Спосіб нанесення багатошарових нанопокриттів

Реферат: Спосіб зміцнення виробів нанесенням багатошарових покриттів вакуумно-плазмовим методом для підвищення зносостійкості виробів, шляхом попередньої активації оброблюваної поверхні, нанесення двошарового покриття. Для забезпечення експлуатаційної стійкості зміцнення здійснюють нанесенням багатошарових нанопокриттів з одного боку тонкостінного інструменту вакуумно-плазмовим методом з використанням негативного ВЧ зсуву на підкладці. UA 100201 U (12) UA 100201 U UA 100201 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудування та переробного харчового виробництва, зокрема, для зміцнення тонкостінних ножів в кондитерському виробництві. Відомо спосіб нанесення багатошарового зносостійкого покриття на вироби із залізних та титанових сплавів [1], що включає підготовку його поверхні, нанесення на неї шару металу і шару хімічної сполуки металу. Підготовку поверхні виробу здійснюють поліруванням до чистоти Ra  0,08 з подальшим очищенням октадециламіном. Як шар металу наносять перехідний метал IV-VI груп періодичної системи Менделєєва, в якості хімічної сполуки - нітрид або карбід, а між шарами металу і хімічної сполуки наносять додатковий шар з оксиду металу, нанесеного в якості першого шару. Нанесення шарів здійснюють іонно-вакуумним напиленням в єдиному замкнутому циклі з об'ємним нагріванням виробу до температури 400-500 °C. На підготовлену поверхню виробу послідовно наносять шар титану, проміжний шар оксиду титану та шар нітриду титану. Недоліком даного способу є те, що потрібна спеціальна підготовка поверхні (полірування до чистоти Ra  0,08) перед нанесенням покриття. Дану умову не можливо здійснити для реальних виробів. Також відомо спосіб формування зносостійкого покриття на поверхні виробів з конструкційної сталі [2], що включає іонно-плазмове азотування в середовищі реактивного газу азоту, очищення поверхні деталі і нанесення нітриду титану з плазмової фази. При цьому азотування, очищення поверхні і нанесення нітриду титану здійснюють в одній вакуумній камері в плазмі дугового та газового розрядів з розжареним катодом в єдиному циклі, утворюючи на поверхні деталей тришарову структуру, при цьому азотування проводять при тиску реактивного -3 -2 газу 510 -210 мм рт. ст., при негативній напрузі зсуву на деталях 300-1000 В та щільності 2 іонного струму 2-8 мА/см протягом 30-90 хв. Очищення проводять в плазмі інертного газу -4 -4 -2 аргону при тиску 310 -710 мм рт. ст. та щільності струму 3-5 мА/cм , а нанесення нітриду титану здійснюють зі швидкістю 2 мкм/год. протягом 60-90 хв. при одночасній роботі генератора газорозрядної плазми та дугового випарника при негативній напрузі зсуву на деталі 300-600 В, -4 -3 струму електродугового випарника 50-200 А, тиску реактивного газу 310 -210 мм рт. ст. Даний спосіб, не може бути використаний для тонкостінного інструменту, оскільки нанесення покриття протягом 60-90 хв. призведе до перегріву, знеміцненню ріжучої кромки та порушенню планшетності тонкостінного ножа. Також відомо спосіб нанесення зносостійкого іонно-плазмового покриття на поверхні пар тертя, що складається з азотованого підшару основного матеріалу товщиною більше 50 мкм та безпосередньо зносостійкого шару з нітриду цирконію ZrN товщиною 5-10 мкм. Очистку, розігрів поверхні, азотування, активацію азотованого підшару проводять методом іонного бомбардування з плазмового потоку, який створюють джерелом газової плазми та направляють на поверхню. Азотування поверхні та нанесення шару нітриду цирконію здійснюють за один цикл вакуумної обробки [3]. Недоліком даного способу є низька адгезія між покриттям та підкладкою, а при такій товщині зміцненого шару воно схильне до викришування, що не припустимо в харчовому переробному виробництві. Найбільш близьким до заявленого методу є спосіб підвищення стійкості ріжучого інструменту нанесенням зносостійких покриттів вакуумно-плазмовим методом [4]. Як нижній шар наносять карбонітрид титану TiCN, в якості проміжного шару - нітрид титану-цирконію TiZrN, а як верхній