Багатошарове зносостійке покриття, отримане іонно-плазмовим методом

1. Багатошарове зносостійке покриття, отримане іонно-плазмовим методом, що осаджується на поверхню різального, штампового або іншого інструменту і містить послідовно розташовані ша ри нітридів і/або карбідів, і/або карбонітридів, і/або оксидів перехідних або тугоплавких металів, яке відрізняється тим, що згадані шари чергуються з прошарками з чистого пластичного металу, причому нижній підшар також виконано з чистого пластичного металу. 2. Покриття за п.1, яке відрізняється тим, що як чистий пластичний метал воно містить кобальт. 3. Покриття за п.1, яке відрізняється тим, що товщина згаданих шарів складає 1-Змкм, а товщина прошарків і підшару чистого пластичного металу 0,1 мкм. Корисна модель відноситься до машинобудування, а саме до нанесення покриттів і може бути використана у тих випадках, коли необхідно виготовити іонно-плазмовим методом різного виду різальний, штамповий або ін. інструмент, який працює при високих навантаженнях. В даний час одношарові і багатошарові покриття на основі тугоплавких металів знайшли широке застосування в різних областях машинобудування. Вони істотно підвищують термін служби і експлуатаційні якості різного роду інструмента, що піддається серйозним навантаженням. В останні роки значні дослідження були спрямовані на процес вакуумного осадження захисних покриттів на різальний інструмент. Незважаючи на величезні зусилля багатьох дослідників підвищити зносостійкість інструмента, що ріже, за рахунок використання покриттів на основі нітридів, карбідів, карбонітридів, оксидів і т.д. в одношаровому або багатошаровому варіантах, одержуваних шляхом фізичного осадження у вакуумі, подальше зростання ресурсу роботи такого інструмента не тільки припинено, але і досягло граничного рівня це в однаковій мірі відноситься не тільки до однофазних, але і до багатофазних систем, включаючи покриття градієнтного складу. Відоме найбільш близьке за технічною суттю до винаходу багатошарове зносостійке покриття, отримане іонно-плазмовим методом, [див. патент РФ №2061090, МПК6 С23С14/32, опубл.27.05.1996р. Бюл.№15], що осаджується на поверхню різального, штампового або іншого інструменту і містить послідовно розташовані шари нітридів і/або карбідів і/або карбонітридів і/або оксидів перехідних або тугоплавких металів, причому для підвищення адгезії між поверхнею інструмента і покриттям на поверхні інструмента додатково нанесено шар з цирконію. Експериментально доведено, що існує деяка критична товщина таких покриттів, яка складає якнайбільше 7-Юмкм, перевищення якої приводить до зменшення міцності покриттів або повного їх самовільного руйнування після охолодження до кімнатної температури через високий рівень внутрішніх напружень, що виникають унаслідок розходження КТР матеріалу покриття і матеріалу інструмента. В основу винаходу покладено завдання такого удосконалення багатошарового зносостійкого покриття, отриманого іонно-плазмовим методом, при якому за рахунок того, що шари нітридів і/або карбідів і/або карбонітридів і/або оксидів перехідних або тугоплавких металів чергуються з прошарками з чистого пластичного металу, причому нижній підшар також виконано з чистого пластичного металу забезпечується повна релаксація внутрішніх напружень, що виникають у покритті як при охолодженні після їхнього одержання, так і внутрішніх напружень, що утворяться при нагріванні й охолодженні інструмента, що ріже, з таким покриттям при його експлуатації і, як наслідок, можливість значного збільшення загальної товщини покриття. (22)24.11.2004 00 (О О) 6804 Для вирішення цього завдання у багатошаровому зносостійкому покритті, отриманому іонноплазмовим методом, що осаджується на поверхню різального, штампового або іншого інструменту і містить послідовно розташовані шари нітридів і/або карбідів і/або карбонітридів і/або оксидів перехідних або тугоплавких металів, згідно корисної моделі згадані шари чергуються з прошарками з чистого пластичного металу, причому нижній підшар також виконано з чистого пластичного металу, оптимальним при цьому є, коли як чистий пластичний метал воно містить кобальт, а товщина згаданих шарів складає 1-Змкм, при товщині прошарків і підшару чистого пластичного металу - 0,1 мкм. Завдяки наявності прошарків з чистого пластичного металу і