Способ многослойного нанесения покрытий на подложку

1 май 2014

Изобретение относится к технологии получения покрытий, стойких в процессе обработки деталей из жаропрочных и высокопрочных сплавов, и может быть использовано при изготовлении режущего инструмента, работающего при точении сверхтвердых металлов.

Режущий инструмент с многослойным покрытием успешно работает при точении вышеназванных металлов и сварного шва, имеющего даже большую твердость в сравнении с указанными металлами. Наиболее приемлемым для получения никелевого покрытия является метод конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Для покрытия из карбида хрома используется способ плазменно-кластерного типа. Плазменно-кластерная технология основана на подаче напыляемого порошкового материала микронного размера в канал плазматрона. В сопле плазматрона и в струе плазмы, истекающей в вакуумную камеру с напыляемым материалом (Cr2C3), происходят различные теплофизические процессы: плавление, диспергирование и испарение. Дальнейшее расширение струи плазмы в вакуумной камере приводит к тому, что парообразная фаза материала (Cr2C3) начинает конденсироваться на поверхности инструмента с образованием кластеров, из которых в дальнейшем образуются наночистицы.

Оба способа позволяют обеспечить плотные и равномерные по толщине покрытия.

Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности потенциалов между подложкой и катодом, очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия с последующим отжигом. При этом ионный поток и поток испаряющегося материала, идущий от катода к подложке, экранируют. Однако данный способ используется для нанесения покрытий на рабочее колесо турбины энергетической установки, выполненное из высоколегированного сплава на основе никеля, а не на режущий инструмент (см. патент RU 2192501, кл. C23C 14/34, дата публикации 10.11.2002).

 Известен также способ получения многослойного покрытия на режущем инструменте, включающий последовательное формирование методом вакуумно-дугового синтеза адгезионного, переходного и износостойкого слоёв тугоплавких соединений. Для этого формируют адгезионный слой, содержащий, по крайней мере, один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение, формируют переходный слой, содержащий тугоплавкое соединение металлов IV и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере, один из которых из состава износостойкого слоя, и формируют износостойкий слой с нанокристаллической структурой, содержащий тугоплавкие соединения металлов из IV и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием (см. патент RU 2413790, кл. C23C 14/06, дата публикации 27.11.2011). Однако при осуществлении этого способа проводится ускоренный нагрев и ускоренное охлаждение. Такой режим не обеспечивает адгезию между подложкой и покрытиями, и, кроме того, разность между коэффициентами линейного расширения материалов подложки и покрытий приводит к образованию трещин в покрытиях.

Предлагаемый способ нанесения покрытий на подложку из высокоуглеродистой стали в среде инертного газа включает очистку поверхности подложки потоком ионов инертного газа методом КИБ при температуре 550 – 600 °C, нанесение никелевого покрытия методом КИБ при температуре 550 – 600 °C и его отжиг с повышением температуры до 650 – 700 °C и последующее нанесение карбида хрома плазменно-кластерным методом. Ионы инертного газа возникают при образовании плазмы за счет расщепления инертного газа.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения – повышение плотности и однородности покрытий, наносимых на заготовку режущего инструмента, и адгезии между подложкой и первым покрытием – никелем, и между покрытиями никелем и карбидом хрома, что способствует увеличению стойкости режущего инструмента при циклических нагрузках.

