Износостойкое многослойное покрытие

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким многослойным покрытиям, наносимым в вакууме на детали узлов трения, инструмент и инструментальную оснастку. Цель изобретения - повышение работоспособности и технологичности покрытия. Износостойкое многослойное покрытие , содержащее нижний слой из нитрида титана и верхний слой из оксида титана, отличается тем, что слой из нитрида титана имеет кристаллографическую ориентацию по отношению к основе (002), слой из оксида титана имеет толщину 0,2 - 0,4 мкм, и отношение толщины слоя из оксида титана к толщине слоя из нитрида титана составляет 1-2 при общей толщине покрытия 0,6 - 1,5 мкм. Повышение работоспособности покрытия достигается за счет кристаллографической ориентации слоя нитрида титана ), обладающего повышенной вязкостью и плотностью, что предотвращает трещинообразование в покрытии при эксплуатации. Условия получения покрытия делают его технологичным. 1 з.п.ф-лы, 1 табл. сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4477450/02 (22) 26.08.88 (46) 30,09.91. Бюл. М 36 (71) Научно-производственное объединение технологии и оборудования защитных покрытий в автомобильной промышленности (72) Р.И.Товбин, M.Ã.Êóçèíà и В.Т.Зациха (53) 669.018.25 (088.8) (56) Структура и свойства твердых слоев (пленок) из титановых нитридов (TIN). Материалы симпозиума Государственного комитета СССР по науке и технике. Дом научно-технической пропаганды, Москва и фирма Лейбольд repeyc (ФРГ). М,: Наука, 1986, с.5 — 23.

Заявка Японии М 56-52108, кл. С 23 . С 11/08, 1981. (54) ИЗНОСОСТОЙКОЕ МНОГОСЛОЙНОЕ

ПОКРЫТИЕ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким многослойным

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким многослойным покрытиям, наносимым в вакууме на детали узлов трения, инструмент и инструментальную оснастку.

Цель изобретения — повышение работоспособности и технологичности покрытия, Иэносостойкое многослойное покрытие содержит нижний слой из нитрида титана с кристаллографической ориентацией по отношению к основе (002) и верхний слой из оксида титана толщиной 0,2 — 0,4 мкм при отношении толщины слоя из оксида титана к толщине слоя из нитрида титана, составЯ2 1680799 А1 (5 )5 С 23 С 14/34 28/00, В 32 В 7/02 покрытиям, наносимым в вакууме на детали узлов трения, инструмент и инструментальную оснастку. Цель изобретения — повышение работоспособности и технологичности покрытия. Износостойкое многослойное покрытие, содержащее нижний слой из нитрида титана и верхний слой из оксида титана, отличается тем, что слой из нитрида титана имеет кристаллографическую ориентацию по отношению к основе (002), слой из оксида титана имеет толщину 0,2 — 0,4 мкм, и отношение толщины слоя из оксида титана к толщине слоя из нитрида титана составляет

1 — 2 при общей толщине покрытия 0,6 — 1,5 мкм, Повышение работоспособности покрытия достигается за счет кристаллографической ориентации слоя нитрида титана (002), обладающего повышенной вязкостью и плотностью, что предотвращает трещинообразование в покрытии при эксплуатации.

Условия получения покрытия делают его технологичным. 1 з.п.ф-лы, 1 табл. ляющем 1 — 2 при общей толщине покрытия

0,6 — 1,5 мкм. Покрытие может быть выполнено с чередующимися слоями.

Пример. Образец, предварительно ,протертый бензином и спиртом. загружают в г камеру, где откачивают воздух до 1 — 6 Пэ и проводят очистку поверхности в тлеющем разряде при отрицательном потенциале на подложке 1000 В в течение 3 — 4 мин. Затем камеруоткачивают до высокого вакуума (2 X 10 Па), осуществляют подачу аргана в камеру до давления 3,4 X 10 1 Па и производят окончательную очистку с помощью ионной бомбардировки при отрицательном

1680799 напряжении смещения на подложке 1500 В в течение,2 — 3 мин, По окончании процесса ионной очистки напряжение смещения на подложке снижают до 500 В и производят собственно напыление покрытия магнетронным распылением титановой мишени при парциональном давлении азота 7,5 Х 10 Па, обеспечивающим стехиотрический состав нитрида титана. Напряжение 500 В подают в течение 1/2 — 1 мин в зависимости от толщины подслоя. Напряжение смещения (300 — 500 В) на подложке в процессе магнетронного распыления позволяет осаждать нитрид титана с ориентацией (002) по отношению к подложке. Скорость осаждения нитрида титана на прямом экспонировании составляет 0,2 мкммlмин.

