Спосіб формування зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі

УКРАЇНА (19) UA (11) 74749 (13) C2 (51) МПК (2006) C23C 14/06 C23C 14/48 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ФОРМУВАННЯ ЗНОСОСТІЙКОГО ПОКРИТТЯ НА ПОВЕРХНІ ВИРОБУ З КОНСТРУКЦІЙНОЇ СТАЛІ 1 2 азотування в середовищі реактивного газу - азоту, який відрізняється тим, що перед іонноплазмовим азотуванням проводять іонноплазмове покриття поверхні виробу моно- або мультикомпозиційним шаром чистих нітридоутворюючих металів, при цьому на виріб подають напругу змінного або постійного струму негативним полюсом величиною 50-150 В при тиску реактивного газу 4.10-2 - 8.10-2 Па зі швидкістю осадження 1-3 мкм/год протягом 30-90 хв. при температурі 120200оС, після чого температуру підвищують зі швидкістю 3-10оС/хв до 550оС і проводять іонноплазмове азотування, при цьому на виріб подають напругу змінного струму частотою 50-10000 Гц або постійного струму негативним полюсом величиною 300-600 В при тиску реактивного газу 1-10 Па. Винахід відноситься до плазмової хімікотермічної обробки поверхонь виробів з конструкційної сталі і може бути використане у машинобудуванні. Відомий спосіб формування зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі, в тому числі на деталі машин [див. патент РФ 2013464 СІ, МПК 6 С23С8/36, С23С12/02 опубл. 30.05.94р.], що включає очищення поверхні виробу і йонно-плазмове азотування в середовищі реактивного газу - азоту з наступним нанесенням нітриду титану з плазмової фази. Цей спосіб дозволяє утворити перехідну зону між покриттям і матеріалом виробу. До недоліків способу слід віднести те, що два етапи обробки плазмове азотування і нанесення нітриду титану проводять у двох різних камерах, тому необхідно перевантажувати вироби з камери в камеру між етапами технологічного процесу, у зв'язку з чим вироби піддаються дії навколишнього середовища з високою можливістю їхнього забруднення. Крім того ця обставина ускладнює і збільшує тривалість процесу в цілому. Відомий також найбільш близький за технічною суттю до винаходу спосіб формування зносо стійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі [див. патент РФ №2131480, МПК 6 С23С14/06, С23С14/48, опубл. 10.06.99р., Бюл. №16], що включає очищення поверхні виробу і йонно-плазмове азотування в середовищі реактивного газу - азоту з наступним нанесенням нітриду титану з плазмової фази, при цьому очищення поверхні виробу і йонно-плазмове азотування, а також нанесення нітриду титану здійснюють в одній вакуумній камері у плазмі дугового і газового розряду з накаленним катодом у єдиному циклі, утворюючи на поверхні деталі тришарову структуру, при цьому азотування проводять при тиску реактивного газу 5*10-3-2*10-2мм рт.ст., негативній напрузі зміщення на виробах 300...1000В і густині Донного струму 2...8мА/см2 упродовж 30...90хв., очистку проводять у плазмі інертного газу-аргону -4 -4 при тиску 3*10 ...7*10 мм рт.ст. і густині струму 2 3...5мА/см , а нанесення нітриду титану здійснюють зі швидкістю 2 мкм/год упродовж 60...90 хв. при одночасній роботі генератора газорозрядної плазми і дугового випарника при негативній напрузі зміщення на виробі 300...600В, струмі електродугового випарника 50...200А, тиску реактивного (19) UA (11) 74749 (13) C2 (21) 20041210628 (22) 23.12.2004 (24) 16.01.2006 (46) 16.01.2006, Бюл. № 1, 2006 р. (72) Золотухін Олександр Віталійович, Золотухін Олександр Олександрович, Насов Ілія , MK (73) Золотухін Олександр Віталійович, Золотухін Олександр Олександрович (56) SU 1790624 A3, 23.01.1993 RU 2241782 C1, 10.12.2004 RU 2146724 C1, 20.03.2000 JP 06081137 A, 22.03.1994 GB 2261227 A, 12.05.1993 WO 2004/057051 A1, 08.07.2004 (57) Спосіб формування зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі, що включає очищення поверхні виробу і іонно-плазмове 3 74749 4 газу 3*10-4...2*10-3мм рт.