Спосіб формування зносостійкого покриття

Спосіб формування зносостійкого покриття на поверхні виробів з конструкційної сталі, який включає їх завантаження у вакуумну камеру, її вакуумування до тиску приблизно 2·10-2 Па, нагрів виробів у вакуумі до температури 200-250°С протягом 10-15 хв., потім проводять плазмову очистку і активацію поверхні виробів у суміші газів: водню (Н2), аргону (Аr) та азоту (N2) у співвідношенні 3Н2:Аr:N2 при одночасному накладанні на вироби напруги змінного струму 500-1500 В, потім ведуть іонно-плазмове азотування виробів, який відрізняється тим, що іонно-плазмове азотування проводять протягом 90-120 хв. при парціальному тиску газів 1-2 Па, після чого проводять іонноплазмову обробку виробів із нанесенням титану протягом 3-5 хв., потім наносять хром, одночасно подаючи реактивний газ азот (N2) із швидкістю 2-4 мкм/год. при тиску 2-4·10-1 Па, забезпечуючи одержання зносостійкого покриття TiCrN. Винахід відноситься до фізико-хімічної, іонно-плазмової обробки поверхні деталей і може бути використаний в машинобудуванні. Для багатьох видів масової продукції поверхневе зміцнення є характерною альтернативою об'ємного легування. Відомі способи збільшення твердості поверхневого шару деталей, виготовлених з конструкційних сталей шляхом загартування, цементування, азотування й т.п. Останнім часом все більшого застосування набувають методи іонноплазмового азотування й карбонітрування, суть яких полягає у створенні нітридних шарів заліза й легуючих добавок у поверхневому шарі деталей [1], при цьому плавно підвищується твердість від серцевини до поверхні товщиною від 20 до 200 мкм, а також підвищується корозійна стійкість. Відомі також способи вакуумного іонноплазмового осадження захисних покриттів товщиною від 1 до 7 мкм, що складаються з нітридів і карбідів перехідних металів: наприклад TiN, TiC, TiCrN, TiAlN та ін. За допомогою цих надтвердих покриттів (HV від 2000 до 3500) значно збільшується зносостійкість деталей [2]. Однак відомо [3], що при формуванні тонких плівок (1-7 мкм) нітридів перехідних металів на поверхні сталевих деталей за допомогою електродугового або магнетронного розпилення в середовищі службового або реактивного газів існує чітка границя в значеннях твердості покриття й матеріалу виробу. При достатній пластичності робочої поверхні, на яку наносять зносостійке покриття, і її достатньої твердості, при підвищених питомих навантаженнях вона в процесі тертя прогинається й руйнується під дією сили тиску в контакті з контртілом. Присутність досить глибоких (~200-400 мкм) перехідних шарів, з поступово наростаючою твердістю від серцевини до поверхні, між матеріалом виробу й супертвердим покриттям дозволяє усунути утворення різкої границі, тим самим демфуючи градієнт твердості різнорідних матеріалів. Відомий спосіб нанесення зносостійкого покриття на поверхні виробу зі сталі, у тому числі, на деталі машин і інструмент, що включає іонноплазмове азотування у середовищі реактивного (19) UA (11) 77613 (13) (21) a200511678 (22) 08.12.2005 (24) 15.12.2006 (46) 15.12.2006, Бюл. № 12, 2006 р. (72) Золотухін Олександр Віталієвич, Мустяца Олег Никифорович, Посвятенко Едуард Карпович, Дмитрієв Микола Миколаєвич, Золотухін Олександр Олександрович (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (56) UA 7454 U, 15.06.2005 UA 74749 A, пріор., 23.12.2004, публ. 16.01.2006 RU 2241782 C1, 10.12.2004 RU 2012693 C1, 15.05.1994 RU 2062817 C1, 27.06.1996 JP 2149661 A, 08.06.1990 JP 6081137 A, 22.03.1994 JP 2236269 A, 19.09.1990 DE 3936550 C1, 18.04.1991 C2 1 3 77613 4 газу - азоту, очищення поверхні деталі й нанесенверхневого шару, оголюються дефекти та ня нітриду титану із плазмової фази (Патент Росії дислокаційні порушення у кристалічній решітці, що RU 2013463, 30.05.1994) [4]. Спосіб дозволяє при наступному осадженні нітридних покриттів по створити перехідну зону між покриттям і перше: знижує адгезійні властивості покриття, а по дифузійними шарами самого виробу. друге: утворює як би підшар із низькою До недоліків способу слід віднести те, що азомікротвердістю, що у кінцевому рахунку знижує тування й нанесення покриття роблять у двох якість покриття. різних технологічних циклах. При цьому особливо В основу винаходу поставлено задачу шляхом слід зазначити труднощі в забезпеченні достатньої використання суттєвих ознак запропонованого когезії між компаундом нітридної