нижнього підшару виконаного також з чистого пластичного металу забезпечується зменшення внутрішніх напруг, які виникають внаслідок різниці коефіцієнтів термічного розширення (КТР) шарів покриття і матеріалу інструмента, внаслідок чого збільшуються міцність багатошарового покриття в цілому, а також його стійкість до температурних коливань, які виникають як при охолодженні після його одержання, так і внутрішніх напружень, що утворяться при нагріванні й охолодженні інструмента, що ріже, з таким покриттям при його експлуатації. Експериментально доведено, що одним з найкращих матеріалів для прошарку в смислі ефекту релаксації є кобальт, що не утворює з азотом і вуглецем, які входять до складу вищезгаданих шарів нітридної або карбідної фаз, відповідно. Одержання описаних багатошарових покриттів було здійснено на модернізованій вакуумній плазменно-дуговій установці типу ВУ-2МБС із використанням спеціально розробленого 3-х канального програматора для керування технологічним процесом. Одержання конденсатів багатошарових композицій TiN-Co, TiC-Co, TiCN-Co, TiAIN-Co, TiNТіС-Со здійснювалося з використанням двох електродугових випарників. Матеріалом катода був Ті або сплав Ті+АІ і Co. Як реакційні гази застосовували азот і пропан бутан. Матеріал підкладки нержавіюча сталь. Тік дуги складав 100А, напруга зсуву на підкладці 30В. Попереднє нагрівання підкладок відбувалося за рахунок нагрівачів і процесу конденсації з іонним бомбардуванням. Температура підкладок контролювалася оптичним пірометром «Смотрим». Фрактографічне дослідження структури мікрослойних конденсатів проводилися на поперечних шліфах методом растрової мікроскопії на мікроскопі мікроаналізаторі «CamScan - 4DV», основне призначення якого складається у відтворенні за допомогою електроннопроміневої трубки тривимірного зображення поверхні зразка за загальноприйнятою методикою детектування відбитих електронів. Корисна модель проілюстрована фігурами 1-4, де представлено пропоноване багатошарове зносостійке покриття, отримане іонно-плазмовим методом з яких видно результати мікроструктурних досліджень, причому багатошарове зносостійке покриття містить послідовно розташовані шари нітридів і/або карбідів і/або карбонітридів і/або оксидів перехідних або тугоплавких металів 2, згадані шари чергуються з прошарками 1 з чистого пластичного металу, причому нижній підшар З, який примикає до корпусу інструмента 4 з нержавіючої сталі, також виконано з чистого пластичного металу. На всіх структурах видно чітке регулярне чергування шарів 2 (товщиною 1-Змкм) зміцнюючих фаз з тонкими релаксуючими прошарками 1 (товщиною 0,1 мкм), наприклад з кобальту. Стехіометрія одержуваних нітридних, карбідних і карбонітридних фаз підтверджена рентгенографічно за допомогою апарата «Дрон-5». Характер піків інтенсивності на рентгенограмах свідчить про відсутність помітних внутрішніх напружень у конденсатах. Найбільш разючим виявився той факт, що в багатошаровому варіанті покриттів при загальній товщині ЗОмкм мікротвердість покриттів TiN-Co і TiCN-Co складає 40-50Гпа, що практично в 2 рази перевищує мікротвердість аналогічних покриттів в одношаровому варіанті. Результати зведено у таблиці. Таблиця Матеріал покриття 1 TiN Переміщення інден- Навантаження інденМодуль пружГлибина Твердість Прошарок тора тора ності 2 3 4 7 5 6 Disp.(nm) Load(mN) Cont.D.nm EGPa HGPa 30,0 225,5 177,8 600 30,90 193,3 30,0 141,8 726 (Co) 45,68 181,8 30,0 130,5 52,57 825 200,2 30,0 150,0 717 43,05 TiCN 221,1 209,6 179,1 203,3 30,0 30,0 30,0 30,0 167,2 151,7 123,6 147,5 540 549 778 622 34,41 40,69 57,65 44,25 (Co) TiAIN 228,3 225,6 30,0 30,0 173,9 170,2 506 506 32,13 33,34 (Co) 6804 Продовження таблиці 1 2 222,6 225,5 3 30,0 30,0 4 167,6 170,5 5 521 511 6 34,26 33,24 7 TiN-TiC 234,7 254,2 219,2 236 30,0 30,0 30,0 30,0 177,8 197,4 165,0 180 460 407 544 470 30,93 25,74 35,21 30,62 (Co) У порівнянні з прототипом мікротвердість аналогічних покриттів зросте якнайменше у 1,7-2,2 разів. Нанесення багатошарового покриття на ін струмент значно підвищує мікротвердість його поверхні, внаслідок чого підвищується експлуатаційна стійкість і строк служби інструмент при високих навантаженнях. «3**» Фіг.2 ФІГ.1 V Фіг.3 Комп'ютерна верстка Л.Питвиненко Фіг.4 Підписне Тираж 28 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 - 4 2 , 01601 4