Виріб з двошаровим покриттям

Реферат: Виріб з двошаровим покриттям містить сталеву основу та шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, та шар покриття нанесений на попередній шар покриття. Шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, має товщину в межах 70-120 мкм, та виконаний з суміші хрому, кремнію, бору, заліза, нікелю, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром 8-14 кремній 2,5-3,2 бор 1,5-2,5 залізо 4-6 нікель решта, а шар покриття, нанесений на попередній шар покриття, виконаний з суміші нітриду титану та нітриду хрому при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нітрид хрому 20-30 нітрид титану решта, або виконаний з суміші нітриду титану та нітриду алюмінію при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нітрид алюмінію 20-30 нітрид титану решта. UA 70767 U (12) UA 70767 U UA 70767 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Розробка належить до конструкційних матеріалів, з металевою основою та може бути застосована при виготовленні конструктивних елементів різного технологічного призначення з властивостями високої стійкості до різнобічних технічних впливів, які забезпечують високий рівень залишкової стискуючої напруги і високу адгезію з основою, що перешкоджає процесам поширення тріщин, окисленню покриттів виробу і проникненню кисню углиб виробу, що також забезпечує мінімальний рівень контактних температур і амплітуду їх коливань при динамічному впливі на поверхню виробу, подовжену працездатність конструкційних матеріалів. Відомо, що галузь застосування наноструктурних об'єктів є такою, що найбільш швидко розвивається в сучасному матеріалознавстві, оскільки надтонка дисперсна структура стає основою суттєвого поліпшення, а в окремих випадках - корінної зміни властивостей матеріалу. Відомий виріб з покриттям (More A.S., Jiang W., Brown W.D., Malshe A.P. Tool wear and machining perCormance oC CBN-ΊΠ coated carbide inserts PCBN compact inserts in turning AISI4340 hardened steel // J. Mater. Proc. Technology. - 2006. - № 180. - P. 253-262). що має сталеву основу та шар покриття, нанесений безпосередньо на основу та виконаний з нітриду титану. Основним недоліком покриття виробу, є високий ступінь його окислення (при Т=500 °С), що призводить до зниження меж границь роботоздатності виробу з таким покриттям. Відомий виріб з покриттям (SU1614519, МПК С23С14/32, дата публікації: 20.05.1999) що має сталеву основу та шар покриття, нанесений безпосередньо на основу виконаний з нітриду титану, нікелю заліза та хрому при співвідношенні компонентів, мас. %: залізо 4-20, нікель 0,5-3, хром 1-5, нітрид титану - решта. Недоліком такого виробу з одношаровим покриттям є його низькі міцнісні характеристики що призводить до зниження меж границь роботоздатності виробу з таким покриттям. Відомий виріб з багатошаровим покриттям (RU2270270; МПК С23С14/06, 14/48; опубл. 2006р.), що має сталеву основу та шар покриття завтовшки 2 мкм, нанесений безпосередньо на основу виконаний з нітриду титану і цирконію (TiZrN) при співвідношенні металевих компонентів, мас. %: титан (Ті) 47-53, цирконій (Zr) 53-47, шар покриття, нанесений на попередній шар покриття з нітриду титану, завтовшки 2 мкм, та наступний шар покриття виконаний з нітриду титану і цирконію (TiZrN) при співвідношенні металевих компонентів, мас. %: титан (Ті) 47-53, цирконій (Zr) 53-47. Недоліком такого виробу є те, що попередній шар покриття має невелику товщину, і такий виріб має недостатні технічні характеристики, оскільки температуростійкість покриття TiZrN становить 550-600 °С. Крім того, покриття відомого виробу має недостатньо високу стійкість до утворення тріщин, а також недостатню міцність зчеплення його з основою і шарів покриття між собою, в результаті чого при використанні виріб втрачає свої якості внаслідок процесів утворення тріщин в його поверхневих шарах і втрачає роботоздатність. Відомий виріб з покриттям (СА2614962, МПК С22С19/05; С22С21/02; С22С38/18; С23С10/00; С23С14/16; С23С14/32; С23С28/00, дата публікації 2001-12-08), що має сталеву основу та шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, виконаний з МСrАІХ сплаву, в якому Μ - нікель, кобальт, залізо, або їх суміш, а X - ітрій, гафній, цирконій, лантан, скандій, або їх комбінація, і який містить, по