Спосіб отримання комбінованих покрить тугоплавких металів

Изобретение относится к способам повышения поверхностной твердости, прочности и износокоррозионной стойкости поверхностей конструктивных элементов, в частности, к электроискровому легированию с последующим азотированием в тлеющем разряде в безводородных средах и может быть использовано в машиностроении и других отраслях народного хозяйства для повышения долговечности деталей и инструмента. Известен способ получения комбинированных покрытий в такой последовательности, когда деталь сначала подвергают химико-термической обработке - азотированию, после чего на ее поверхность с помощью электроискрового легирования наносят ряд материалов (Снежков В.А., Полоскин Ю.В., Лазаренко Н.И. Восстановление эксплуатационных свойств деталей при капительном ремонте // Электронная обработка металлов. - Кишинев: Штиинца, 1977. - С.83 - 86). Недостаток способа заключается в том, что азотированием упрочняется только подложка (основной материал) и не используются высокие физико-механические и эксплуатационные свойства нитридов тугоплавких металлов. Известен способ упрочнения поверхности деталей методом напыления в вакууме нитридов тугоплавких металлов на установках типа "Пуск" "Була т" (ННВ-6.6И1, ТУ 16 - 681.013 - 84), в котором процесс нанесения износостойких покрытий на инструменты можно разделить на несколько периодов: подготовительный, ионная очистка тлеющим разрядом, ионная очистка и нагрев, нанесение покрытий/охлаждение изделий и выгрузка. Подготовительный период включает в себя следующие операции: подготовка инструмента к упрочнению, загрузка его в вакуумную камеру, вакуумная откачка. При подготовке изделий к нанесению износостойких покрытий, к поверхности предъявляются особые требования, т.к. различные загрязнения приводят к резкому ухудшению характеристик покрытия. Высокая степень чистоты поверхности обрабатываемых изделий является непременным условием получения качественных покрытий. В рабочую камеру установки загружают изделия предварительно нагретые до 120 - 200°C. Вакуумная откачка проводится до давления 6,65 × 103Па (5 × 10-5мм рт.ст.). Ионная очистка изделий тлеющим разрядом способствует удалению загрязнений, окисной пленки и влаги с поверхности изделий. При этом используется азот особой чистоты газообразный с содержанием кислорода не более 0,001% ГОСТ 9293 - 74. В период ионной очистки и нагрева изделие нагревается до требуемой температуры. Для изделий из быстрорежущих сталей верхний предел ионного нагрева 550°C, для изделий из твердого сплава - 600 - 800°C. При температуре ниже 330 - 350°C нет прочного сцепления напыленного слоя с основой. По достижении требуемой температуры изделий проводится этап осаждения (напыления) покрытий. Процесс осаждения покрытий предназначен для нанесения упрочняющего покрытия на обрабатываемый инструмент в атмосфере легирующего газа. В процессе напыления происходит конденсация на подложку испаренного металла катода, взаимодействующе го с атомами легирующего газа, впускаемого в объем камеры с помощью автоматического натекателя, что приводит к образованию на поверхности покрытий нитрида титана. Время осаждения зависит от толщины покрытия, материала и других факторов. После окончания процесса осаждения покрытия изделие охлаждают в вакуумной камере. Недостатками способа являются: малая адгезивная прочность покрытия с подложкой и резкое изменение свойств на границе покрытие - основа, что приводит к отслаиванию покрытия в процессе эксплуатации при воздействии больших контактных нагрузок; небольшая толщина покрытий, а также очень высокие требования к качеству подготовки поверхности перед напылением. В основу изобретения поставлена задача повышения долговечности деталей и инструмента за счет увеличения поверхностной твердости и износокоррозионной стойкости деталей машин и инструмента на основе использования энергосберегающей экологически чистой технологии. Задача решается тем, что в способе получения комбинированных покрытий, включающем операции подготовки поверхности, создания потока нейтрального газа, электроискрового легирования, азотирования в тлеющем разряде в безводородных средах, электроискровое легирование поверхности тугоплавкими металлами осуществляют при напряжении 40 - 110В, емкости разряда 60 - 810мкф, частоте разряда 10 50Гц, а затем производят притирку поверхности с помощью микрошкурки до требуемого класса шероховатости с последующим азотированием в среде тлеющего разряда при температуре 500 - 850°C и образованием нитридов тугоплавких металлов, внедренных в поверхность диффузионным методом, причем электроискровое нанесение тугоплавкого металла на