ст. Утворений при азотуступному. ванні проміжний шар зменшує градієнт механічних Завдяки проведенню перед йонно-плазмовим властивостей між твердим покриттям і матеріалом азотуванням йонно-плазмового покриття поверхні виробу. TiN покриття має дещо вищу адгезію з виробу моно- або мультикомпозиційним шаром проміжним шаром внаслідок близьких структурних чистих нітридоутворюючих металів при пропоностанів і хімічних властивостей. У зв'язку з тим, що ваних режимах відбувається ріст нітридів (карбоніпроцес ведуть у єдиному технологічному циклі тридів) як у цьому нанесеному тонкому шарі поквиключається вірогідність забруднення поверхні риття, так і у поверхневому шарі покриття виробу, виробів і скорочується загальна тривалість обробтовщина якого складає 20...200мкм. Суттєвим у ки. цьому процесі є те, що при нанесенні чистих меНедоліком описаного способу єнаявність неталів у вакуумі на поверхню виробу попередньо достатньої когезії між окремими елементами утвоочищеної на атомно-молекулярному рівні (наприреної композиції шарів, існування так званого "диклад йонно-плазмовою бомбардировкою) і термофузійного шару" (тонкого PVD шару). Особливо це обробленої досягається максимально можлива стосується ускладнень в забезпеченні когезії між когезія, тобто взаємозв'язок поверхневого шару виробу з нанесеним моно- або мультикомпозиційкомпаундом нітридної зони, що містить нітриди і ним шаром чистих нітридоутворюючих металів при типу, отримані в процесі йонного нітрування і пропонованих режимах, внаслідок чого забезпечу"дифузійним" шаром оскільки залишкові гази, осоється утворення 30...50% пористості при товщині бливо кисень і окис вуглецю, можуть призвести до покриття від 1 до 5мкм. Регулювання величини утворення чорних плівок, тобто до сажевого осадпористості досягається шляхом зміни швидкості ку на поверхні виробів. Для виключення цього шаосадження (конденсації) покриття чистих металів і ру необхідно застосовувати механічну обробку введення незначної кількості реактивного газу полірування. Крім того поверхні виробів мають азоту (тиск реактивного газу 4*10-2–8*10-2Па). При недостатню чистоту поверхні оскільки доміси або меншій швидкості осадження спостерігається біраніше адсорбований шар (наприклад окислів) льше поглинання азоту і структура, що утворюєтьзмінюють енергетичні умови на поверхні, що, в ся, менш регулярнадому такі шари більш пористі. свою чергу, змінює умови адсорбції наступних шаВ порах цієї структури знаходиться певна кількість рів і впливає на адгезійні властивості і структуру азоту, завдяки чому відбувається процес реактивутвореного конденсату, які є ще недостатньо висоної дифузії і утворення шарів нітриду титану в безкими. посередньо в процесі йонно-плазмового азотуванВ основу винаходу покладено завдання такого ня, тому відпадає необхідність в проведенні цієї удосконалення способу формування зносостійкого технологічної операції як такої. При цьому процес покриття на поверхні виробу з конструкційної стареактивної дифузії в системі Fe - N має три стійкі лі, при якому за рахунок нанесення перед йоннофази: плазмовим азотуванням йонно-плазмового пока) -фаза - нітрид перемінного складу з гексариття поверхні виробу моно- або мультикомпозигональною щільно упакованою решіткою, який моційним шаром чистих нітридоутворюючих металів жна описати формулою Fe 2 Ν , яка відповідає при пропонованих режимах забезпечується можмаксимальному вмісту азоту. ливість утворення шарів нітриду титану в процесі йонно-плазмового азотування шляхом реактивної б) твердий розчин азоту в - залізі з г.ц.к. решідифузії, внаслідок чого підвищується когезія і заткою, безпечується максимальна адгезія покриття до в) твердий розчин азоту в - залізі з о.ц.