вазі, орієнтовно від 10 до 25 % хрому, орієнтовно від 5 до 20 % алюмінію і орієнтовно до 3 % ітрію, гафнію, цирконію, лантану, скандію, або їх комбінації, нікель - решта. Недоліком відомого виробу з багатошаровим покриттям є невизначеність з оптимальними розмірами шарів покриття, що позбавляє можливості отримати певну дисперсну структуру шарів покриття і що в свою чергу перешкоджає суттєвому поліпшенню властивостей виробу. Відомий виріб з багатошаровим покриттям (US2010140529, МПК В32В15/04; В32В5/00; В32В7/02; В32В9/00; С23С14/14; С23С26/00; С16К25/00, дата публікації: 2010-06-10) що має сталеву основу та шар покриття що містить нітрид титану, карбід титану, нітрид хрому, карбід хрому, нітрид бору або карбід бору, та містить другий шар покриття, у якому другий шар покриття містить титан або нітрид титану-алюмінію. Недоліком відомого виробу з багатошаровим покриттям є невизначеність з оптимальними розмірами шарів покриття, що позбавляє можливості отримати певну дисперсну структуру шарів покриття і що в свою чергу перешкоджає суттєвому поліпшенню властивостей виробу. Задачею розробки є створення виробу з двошаровим покриттям, в якому за рахунок особливостей його конструктивних елементів, зокрема шарів, речовин з яких виконані зазначені конструктивні елементи та особливостей їх структури суттєво поліпшуються технічні характеристики виробу зокрема забезпечуються високі показники твердості, модуля пружності, забезпечується висока стійкість до утворення тріщин, а також висока міцність зчеплення його з основою і шарів покриття між собою. 1 UA 70767 U 5 10 15 20 25 30 35 Для вирішення цієї задачі виріб з двошаровим покриттям, що містить сталеву основу та шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, та шар покриття, нанесений на попередній шар покриття. Новим у виробі є те, що шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, має товщину в межах 70-120 мкм, та виконаний з суміші хрому, кремнію, бору, заліза, нікелю, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром 8-14 кремній 2,5-3,2 бор 1,5-2,5 залізо 4-6 нікель решта, а шар покриття, нанесений на попередній шар покриття, виконаний з суміші нітриду титану та нітриду хрому при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нітрид хрому 20-30 нітрид титану решта, або виконаний з суміші нітриду титану та нітриду алюмінію при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нітрид алюмінію 20-30 нітрид титану решта. Застосування такого виробу з двошаровим покриттям при виготовленні конструктивних елементів різного технологічного призначення з властивостями високої стійкості до різнобічних технічних впливів, які забезпечують високий рівень залишкової стискуючої напруги і високу адгезію з основою, що перешкоджає процесам поширення тріщин, окисленню або ерозії покриттів виробу під дією різнобічного негативного впливу. В окремих варіантах виконання виробу з двошаровим покриттям шар покриття, нанесений на попередній шар покриття має товщину в межах 2,1-4,0 мкм. Зазначені особливості забезпечують формування двошарового покриття з оптимальними співвідношеннями показників його покриттів. В окремих варіантах виконання виробу з двошаровим покриттям шар покриття, нанесений на попередній шар покриття, має структуру кристалічних зерен, при цьому розмір цих кристалічних зерен знаходиться в межах 1-90 nm, а міжкристалічний прошарок має товщину, що знаходиться в межах 0,2-2 nm, і складається з аморфної фази. Застосування таких особливостей зовнішнього шару виробу з двошаровим покриттям забезпечують формування двошарового покриття з високими показниками твердості, модуля пружності, та додатково підвищується стійкість до утворення тріщин. Виріб з двошаровим покриттям ілюструється як основним видом ілюстративних матеріалів конструкції, що демонструє реальні конструкційні особливості виробу, наведеною на фіг. 1 схемою розміщення основи та шарів виробу, наведеним на фіг. 2 зображенням косого шліфа, отриманого в зоні стику захисних покриттів з основою виробу, отриманого з допомогою РЭМ з EDS, а також можливими способами виготовлення зразка виробу з двошаровим покриттям. На графічних матеріалах показано зовнішній шар покриття 1, попередній шар покриття 2, що нанесений безпосередньо на основу 3. При застосуванні виробу внаслідок наявності зовнішнього шару покриття 1, попереднього шару покриття 2 на основі 3, особливостям їх складу та розміру. При здійсненні прикладу виготовлення зразка виробу з двошаровим покриттям брали зразок основи з нержавіючій сталі 12Х18Т з розмірами 2x20x20 мм. Заготовку виробу відпалювали для зняття наклепання і дефектності. На заготовку виробу наносили і покриття з порошку розміром (30-6) μm наступного складу зазначеного в Таблиці. 