила в 6440 мм, в то время как при использовании исходных, не упрочненных фрез, этот показатель равнялся в среднем 4480 мм. Стойкость фрез, упрочненных по комбинированному ионно-плазменному способу, повысилась в 1,44 раза.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет обеспечить плавный переход состава от основы изделия к наносимому покрытию, повысить твердость и износостойкость изделий, изготовленных из разных материалов. Причем, изменяя режимы и время комбинированной ионно-плазменной обработки, включая вид наносимых покрытий, можно расширить область его применения для различных инструментальных и конструкционных сплавов, видов термообработки изделий (закалки и отпуска) и условий их эксплуатации.