к. реповерхні виробу, покращення чистоти поверхні. шіткою. Для вирішення цього завдання у способі форПри повільному охолодженні -фаза піддаєтьмування зносостійкого покриття на поверхні вирося евтектоїдному розпаду і перетворюється у субу з конструкційної сталі, що включає очищення міш і нітрид Fe4Ν , причому нітриди не зразу поверхні виробу і йонно -плазмове азотування в утворюються на поверхні металу внаслідок хімічсередовищі реактивного газу - азоту, згідно винаної реакції з азотом, а спочатку розчинюються в ходу перед йонно - плазмовим азотуванням прозалізі, причому концентрація його у поверхневому водять йонно-плазмове покриття поверхні виробу шарі поступово підвищується. Коли -фаза насимоно- або мультикомпозиційним шаром чистих чується до межі у ній виникають кристали стійкої нітридоутворюючих металів, при цьому на виріб при цій температурі - фази, яка потім утворює подають напругу перемінного або постійного струсуцільний шар. У цьому шарі при подальшому наму негативним полюсом величиною 50...150В при сиченні виникають кристали -фази. Чергування -2 -2 тиску реактивного газу 4*10 –8*10 Па зі швидкісфаз у дифузійному шарі при реактивній дифузії тю осадження 1...3мкм/год упродовж 30...90хв. при зазвичай відповідає діаграмі стану взаємодіючих температурі 120...200°С, після чого температуру елементів, приблизно той же порядок утворення підвищують зі швидкістю 3...10°С /хв до 550°С і нітридів спостерігається і в нанесеному дифузійпроводять йонно-плазмове азотування, при цьому ному шарі, саме що і забезпечує максимальну адна виріб подають напругу перемінного струму часгезію шарів до виробу, утворення нітридів відбуватотою 50...10000Гц або постійного струму негативється як у нанесеному моноабо ним полюсом величиною 300...600В при тиску реамультикомпозиційному шарі, так і у дифузійному ктивного газу 1...10Па. шарі. Приклад конкретної реалізації пропонованоПричинно-наслідковий зв'язок між пропоноваго способу. ною сукупністю ознак і технічними ефектами, які На першому етапі попередньо термооброблені досягаються внаслідок її реалізації, полягає у на 5 74749 6 і очищені шляхом ультразвукової кавітації вироби ридоутворюючих металів має 40% пористість при з конструкційної сталі завантажують до вакуумної товщині покриття від 1 до 5мкм. Регулювання векамери, нагрівають до 250°С і здійснюють йонноличини пористості досягають шляхом зміни швидплазмову очистку, після чого проводять йоннокості осадження (конденсації) покриття чистих меплазмове покриття поверхні виробу моно- або муталів і введення незначної кількості реактивного -2 льтикомпозиційним шаром чистих нітридоутворюгазу - азоту (тиск реактивного газу 6*10 ). При меючих металів, взятих з ряду: Ті, AI, Cr, Ni, Mo, W ншій швидкості осадження спостерігається більше товщиною 1-5мкм, при цьому на виріб подають поглинання азоту і структура, що утворюється, напругу перемінного або постійного струму негаменш регулярна, тому такі шари більш пористі. тивним полюсом величиною 100В при тиску реакОскільки процес ведеться в одній і тій самій вакутивного газу 6*10-2 Па зі швидкістю осадження умній камері, а також завдяки попередній очистці 2мкм/год упродовж 60хв. при температурі 160°С, виробів на атомно-молекулярному рівні досягаєтьпісля чого температуру підвищують зі швидкістю ся найбільш можливий рівень когезії. Як показали 7°С/хв до 550°С, потім у цій же самій камері пропроведені нами дослідження, при реалізації проводять йонно-плазмове азотування, при цьому на понованої сукупності ознак досягається максимавиріб подають напругу перемінного струму частольна адгезія покриття до поверхні виробу, повністою 50Гц або постійного струму негативним полютю виключається можливість забруднення сом величиною 450В при тиску реактивного газу отриманого покриття, тому відпадає необхідність в 6Па. Внаслідок проведених технологічних операнаступній його механічній обробці (поліруванні), цій спостерігається ріст нітридів (карбонітридів) як висока чистота поверхні, крім того процес значно у нанесеному покритті з моно- або мультикомпоспрощується, тому, що не треба здійснювати назиційного шару чистих нітридоутворюючих метанесення нітриду титану як окрему технологічну лів, так і у поверхневому шарі виробів. Покриття з операцію моно- або мультикомпозиційного шару чистих ніт. Комп’ютерна верстка О. Воробей Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601