40 2 UA 70767 U Таблиця Попередній шар покриття Зовнішній покриття 5 10 15 20 25 30 35 Приклади: 1 2 Ознаки виробу хром, % 8,0 14,0 кремній, % 3,2 2,5 бор, % 1,5 2,5 залізо, % 6,0 4,0 нікель, % 81,3 77 товщина покриття, мкм 70-110 75-120 нітрид алюмінію, % 20 нітрид хрому, % 20 нітрид титану, % 80 80 товщина покриття, мкм 2,1-4,0 2,1-4,0 показники виробу швидкість корозії, мг/рік 9 81 твердість, GPa 34,9±1,1 39±1,1 модуль пружності, GPa 440±27 480±27 3 4 5 10,0 3,0 2,0 5,0 80 70-12011,0 3,1 2,0 5,5 78,4 80-110 30 11,0 3,1 2,0 5,5 78,4 70-120 25 70 2,1-4,0 75 2,1-4,0 30 70 2,1-4,0 67 12 11 41,2±1,1 37,0±1,1 32,8+1,1 520±27 360±27 400±27 За допомогою плазмотрона "Импульс-6" було нанесено покриття (з параметрами: фракція порошку ~(30-55) μm. Витрата порошку ~ 22,5 г/хв. Частота імпульсів 4 Hz. Місткість конденсаторних батарей 800 μF. Відстань до зразків 60 мм, швидкість переміщення зразків 380 mm/min. якості електрод був використаний W. Перед напиленням поверхня зразків оброблялася струменево-абразивно з подальшим оплавленням плазмовим струменем. Повторне оплавлення поверхневого шару покриттів проводилося плазмовим струменем без порошку. Частота імпульсів 3 Hz, місткість 800 μF. Відстань від зрізу сопла до заготовки 45 мм. Швидкість переміщення 300 мм/хв.). Оброблені заготовки були оплавлені плазмовим струменем так, щоб оплавився шар завтовшки 60-80 μm. На усі заготовки були нанесені зовнішні покриття зі складом, зазначеним в Таблиці, за допомогою вакуумно-дугового джерела у вакуумі. Поверхню -3 товстого покриття відпалювали шляхом дії дугового розряду впродовж 1 min (10 Ра) при струмі горіння дуги титанового катода 100 А і опорній напрузі 1 kV. Осадження покриттів проводили в -1 камері установки при тиску азоту 10 Ра. Час осадження зовнішнього покриття складав 10 хв. Твердість Η і модуль пружності Ε зразків виробів визначалися за допомогою нанотвердомера (Nanoindenter II) за методикою Олівера і Фара [описаною в А.Д. Погребняк, В.В. Василюк, Д.Л. Алонцева и др.//Трение и износ, т. 25, в. 1, с. 71-78 (2004).] з використанням індентора Берковича. Як показують дослідження зовнішнє покриття виробу повністю повторює рельєф основи (див. фіг. 2). Отримані зразки виробу мають низьку швидкість корозії, що залежать від показників зовнішнього покриття виробу. Виріб характеризується високою міцністю зчеплення його з основою і шарів покриття між собою та високу стійкість до утворення тріщин. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Виріб з двошаровим покриттям, що містить сталеву основу та шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, та шар покриття, нанесений на попередній шар покриття, який відрізняється тим, що шар покриття, нанесений безпосередньо на основу, має товщину в межах 70-120 мкм та виконаний з суміші хрому, кремнію, бору, заліза, нікелю, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром 8-14 кремній 2,5-3,2 бор 1,5-2,5 залізо 4-6 нікель решта, а шар покриття, нанесений на попередній шар покриття, виконаний з суміші нітриду титану та нітриду хрому при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нітрид хрому 20-30 нітрид титану решта, або виконаний з суміші нітриду титану та нітриду алюмінію при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 3 UA 70767 U 5 нітрид алюмінію 20-30 нітрид титану решта. 2. Виріб з двошаровим покриттям за п. 1, який відрізняється тим, що шар покриття, нанесений на попередній шар покриття, має товщину в межах 2,1-4,0 мкм. 3. Виріб з двошаровим покриттям за п. 1, який відрізняється тим, що шар покриття, нанесений на попередній шар покриття має структуру кристалічних зерен, при цьому розмір цих кристалічних зерен знаходиться в межах 1-90 nm, а міжкристалічний прошарок має товщину, що знаходиться в межах 0,2-2 nm, і складається з аморфної фази. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4