шар - нітрид титану TiN. У тришаровому покритті для фрезерування з високими швидкостями різання наносять шари, рівні 2 мкм, при загальній товщині покриття 6 мкм. Одночасно в даному патенті при тришаровому покритті для фрезерування з низькими швидкостями різання наносять шари, рівні 1,5 мкм, при загальній товщині покриття 4,5 мкм. Недоліком цього способу є те, що при обробці і нанесенні покриття великої товщини, тонкостінні вироби будуть сильно перегріватися і втрачати пружні властивості, що призведе до формування підвищеної частки залишкового аустеніту, швидкому затупленню і загину ріжучої кромки при експлуатації. Запропонований метод ефективний для змінного інструменту в машинобудуванні. При подрібненні горіхів в кондитерському виробництві використовуються тонкостінні дискові ножі товщиною 0,64 мм зі сталі 65Г та 20 × 13 (у зоні стовщеного обідка - 0,9 мм). Основні причини їх виходу з експлуатації: викришування та пластична деформація леза (загин кромки), втомна пошкоджуваність середини ножа. Задачею корисної моделі є спосіб підвищення експлуатаційної стійкості (втомної міцності, корозійної стійкості, збільшення ресурсу ріжучої кромки) тонкостінних виробів (ножів) нанесенням покриття за рахунок циклічної обробки вакуумно-плазмовим методом для запобігання перегріву та формування багатошарового нанопокриття. 1 UA 100201 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується тим, що в способі зміцнення тонкостінних ножів проводили обробку нанесенням нанопокриття з одного боку всієї поверхні, забезпечуючи тим самим і ефект самозаточування при експлуатації. Виріб піддають попередній шліфовці зміцнюючої поверхні й обробці для знежирення, очищення та додаткової активації перед напиленням ВЧ розрядом в потоці іонів аргону. В процесі очищення ріжучого інструменту рекомендуються такі -1 параметри розряду в середовищі аргону при тиску Р=110 Торр: негативний зсув на підкладці має становити -500 В, час очищення – 10 хв. Зміцнення проводили на прикладі покриття товщиною 2,0-3,0 мкм, що складається з CrN (азот - є зміцнюючою фазою, що формує нітриди хрому). Його наносили з використанням установки типу "Булат-6" методом PVD, при якому формується покриття шляхом прямої конденсації матеріалу, який випаровується, з використанням негативного ВЧ зсуву на підкладці. -2 Для напилення покриття у вакуумній камері було створено тиск аргону не нижче Р=110 Торр. Для кращої адгезії покриття CrN з ріжучим інструментом наносили підшар Сr товщиною 10-20 нм (протягом 3 хв). Для отримання нанопокриття CrN вакуумну камеру заповнювали азотом -1 чистотою 99,99 % та забезпечували тиск Р=110 Торр. Негативний зсув на підкладці становив Uсмеш=-60 В. Параметри вакуумної дуги: струм дуги хромового катода – 100 А, Іфок=0,7 А. Для запобігання перегріву тонкостінних виробів циклічно наносили шари нанопокриття товщиною кожного до 900 нм. Час нанесення одного шару покриття CrN становив – 10 хв., а пауза між ними - 3 хв. Загальний час нанесення покриття досягав 30 хв. для формування багатошарового нанопокриття загальною товщиною - 2,0-3,0 мкм. Після цього дисковий ріжучий інструмент слід охолоджувати у вакуумній камері до кімнатної температури. Промислові випробування підтвердили збільшення експлуатаційної стійкості ріжучого інструменту з багатошаровим нанопокриттям Сr+CrN (нанесене циклічно) більше ніж в 50 разів порівняно з дисковими ножами з вихідного матеріалу (сталь 65Г після гартування та відпуску) та в 2,5 разів порівняно з дисковими ножами з нанопокриттям Сr+CrN, товщиною 900 нм, нанесеним за один цикл. В результаті запропонованого вакуумно-плазмового методу на прикладі нанесення багатошарового нанопокриття, що складається з хрому та азоту в співвідношенні 60-70 % та 3040 % відповідно, зменшено схильність до втомної пошкоджуваності та підвищено зносостійкість ріжучої кромки дискового ножа із забезпеченням ефекту самозаточування при експлуатації. Проведення зміцнюючої та попередньої перед напиленням обробки ВЧ розрядом забезпечено підвищення корозійної стійкості інструменту. Опір втомної