Склоформуючий інструмент

Стеклоформирующий инструмент с защитным многослойным покрытием, рабочий слой которого содержит нитрид титана, отлич а ю щ и й с я тем, что прилегающий к инструменту слой защитного покрытия выполнен из никеля, а рабочий слой дополнительно содержит никель в количестве от 7% до 16%. Изобретение относится к стекольному производству, в частности к изготовлению и упрочнению инструментальной и технологической оснастки для горячей формовки стеклоизделий. Наиболее близким к заявляемому является покрытие с трехслойным защитным слоем, содержащее TiN, TiCN и TiC (1). В качестве рабочего слоя в этом покрытии применяется TiN, обладающий высокой коррозионной и жаростойкостью. Высокая температура схватывания нитрида титана с расплавленным стеклом позволяет повысить максимальную температуру формовки. В качестве промежуточных слоев используется TiC и TiCN При этом TiC обеспечивает наибольшую адгезионную связь с основным материалом, Недостатком указанного покрытия является наличие высоких температурных напряжений в слое TiC, возникающих за счет большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) при нагреве или охлаждении стеклоформы. В таблице 1 представлены средние значения ТКЛР ~а , модуля упругости Е, коэффициен та Пуассона ц различных материалов, по крытий в диапазоне 200°-5GG°C и приблизительные значения колебаний температурных напряжений ДФ покрытий, осажденных иа основу из сталей типа 40 Х13 и 1Х18Н9Т в интервале температур At » 100°С, Дг = =200°С. Установлено, что на границе слоя основа-покрытие возникают высокие температурные напряжения, которые при многократном циклическом передеформировании вызывают зарождение микротрещин и отслаивание покрытия. Поэтому покрытия из TiC и TiN не могут использоваться для упрочнения материалов с высокими значениями ТКЛР, а также для инструментов с концентраторами напряжений или работающими в тяжелых температурных условиях (при перепадах температур за цикл ДТ > 200°С). На границе основа-покрытие возникают высокие температурные напряжения, которые при многократном циклическом передеформировании вызывают зарождение микротрещин и отслаивание покрытия. Поэтому покрытия из TIC и TIN не могут исполь С 00 9891 зоватьсл для упрочнения материалов с высокими значениями ТКЛР (типа 1Х18Н9Т), а также инструментов, с концентраторами напряжений или работающих в тяжелых условиях (при перепадах температур за 5 цикл ДТ > 200°С). В основном стеклоформирующие инструменты работают в сравнительно невысоких температурных интервалах ДТ = =80-150°С, благодаря массивности и боль- 10 тому запасу тепла. Однако, малогабаритные инструменты, а также инструменты с концентраторами напряжений работают при более высоких колебаниях температур в рабочем цикле ( ДТ > 200°С), что вызывает 15 возникновение высоких градиентов температур в поверхностных слоях. Кроме того, тяжелые условия работы такого инструмента вызваны также высокими температурами рабочих поверхностей при формовке, пре- 20 вышающими часто Твы550°С (при Т = 550°С происходит слипание стекломассы листового стекла со сталью 40X13). В таких случаях в качестве материала инструмента применяютужеаустенитные нержавеющие стали ти- 25 па 1Х18Н9Т. Температура схватывания со стеклом таких сталей ТСхв =580°С (табл. 2). Недостатком этих материалов является низкая теплопроводность и высокий ТКЛР, что способствует соответственно воэникнове- 30 нию высоких градиентов температур и высоки х напряжений между металлом инструмента и защитным покрытием. Целью изобретения является повышение эксплуатационной стойкости стекло- 35 формирующего инструмента, работающего при температурах формовки выше 550°С и высоком интервале температурных колебаний. Поставленная цель достигается тем, что 40 в стеклоформиругащем инструменте с защитным многослойным покрытием, рабочий слой которого содержит нитрид титана, согласно изобретению, прилегающий к инструменту слой защитного покрытия 45 выполнен из никеля, а рабочий слой дополнительно содержит никель в количестве от 7% до 16%. Никель в прилегающем слое служит демпфером между основным металлом и рабо- 50 чим слоем покрытия, а введение в рабочий слой помимо нитрида титана мягкой связки из никеля улучшает пластичность слоя, а также улучшает адгезию с подслоем. При такой конструкции покрытия рабо- 55 чий слой (TIN + N1) играет роль теплового барьера, а подслой из никеля - роль демпфера. При этом основная