зони, що містить способу збільшити експлуатаційну стійкість детанітриди є, у типу, отримані в процесі іонного азолей машин, які зазнають високі питомі навантатування, і шарами покриття, які отримуються далі ження в процесі тертя, шляхом інтенсифікації спопри нанесенні нітридів перехідних металів елексобу формування зносостійкого покриття та тродуговим абомагнетронним способом. Це обустворення на поверхні деталей з конструкційної мовлено тим, що в процесі іонного азотування на сталі твердої зносостійкої тришарової структури. поверхні деталі утворюються так звані чорні плівки Поставлена мета досягається тим, що іонноабо сажовий осад. Для усунення цього шару плазмове азотування виробу з утворенням прибігають до проміжної операції механічної обпроміжних а, є і у шарів, нанесення адгезійного робки, тобто поліруванню. підшару, очищення й активація поверхні, нанесенНайбільш близьким до пропонованого є ня нітридних покриттів здійснюється в одному спосіб, у якому в порівнянні з попереднім обидва технологічному циклі в плазмі, інтенсифікованого технологічних процеси іонно-плазмове азотування термічною емісією електронів, реактивного газовой нанесення іонно-плазмового покриття нітридом го розряду й дозованого частково реактивного перехідного металу Ті, здійснюються в одній дугового розряду електродугових або магнетронкамері (Патент Росії RU 2131480) [5]. них випарників із частками з металів перехідної Спосіб здійснюється таким чином. На першому групи : Ті, Cr, Ni і ін. етапі після завантаження виробів у вакуумну каСпосіб здійснюється таким чином. На першому меру проводять іонно-плазмове азотування протяетапі після завантаження виробів у вакуумну кагом 30-90 хв. у плазмі, створюваної генератором меру проводять вакуумування до тиску 2·10-2 Па, газорозрядної плазми при тиску реактивного газу потім нагрів виробів у вакуумі до температури ~ 250°С протягом 10-15хв., після чого проводять N2(2,5·10-3 2·10-2 мм рт. ст. і щільності іонного плазмову очистку і активацію поверхні у суміші струму J=2 8 мА/см2. Вироби під час азотування газів H2 (водень), Аr (аргон) и N2 (азот) у перебувають під негативним зсувом 300-1000 В по співвідношенні ~ 3Н2:Аr:N2 при накладанні на вивідношенню до заземленої робочої камери й за роби напруги змінного струму величиною від 500 рахунок іонного бомбардування їхня температура до 1500 В и одночасно включають термоемісійний підтримується постійною в діапазоні температур (або електронно-променевий) генератор для 450-500°С. У результаті на їхній поверхні максимальної активації газової плазми. Після доутворюється багатофазна область, що сягнення температури на виробах у межах 500 складається з насиченого азотом заліза ( -фаза) 560°С, термоемісійний генератор и генератор із твердістю, що плавно змінюється із глибини вигазової плазми шляхом регулювання струму і наробу до поверхні. Над нею розташовується шар пруги переводять у режим стабілізації температунітриду заліза Fe4N ( -фаза ), що має високу ри. Парціальний тиск газів у попередній пропорції твердість (7-8 гПа). Завдяки тому, що азотування встановлюють на рівні ~ 1 Па і протягом 90-120 хв. проводиться при більш низьких тисках, чим у проводять іонно-плазмове азотування. Після азотліючому розряді, товщина є - фази (вищий нітрид тування вимикають плазмовий і термоемісійний заліза) через зниження концентрації азоту генератори и проводять іонно-плазмову обробку зменшується і її можна видалити в єдиному деталей від першого електродугового випарника (у технологічному циклі за допомогою іонного траввакуумі) із титановим катодом протягом 3 5 хв., а лення, не прибігаючи до механічного полірування. потім вмикають другий електродуговий випарник з Довжина шарів залежить від щільності іонного хромовим катодом и подають реактивний газ струму (струму розряду) і часу обробки. Після азоазот (N2) і, виконуючи цю операцію 30-90хв., нанотування роблять плазмове іонне травлення й сять покриття TiCrN при тиску у камері 2 4·10-1 Па активацію поверхні в аргоновій плазмі, чистого азоту із швидкістю 2-4 мкм/год. При цьому створюваної плазмогенератором шляхом зміни на вироби подають напругу змінного струму велигазу в камері, при тиску 3·10-3 7·10-2 мм рт. ст. і 2 чиною від 50 до 250 В, а корпус вакуумної камери щільності іонного струму J=3 5 мА/см протягом заземлюють на весь час процесу. 