поверхность производится в среде нейтрального газа. Технология способа получения комбинированных покрытий заключается в следующем. На поверхность упрочняемой детали электроискровым способом наносится слой тугоплавкого металла. Процесс электроискрового легирования варьируется напряженим 40 - 110В емкостью разряда 60 - 810мкф, частотой разряда 10 - 50Гц и параметры его зависят от выбранного тугоплавкого металла, марки упрочняемого материала. После нанесения тугоплавкого металла упрочняемая поверхность шлифуется до требуемого класса шероховатости. Затем деталь помещается в камеру, где азотируется в тлеющем разряде в безводородной среде при температуре 500 - 850°C в зависимости от использованного тугоплавкого металла. При этом наблюдается повышение поверхностной микротвердости малоуглеродистых сталей на 4000 5000МПа, и достижение микротвердости высокоуглеродистых и легированных сталей соответственно 9000 11000МПа и 15000 - 20000МПа. Получаемое таким способом покрытие имеет дискретный характер размещения нитридов тугоплавких металлов, обусловленный электроискровым легированием. Дискретный характер покрытия облегчает доступ смазывающей среды к трущимся поверхностям, способствует накоплению смазки в рабочей зоне, а также способствует эвакуации изношенных частиц во впадинах покрытия. Пример 1. На кольцевые образцы из стали 40Х Æ 43 ´ 25мм и исходной микротвердостью 2100МПа наносили тугоплавкий металл титан (Ti) электроискровым способом при следующи х условиях: емкости разряда C = 600мкФ, напряжении на катодах U = 70В, частоте разряда 50Гц под потоком нейтрального газа N2, его расход составлял 6 - 8л/мин. Толщина полученного покрытия составляла 40 - 50мкм, микротвердость 5500МПа. После электроискрового легирования поверхность шлифовалась с помощью микрошкурки до остаточной толщины покрытия 10 - 15мкм. Затем образцы подвергались азотированию в тлеющем разряде на установке созданной в лаборатории при температуре 650°C. После азотирования на образцах проводили рентгеноструктурный анализ, который подтвердил наличие на поверхности комбинированных покрытий TiW. При этом была зафиксирована микротвердость упрочненной поверхности на участках электроискрового легирования, она составила 12000 - 15000МПа. Для исследования износостойкости комбинированных покрытий были проведены сравнительные испытания образцов из стали 40Х упрочненных комбинированными покрытия и только азотированием в тлеющем разряде. Испытания проводились в абразивной среде: на образцы наносилась консистентная смазка "Литол-200", в которую добавлялось 50% объемных алмазной пасты зернистостью 40 - 60мкм, после чего образцы устанавливались в камеру, куда заливалось 30мл масла И20. Скорость скольжения составляла V = 1,24м/с, удельная нагрузка 40кг/см 2. Проведенные испытания показали, что износостойкость комбинированного покрытия выше износостойкости поверхности упрочненной только азотированием в тлеющем разряде в 5 раз. Пример 2. На кольцевые образцы из стали 38X2МЮА Æ 43 ´ 25мм наносили тугоплавкий металл титан Ti электроискровым способом при следующи х условиях: емкости разряда C = 660мкф, напряжении на катодах U = 60В. частоте разряда 40Гц потоком нейтрального газа N2, его расход составлял 6 - 8л/мин. Толщина полученного покрытия составляла порядка 40мкм, микротвердость 8000МПа. После электроискрового легирования поверхность шлифовалась с помощью микрошкурки до остаточной толщины 10 - 15мкм. Затем образцы подвергались азотированию в тлеющем разряде при температуре 630°C. Микротвердость поверхности варьировалась в пределах 15000 - 20000МПа на участках электроискрового легирования. Исследование сравнительной износостойкости образцов из стали 38Х2МЮА упрочненных комбинированными покрытиями и только азотированием в тлеющем разряде проводили по методике, описанной в примере 1. Износостойкость комбинированного покрытия выше износостойкости только азотированного покрытия стали 38Х2МЮА в 1,5 - 2 раза. Исходная микротвердость образца составляла 3000МПа. Пример 3. На образцы из стали 40Х наносили тугоплавкий металл цирконий (Zr) электроискровым способом при следующих условиях: емкости разряда C = 150мкф, напряжении на катодах U = 90В, частоте разряда 50Гц. Толщина полученного покрытия составляла порядка 30 - 35мкм, микротвердость 7000МПа. После электроискрового легирования поверхность шлифовалась с помощью микрошкурки до остаточной толщины 10 - 15мкм. Затем образцы подвергалась азотированию в тлеющем разряде притемпературе 750°C. Микротвердость поверхности упрочненной комбинированным покрытием на основе циркония составляла 11000МПа. Исходная микротвердость поверхности стали 40Х составляла 2100МПа.