Спосіб формування багатошарового зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі

Спосіб формування багатошарового зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі, що включає іонно-плазмове азоту C2 2 (13) 1 3 85341 ній вакуумній камері у плазмі дугового і газового розряду з накаленим катодом в одному технологічному циклі, утворюючи на поверхні деталі тришарову стр уктуру, при цьому азотування проводять при тиску азоту 5*10(-3)-2*10(-2)мм.рт.ст., негативній напрузі зміщення на виробах 300-1000В, густині іонного струму 2-8мА/см2 упродовж 30-90хв., очистку проводять у плазмі інертного газу аргону при тиску 3*10(-4)-7*10(-4)мм.рт.ст. і густині іонного стр уму 3-5мА/см2, а нанесення нітриду титану здійснюють зі швидкістю 2мкм/год упродовж 6090хв., при одночасній роботі генератора газорозрядної плазми і дугового випарника при негативній напрузі зміщення на виробі 300-600В, струмі електродугового випарника 50-200А, тиску реактивного газу-азоту 3*10(-4)-2*10(-3)мм.рт.ст. Утворений при азотуванні проміжний шар зменшує градієнт механічних властивостей між твердим покриттям і матеріалом виробу. Покриття нітриду титану Т і N має дещо вищу адгезію з проміжним шаром внаслідок близьких стр уктурних станів і фізико-хімічних властивостей. У зв’язку з тим, що процес ведуть у єдиному технологічному циклі, виключається вірогідність забруднення поверхні виробів і скорочується загальна тривалість обробки. Недоліком описаного способу є наявність недостатньої когезії між окремими елементами утвореної композиції шарів, існуванням, так званого «дифузійного шару» і тонкого РVД шару. Особливо це стосується ускладнень в забезпеченні когезії між компаундом нітридної зони, що містить нітриди «Е» і «У» типу отримані в процесі іонного нітрування і «дифузійним» шаром оскільки залишкові гази, особливо кисень і окис вуглецю, приводять до утворення так званих чорних плівок, тобто сажового осадку на поверхні виробів. Для виключення цього шару у наведеному способі використовується іонне травлення (очистка) поверхні упродовж 90хв., що значно затягує у часі технологічний процес і що особливо важливо приводить до зростання дефектів на поверхні виробів і призводить до зростання її шероховатості. Крім того поверхні виробів мають недостатню чистоту поверхні оскільки домішки або раніше адсорбований шар (наприклад окислів) змінюють енергетичні умови на поверхні, що в свою чергу, змінює умови адсорбції наступних шарів і впливає на адгезійні властивості і структур у утвореного конденсату Т і N, які є недостатньо високими. В основу винаходу покладено задачу такого удосконалення способу формування зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі при якому за рахунок одночасного з проведенням йонно-плазмового азотування (ІПА)здійснюють бомбардування поверхні виробів йонами міді від плазмового генератора із мідним катодом при температурі від 300 до 550 (градусів С), величині змінної (50-10000Гц) і постійної негативної напруги на виробі від 300 до 600В, тиску реактивного газуазоту 0,1-1Па, впродовж 20-60хв., густині іонного струму 3-7мА/см(2), за цим очистку проводять у плазмі інертного газу аргону і плазмового генератора із зміщення на виробі 300-600В, тиску аргону 0.1-1Па на протязі 5-15хв., а нанесення нітриду 4 титану Т і N проводять 20-60хв., при швидкості осадження 3мкм/год., при негативній напрузі зміщення на виробі 50-150В, струмі електродугового випарника із титановим катодом 100-200А і тиску реактивного газу 1*10(-1)-3*10(-1)Па. При пропонованих режимах забезпечується можливість прискорення реактивної дифузії азоту у серцевину виробу за рахунок часткового миттєвого локального розігріву і прискореної імплантації азоту за рахунок одночасної дії плазмових потоків іонів міді і азоту, при цьому дія високої напруги на деталі протидіє осадженню іонів міді на вироби, уся енергія іде на розпилення поверхневого шару. Також особливо важливо для подальшого нанесення захисного чи декоративного покриття Т і N то що процес росту так званих чорних плівок призупиняється. Як відомо чорні плівки з одного боку призупиняють реактивну дифузію, а з другого роблять неможливим без хіміко-механічного або тривалого іонного впливу на деталь, подальшого РVД осадження Т і N. Бомбардування iонами міді для прискорення IПА і очистки деталі вибрано тому, що як відомо йони міді не утворюють довгоживучих нітридів і тому вся енергія плазми іде на очистку поверхні від чорних плівок і прискорення дифузії азоту у тіло деталі за рахунок локального розігріву. Для вирішення поставленої задачі у спосіб формування багатошарового зносостійкого покриття на поверхні