механическая нагрузка от тепловых напряжений приходится не на границу основа - покрытие, а на весь демпферный слой. Никель же склонен легко релаксировать напряжения. Это обеспечивает существенное уменьшение термоциклических напряжений в поверхностных слоях основного металла инструмента и снижения интенсивности зарождения разгарных трещин. Благодаря существенному уменьшению температурных напряжений, а также высокой химической стойкости разработанное покрытие позволяет повысить работоспособность инструмента из сталей в тяжелых условиях работы (высокие - > 200°С - перепады температур в цикле, наличие концентраторов напряжений на поверхности или сложного профиля). Кроме того, будучи достаточно пластичным, покрытие может применяться для упрочнения прессформ из чугумов и низколегированных сталей. Использование в качестве материала прилегающего к инструменту слоя никеля обосновывается следующими факторами. 1. Никель имеет близкие к материалу основы ТКЛР и небольшое значение модуля упругости. Это позволяет в 1,7 раз снизить температурные напряжения ма границе с ос новой по сравнению с таковыми на стали 40X13 и 7 раз на стали 1Х18Н9Т (табл. 1). 2. Никель по своим физическим свойст вам наиболее близок к элементам материала основы (Fe, Ni), что способствует улучшению адгезии покрытия. 3. Никель обладает сравнительно низ кой температурой рекристаллизации, поэто му более склонен к релаксации напряжений. 4. Никель является достаточно жаро стойким. Применение других материалов в качестве подслоев - Мо или ТІ, несмотря на низкие температурные напряжения невоз можно через их низкую жаростойкость при температурах выше 500°С. Выбор в качестве металла-связки никеля сделан из условий термодинамики образования нитридов, смачивания связки с TiN, жаростойкости и его теплофизических свойств. Количественное содержание никелевой связки в рабочем слое выбрано из условия отсутствия пластических деформаций в подложке за счет температурных напряжений при нагреве - охлаждении, а также из условия максимальной температуры схватывания с расплавленной стекломассой. Исследование температурных напряжений и дефо0маций в системе основа - покрытие проводили методом биметаллической пластинки на специально разработанной установке для исследования остаточных напряжений. Сущность метода заключается в 9891 нагреве в вакууме тонкой пластинки размерами 120x10x0,5 мм с покрытием из одной стороны, измерения стрелы прогиба и расчета величины напряжений по измеряемому прогибу. Для расчета температурных напря- 5 жений строили диаграмму прогиба пластинки с покрытием в зависимости от температуры при нагреве и охлаждении в вакууме в диапазоне 20-650°С. На фиг. 1 представлено диаграмму про- 10 гибов образцов (пластинок) с покрытиями: 1 TIN; 2 - TIN + 4% Nl; 3 - TIN + 7% Nl; 4 -TIN + 16% Nl; 5 - TiN + 20% Nl. На фиг. 2 представлена схема образца для определения температуры схватывания ТСхв: 1 - по- 15 крытие, 2 - термопара. Диаграммы прогибов пластинки никеля НП-2 с покрытиями при нагреве - охлажде нии относительно начального состояния при 20°С показаны на фиг. 1. Как видно, при 20 нагреве пластинки с покрытием при темпе ратуре 530-550°С начинается интенсивное "течение" образца и после охлаждения пла стинка имела остаточную деформацию Af = «2,3 мм. Это свидетельствует о высоких ос- 25 таточных напряжениях, вызывающих пла стическую деформацию (или рекристаллизацию) в поверхностных слоях основы. Введение в состав покрытия никеля существенно уменьшает пластическое пере- 30 деформирование. Как видно, наличие 7% ни келевой связки в покрытии является достаточным для исключения пластического передеформирования в контакте никелевый прилегающий подслой - рабочий слой за 35 цикл нагрев - охлаждение. При дальнейшем повышении содержания никеля в покрытии TIN + Nl остаточная температурная дефор мация также отсутствует. На диаграмме представлены термоме- 40 хэнические характеристики покрытий TiN + +NI по отношению к никелю. Сравнение ТКЛР различных материалов (таблица 1) позволяет предполагать, что пластические деформации от карбидных или нитридных 45 покрытий, осажденных непосредственно на основу из сталей типа 1Х18Н9Т, будут значительно выше. Верхняя граница содержания никелевой связки определена по химической стой- 50 кости - температуре схватывания со стеклом. Температуру схватывания определяли путем циклического погружения образцов из сталей 40X13, 1Х18Н9Т, а