пошкоджуваності проявляється у відсутності тріщин при експлуатації в середній частині ножа з покриттям, які мають місце у різальному інструменті без покриття після 8 годин роботи. Збільшення долі (>40 %) азоту або вуглецю у покритті сприяє формуванню грубих зміцнюючих фаз (нітридів), схильних до викришування. При вмісті цих компонентів менше ніж 30 % не досягається достатнього рівня твердості. Підвищення зносостійкості забезпечується завдяки однорідності по перетину покриття, що підтверджується показаннями нанотвердості, рівень якої складає 25,0 ГПа. Розкид в показниках покриття близький та при одношаровому і багатошаровому не перевищує 29,11 % та 25,83 % відповідно. Така зміцнююча обробка перешкоджає корозійній пошкоджуваності. Збільшення ресурсу ріжучого інструменту при циклічній обробці забезпечується опором пластичної деформації леза ножа з покриттям CrN, який збільшується у 96,5 разів порівняно з вихідним станом та не призводить до формування частки залишкового аустеніту в основному металі ножа, що має місце для одноразової обробки при нанесенні шару товщиною 2,0-3,0 мкм. За кольорами мінливості можна судити про температуру нагрівання ріжучої кромки інструменту. Отримані результати підтверджують, що максимальний нагрів при циклічному способі з рекомендованими параметрами обробки нанесення покриття на ніж зі сталі 65Г, відбувається на глибину леза 0,3 мм та відповідає 200-240 °C, у той час як іонне бомбардування в один цикл за цей же проміжок часу призводить до перегріву вище 600 °C не тільки різальної кромки, а й усього ножа товщиною 0,64 мм. Температурний інтервал циклічної обробки визначається вихідним матеріалом оброблюваного ножа та складом покриття, що наноситься. В результаті запропонованого методу зміцнення циклічним нанесенням нанопокриття запобігається перегрів найбільш тонкої частини ножа (ріжучої кромки) та досягається рівномірне зміцнення по перетину шару (розкид показів не перевищує 25,82 %). Одночасно забезпечується втомна міцність середньої частини ножа і повністю виключається корозійна пошкоджуваність. Експлуатаційна стійкість ножів при такому способі зміцнення зростає більше ніж в 50 разів. Джерела інформації: 1. Патент РФ 2106429 С1, С23С030/00, С23С014/06, 1997 р. 2 UA 100201 U 2. Патент РФ 2131480, С23С14/06,, С23С14/48, 10.06.1999 р. 3. Патент РФ 2211880, С23С14/06, С23С14/36, С23С14/48, 10.09.2003 р. 4. Патент РФ 2219281 С23С14/06, С23С14/00, 20.12.2003 р. 5 10 15 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб зміцнення виробів нанесенням багатошарових покриттів вакуумно-плазмовим методом для підвищення зносостійкості виробів, шляхом попередньої активації оброблюваної поверхні, нанесення двошарового покриття, який відрізняється тим, що для забезпечення експлуатаційної стійкості (втомної міцності, корозійної стійкості, збільшення ресурсу ріжучої кромки) зміцнення здійснюють нанесенням багатошарових нанопокриттів з одного боку тонкостінного інструменту вакуумно-плазмовим методом з використанням негативного ВЧ зсуву на підкладці. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що покриття наносять двошаровою композицією, що складається в першому шарі - з чистого основного компонента, а другий шар - з основного (6070 %) та зміцнюючого (30-40 %) компонентів. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що загальна товщина покриття складає 2-3 мкм та для запобігання перегріву при обробці особливо тонких перетинів (ріжучої кромки) проводять циклічну обробку вакуумно-плазмовим методом, температурний інтервал якої визначається вихідним матеріалом інструменту та складом зміцнюючого покриття, що наноситься. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для забезпечення стабільності теплового режиму обробки та отримання багатошарового нанопокриття число циклів визначається загальною товщиною покриття і при цьому перший з них, що наноситься, відповідає основному компоненту (підшар) та складає 10-20 нм, а кожен наступний шар не повинен перевищувати 900 нм. 25 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3