20-40 хв. На заключному етапі наносять нітрид Температура оброблюваних деталей при титану TiN - покриття при негативній напрузі азотуванні, плазмовій обробці й нанесенні покритзміщення на деталі 300-600 В. Розпилення титатя не перевищує ~ 560°С, і не викликає жолобленнового катоду на цьому етапі роблять електродуня оброблюваних деталей, при цьому швидкості говим випарником протягом 60 - 90 хв. при струмі нагрівання й охолодження деталей регулюються дуги 50 - 200 А, із швидкістю росту 2 мкм/год. при термоемісійним і плазмовим генераторами в метиску 3·10-1 2·10-3 мм рт. ст. жах від З до 10 °С/хв. У результаті такого Основним недоліком прототипу є те, що під здійснення способу за рахунок низького залишкочас тривалого (до 40 хв.) іонного травлення вого тиску (високого вакууму) на початку процесу суттєво порушується регулярність структури по 5 77613 6 (2-10-2 Па), невисокого тиску (~ 1 Па) реактивних и сокою зносостійкістю. Утворений азотуванням службових газів під час азотування и нанесення проміжний шар зменшує градієнт механічних влапокриття утворення чорних плівок майже не стивостей між надтвердим (~ 2500 HV) TiCrN, повідбувається, а плазменна попередня обробка у криттям твердим шаром Fe4N (~ 1200 HV) і парах титанового випарника приводить до максидифузійним шаром ( -фази ~600-800 HV). TiCrN мального очищення поверхні перед нанесенням покриття має високу адгезію із проміжним шаром укріпнюючого і зносостійкого покриття TiCrN, навнаслідок близьких структурних станів і фізикоприклад, шляхом заміни матеріалу катодів хімічних властивостей. випарників можемо наносити любі моно- або Зносостійкість поверхонь визначали в мультікомпозиційні покриття, які є необхідними). порівнянні зі зразками, обробленими по стандартПри цьому процес реактивної дифузії [2], що них методах зміцнення зазначеної сталі (загартувідбувається при азотуванні сталі у системі Fe - N, ванням і іонним азотуванням у тліючому розряді). має три стійкі фази: У результаті проведених досліджень було виявлеа) -фаза - нітрид перемінного складу з гексано, що при обробці пропонованим способом на гональною щільноупакованою решіткою, що поверхні зразків був сформований модифікований описується формулою Fe2N, яка відповідає максишар, що складається із трьох послідовно розташомальному вмісту N; ваних і адгезивно міцно зв'язаних між собою зон. б) твердий розчин азоту у -залізі із ГЦК Насичене азотом залізо ( -фаза) має плавно зрорешіткою; стаючу твердість від серцевини (120-200 HV) до поверхні (600 - 800 HV) довжиною 120 - 200 мкм. в) твердий розчин азоту в -залізі з ОЦК Над нею розташована область нітридів заліза решіткою. Потім при повільному охолодженні уFe4N і легуючих добавок у сталі Сr і Ni - в основфаза випробовує евтектоїдний розпад, перетвоному у - фаза товщиною 8-12 мкм із твердістю до рюючись у суміш і -фаз нітриду Fe4N. 1200 HV, а над нею надтверде покриття TiCrN з У роботі [2] зроблене припущення, що нітриди мікротвердістю ~ 2500 HV. не відразу утворюються на поверхні металу в Джерела інформації результаті хімічної реакції з азотом, а спочатку 1. Чаттерджи-Димер Р. и др. Азотирование и азот розчиняється в а - залізі, причому карбонитрирование. Пер. с немец. Под ред. Супоконцентрація його в поверхневому шарі поступово ва.- Металлургия. - 1990.- С.225. підвищується від серцевини до границі поверхні. 2. Технология тонких плѐнок. Под ред. Л. МайКоли а - фаза насичується до межі, у ній виникасела. Пер. с англ. Под ред. М.И. Елинсона.- T.I.ють кристали стійкої при температурі -560°С у M.: Сов.радио.- 1974.- 664 с. фази, яка потім утворює суцільний шар. У цьому 3. Рыбаков Л.М. и др. Трение и износ // Мешарі при подальшому насиченні виникають криталловедение и термическая обработка. - Т. 19. стали -фази. Чергування фаз у дифузійному шарі Итоги науки и техники. - ВИНИТИ АН СССР.- М.при реактивній дифузії звичайно відповідає 1985. діаграмі стану взаємодіючих елементів. 4. Патент России RU 2013463 С1, С23, С14/06 Таким чином, створюється тришарова струкот 30.05.1994 г. тура, що складається з надтвердого зносостійкого 5. Патент России RU 2131480 С1, С23, С14/06, покриття TiCrN, товщиною у декілька мкм (наприк14/48 от 10.06.1999 г. лад 5 мкм за одну годину) на робочій поверхні виробу, проміжного шару Fe4N - з підвищеною твердістю глибиною ~ 10-20 мкм, дифузійного шару ( -фази) довжиною до 200 мкм, що володіє ви Комп’ютерна верстка М. Клюкін 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