также из стали 1Х18Н9Т с различными покрытиями в 55 расплав листового стекла. Рабочая тгемпература поверхности измерялась термопарой, приваренной к телу образца на расстоянии 0,3 мм от контактной поверхности (фиг. 2), 6 Характеристики различных материалов представлены в таблице 2. При повышении содержания NI выше 16% существенно снижается температура схватывания, что, видимо, вызвано снижением жаростойкости механической смеси NI-TIN. Низкая химическая стойкость в контакте с расплавом стекла покрытий с содержанием никеля выше 16% подтверждается результатами испытания разгаростойкости. Испытания проводили на специальной установке, которая обеспечивает автоматическое погружение кассеты с образцами в тигель с расплавленной стекломассой листового стекла и принудительного охлаждения воздухом по заданному режиму. Исследовали образцы из стали 1Х18Н9Т размерами 020x20 мм с покрытиями. Режим испытаний: время погружения 4-5 с, время охлаждения 6-8 с, температурный интервал рабочей поверхности - верхняя температура Тв » 550-570°С, нижняя температура Тн = 280-310°С. Проверка состояния поверхности проводилась визуально через каждые 50 циклов погружения. Критерием оценки являлось количество циклов нагружения до появления первой разгарной трещины в теле образца. Результаты испытаний приведены в таблице 3. Испытания показали, что покрытия TIC - TICN - TiN растрескиваются и начинают отслаиваться уже после 150 циклов нагружения, покрытие TIN - после 50 циклов, а покрытие Nl -(TIN + 4% Nl) после 900 циклов. Все покрытия осаждались на установке "Булат-ЗТ". Ток дуги испарителей: ТІ - 100 А; NI - 70-150 А. Опорное напряжение подложки - 180 В, температура напыляемых изделий - 400-450°С, Плазменный поток из никелевого испарителя дросселировали для получения заданного содержания никеля в покрытии. Покрытие ТІС - TICN - TIN осаждали в среде легирующих газов С2Н2 (р = 0,05-0,07 Па) на протяжении 15 минут, после этого в смеси С2Н2 и N2 с постепенным повышением давления азота до р = 0,04-0,5 Па и уменьшением парциального давления ацетилена на протяжении 10 минут, и в конце - в среде азота при р » 0,4-0,5 Па на протяжении 20 минус. Толщина покрытия 6-7 мкм. При напылении заявляемых покрытий после ионной бомбардировки ионами никеля (длительность бомбардировки определялась температурным режимом подложки) осаждали никель ь\а протяжении 10-15 минут, после чего включался титановый испаритель и напыляли покрытие из двух испарителей в среде азота при давлении 8 9891 0,4- 0,5 Па на протяжении ЗО минут. Содержание никеля в покрытии регулировалось дросселированием плазменного потока из никелевого катода. Толщина покрытий составляла 5-7 мкм; соотношение толщины рабочего и внутреннего слоев составляла 3:1. Заявляемый состав по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: 1. Покрытие повышает эксплуатационную стойкость.стеклоформирующего инст- 10 рум е нт а и з м а те ри ал о в с в ысо к им и значениями ТКЛР (из сталей типа 1Х18Н9Т). 2. За счет высокой пластичности и низ ких остаточных напряжений покрытие обес печивает повышение разгарной стойкости инструментов, работающих при температу рах формовки выше 550°С и температурных интервалах ДТ > 200°С 3. Покрытие отличается высокой техно логичностью: оно может быть осаждено на любой серийной установке типа "Булат" (и на любые инструментальные материалы), без какого либо переоснащения. Таблица 1 Материал TIC TIN Ті Nl 40X13 1X18H9T 11 a / x1 0 6 / хЮ /, Па Д О І t МПа на 40X13 Ді=2О0°С град'1 /200500°C/ 6,3 6,9 8,3 13,9 10,0 16,4 *-,«-c 4,5 4.5 0.85 200 186 22 117 0,17 0.25 0.36 0.3 2.1 400 372 44 234 Д ОІ , МПа на1Х18Н9Т Л М 0 0° С At=200°C 547 570 108 75 1094 1140 216 150 Таблица 2 Материал Температура схватывания со стеклом,°С Сталь 40X13 S50 Сталь 1Х18Н9Т 580 TIN 640 TIN+ TJN+ TtN+ TIN+ T1N+ + 7%NI + 14%NI + 16%NI + 20%NI +45% Nl 615600600560540620 610 610 580 580 N1 580 Таблица З Состав покрытия без покрытия Количество циклов 1150 TI(-TICN-TIN TIN NlCTiN+4% N1) NlCTIN+7% Nl) NI(TIN+14% Nl) Ni(TIN+16% Nl) NI(TiN+20% Nl) 1400 1050 1300 1650 1900 1900 90 Характер разрушения Появление разгарных трещин у кромки образца Следов разрушений неї Налипание стекла на образец 9891 J ТО ГС -1.5 У 9891 Упорядник 8 Голубець Замовлення 4557 Техред М.Моргентал Коректор О.Обручар Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655. ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101