виробу з конструкційної сталі, що включає йонно-плазмове азотування в середовищі реакційного газу азоту, очистку поверхні деталі і нанесення нітриду титану із плазмової фази згідно винаходу одночасно з проведенням йонноплазмового азотування в одній вакуумній камері здійснюють бомбардування поверхні виробів iонами міді від плазмового генератора із мідним катодом при температурі від 300 до 550(С) і величині змінної (50-10000)Гц і постійної негативної напруги на виробі 300-600В, тиску реактивного газу азоту 0.1-1Па, впродовж 20-60хв., очистку проводять у плазмі інертного газу аргону і плазмового генератора із мідним катодом і негативній напрузі зміщення на виробі 300-600В, тиску аргону 0.1-1Па, на протязі 5-15хв., а нанесення нітриду титану T i N проводять 20-60хв., при швидкості осадження 3мкм/год., при негативній напрузі зміщення на виробі 50-150В, струмі електродугового випарника із титановим катодом 100-200А і тиску реакційного газу азоту 1*10(-1)-3*10(-1)Па. Причинно-наслідковий зв’язок між пропонованою сукупністю ознак і технічними ефектами, які досягаються внаслідок їх реалізації полягає у наступному: оскільки процес ведеться в одній вакуумній камері, а також завдяки методичній очистці виробів від чорних плівок у самому процесі ІПА на атомно-молекулярному рівні поверхня виробів знаходиться у стані на якому забезпечується найбільший можливий рівень когезії між захисним покриттям Т і N проміжним азотовим прошарком (дифузійним шаром) і серцевиною виробу (деталі). У процесі ІПА з бомбардуванням iонами міді набуває прискорення реактивна дифузія азоту у поверхневий (дифузійний)шар деталей шляхом часткового миттєвого локального розігріву (температура 5 85341 у точці імплантації може бути на декілька десятків і сотень градусів вища ніж середня температура поверхні). Особливо важливого значення набуває те, що при одночасній дії іонізованої азотної плазми і плазми генератора із мідним катодом, поверхня виробу залишається достатньо очищеною, що значно збільшує когезію між перехідним азотовим шаром і наступним РVД шаром нітриду титану, який осаджується в одному технологічному циклі, в одній і тій самій вакуумній камері. Приклад конкретної реалізації пропонованого способу. На першому етапі попередньо термооброблені і очищені шляхом ультразвукової кавітації вироби з конструкційної сталі 40 діаметром 40мм і товщиною 10мм., завантажуються до вакуумної камери модернізованої установки ВУ-1100. Вироби нагрівають зі швидкістю 10(градусів)/хв. До 250(С)і здійснюють йонно-плазмову очистку при напрузі на виробах - 500В і іонному струмі 0.5мА/см.(2). Далі проводиться йонно-плазмове азотування при температурі близько 550(градусів С) і густині іонного струму 5мА/см., на вироби подають напругу змінного струму частотою 50гц змінюючи її від 150 до 600В, а також негативну напругу 200-500В постійного струму, одночасно включають плазмовий генератор із мідним катодом із параметрами: струм 80-100А, додатковий службовий газ-аргон при тиску 0.1Па. Процес ІПА ведуть при температурі 550(С) і тиску реакційного газу азоту 0.5Па. Через 60хв. припиняють подачу реакційного газу, знімають Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 змінну напругу і залишають у роботі плазмовий генератор із мідним катодом на час 10хв., за цим проводять нанесення захисного покриття нітриду титану методом РVД зі швидкістю 3мкм/год., упродовж 60хв. при негативній напрузі постійного струму - 150В на виробі, струмі електродугового випарника із титановим катодом 180А, тиску реактивного газу азоту 2*10(-1)Па. У результаті проведених досліджень було виявлено, що при обробці новим способом на поверхні виробів був сформований модифікований шар послідовно зв’язаних між собою зон. Азотистий ферріт (а-фаза) має повільно зростаючу міцність від середини 1.8 до поверхні 6-7Гпа протяжністю біля 80мкм, над ним поміщається зона нітриду заліза F4N - фаза завдовжки приблизно 6мкм., і міцністю 8.0Гпа, а над ним шар нітрид титана міцністю 19,0Гпа і товщиною приблизно 3мкм. Як було показано вище при реалізації пропонованої сукупності ознак досягається максимальна адгезія покриття до поверхні виробу, повністю виключається можливість забруднення перехідного шару між дифузійним і РVД шаром, виключається необхідність у хіміко-механічному поліруванні, крім того процес значно скорочується у часі за рахунок проведення всього технологічного циклу в одній вакуумній камері, окрім того значно підвищуються антикорозійні властивості за рахунок багатошарової, очищеної на атомно-молекулярному рівні, поверхні виробу з конструкційної сталі. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601