Процесс осуществляется следующим образом. Вначале заготовку (под режущий инструмент) обрабатывают в ацетоне с последующей обдувкой сжатым воздухом. Это позволяет удалить загрязнения с поверхности заготовки. Далее проводят установку заготовки в приспособление в рабочем объеме  камеры установки (КИБ). Затем осуществляют вакуумирование рабочего объема установки до 1*10-5 мм. рт. ст. и после этого вводят в него аргон до достижения давления 4*10-2 мм. рт. ст. После этого в зоне воздействия дугового разряда создают электрическую мощность 2 – 3 кВт. Это обеспечивает формирование потока, содержащего ионы аргона, и осуществление процесса очистки поверхности подложки на заготовке режущего инструмента ионами аргона. Время очистки составляет 30 – 40 мин. После очистки поверхности наносят слой никеля толщиной 5 – 7 мкм и производят последующий отжиг в этой же установке при температуре 550 ± 50 °С. Время выдержки составляет 80 – 100 мин. Температура достигается в процессе бомбардировки поверхности (подложки) ионами аргона и частично ионами и атомами никеля.  Никель для нанесения используется порошковый. Нанесение его осуществляют с увеличением электрической мощности в дуге до 4 – 6 кВт. Отжиг позволяет уплотнить никелевое покрытие за счет процесса самодиффузии его атомов и обеспечить адгезию никеля в подложку благодаря процессу диффузии. Никель с железом имеют сродство между собой.  Далее заготовку с никелевым покрытием охлаждают в камере до температуры 100 ± 10 °С и затем устанавливают ее в плазменно – кластерную установку. После вакуумирования рабочего объема до 10-2 мм. рт. ст. заполняют рабочий объем аргоном до давления 50 Па. Затем осуществляют напыление порошка карбида хрома на никелевое покрытие.

Расход порошка карбида хрома составляет до 5 г/сек; температура газа доходит до 3300 °С, давление в плазматроне до 70 – 100 Па, скорость нанесения покрытий до 1 мкм/сек. Охлаждение заготовки осуществляют, как в установке КИБ, так в и ионно-кластерной до температуры 100 ± 10 °С.

Ниже приведен пример осуществления предложенного способа. В качестве подложки использовали стержень – сталь 45 (основа – железо с добавкой углерода 0,45%). Перед началом проведения процесса нанесения покрытия  рабочую камеру КИБ вакуумировали до 1*10-5 мм. рт. ст. и после этого вводили в нее аргон до достижения давления 4*10-2 мм. рт. ст. Далее зажигали дугу мощностью до 3 ± 0,1 кВт и осуществляли очистку поверхности (подложки) от окислов и одновременно при этом достигали развитой поверхности (подложки) для улучшения связи (адгезии) покрытия (никеля) с подложкой.

После очистки поверхности подложки наносили на нее покрытие из никеля толщиной 5 + 2 мкм. Температура на подложке составляла 550 ± 50 °С. Контроль температуры осуществляли пирометром. Далее проводили отжиг покрытия. Температуру на подложке поднимали до 650 – 700 °С бомбардировкой подложки ионами аргона. Выдержку при этой температуре осуществляли в течение 10 – 15 мин. Далее заготовку с никелевым покрытием охлаждали в камере до температуры 100 ± 10 °С и затем устанавливали ее в установку плазменно-кластерного типа. После вакуумирования рабочего объема до  1 Па (1 * 10-2  мм рт. ст.) в камеру подавали разогретый плазмотроном газ (азот) с порошком карбида хрома. Устанавливалось динамическое давление около 50 Па (0,5 мм рт. ст.) Время нанесения покрытия составляло 5 – 10 мин. Толщина покрытия карбида хрома была в пределах 15 – 25 мкм. Скорость нанесения покрытий никеля составила 0,1 мкм/мин и карбида хрома 2 – 3 мкм/мин. После окончания нанесения покрытий осуществляли охлаждение в установке до температуры 100 ± 10 °С. Затем подложку охлаждали на воздухе.

Качество покрытий оценивали с помощью металлографического исследования. Установлено, что покрытия плотные, отмечена диффузия никеля в подложку и в покрытие карбида хрома. Все это доказывает достаточную прочность сцепления покрытий друг с другом и никеля с подложкой.

Авторы: Семенов В.Н., Костычев В.И.

Персона для контакта

Виктор Никонорович Семенов
Заместитель генерального директора по науке

ООО "МК ИНВЕСТ"

1210549, г. Москва, Бережковская наб., 6

О компании