Затем напряжение смещения с подложки снимают и прекращают подачу азота. В камеру подают двуокись углерода при парциальном давлении 6,5 Х 10 Па, Процесс напыления при прямом экспонировании продолжают в течение 1 — 1,5 мин. Для получения покрытия толщиной не менее 0,6 мкм процесс повторяют. Толщину всего покрытия определяют количеством слоев нитрида титана и оксида титана, Толщина оксидного слоя должна составлять 1—

2 толщины нитридного слоя, чтобы обеспечить прочность композиции, так как микротвердость нитридного подслоя составляет 2000 кгс/мм, а оксидного—

1000 — 1100 кгсlмм, Прочность сцепления с подложкой обеспечивается нижним подслоем из нитрида титана с преимущественной ориентацией (002) при толщине его не менее 0,1 мкм. Дальнейшее увеличение толщины этого подслоя почти не влияет на прочность сцепления всего покрытия.

Для высокой износостойкости толщины подслоев имеют оптимальные величины, которые ограничиваются значениями 0,1—

0,2 мкм для нитридного и 0,2 — 0,4 мкм для оксидного слоев. Толщины ниже предлагаемых значений не обеспечивают надежной работоспособности покрытия из-за низкой.. прочности сцепления и износостойкости покрытия. Толщины выше оптимальных значений также снижают износос-ойкость покрытия в связи с накоплением микронапряжений и дефектов в подслоях с увеличением их толщины.

Предлагаемое покрытие обладает большей прочностью сцепления с материалом основы, так как нижний слой из нитрида титана выполнен с кристаллографической ориентацией по отношению к основе(002), 50 тельствуют о высокой износостойкости и прочности сцепления предлагаемого покрытия с основой. Таким образом, предлагаемое многослойное износостойкое покрытие в сравнении с известным обеспечивает повышение работоспособности и технологичности. ,Формула изобретения

1. Износостойкое многослойное покрытие, содержащее нижний слой из нитрида титана и верхний слой из оксида титана, о т5

40 характеризующейся большей плотностью атомов по сравнению с ориентацией (111) для нитрида титана в известном покрытии.

Кроме того, слой нитрида титана с ориентацией (002) J характеризуется большей вязкостью по сравнению с нитридом титана с ориентацией (111), так как в направлении (002) легче, проходит сдвиговая информация, что снижает хрупкость покрытия и вероятность образования сколов в покрытии при его эксплуатации. Слой из нитрида титана с ориентацией (002) более эффективно по сравнению с известным покрытием сдерживает диффузионные процессы, снижая склонность материала к коррозии и окислению при повышенных температурах, например при высоких скоростях резания, и тем самым повышает работоспособность предлагаемого покрытия.

Кроме того, предлагаемое покрытие наносится при более низкой температуре подложки (200 С), чем при нанесении известного покрытия (450 — 500 С), что делает его более технологичным.

В таблице приведены примеры выполнения предлагаемого покрытия и его свойства.

Испытания на износостойкость покрытий проводят на машине 2070 СМТ-1 путем сухого трения скольжения по схеме диск— колодка. Удельное давление 10 МПа, скорость. скольжения 0,15 м/с. Величину износа оценивают весовым методом на аналитических весах через каждые 30 мин испытаний, База испытаний составляет 3,5 ч, Величину износа выражают в процентах к первоначальному весу образца.

Прочность сцепления покрытия с основой определяют склерометрическим методом, Для этого на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 200 г наносят три риски длиной

2 — 3 мкм. Затем на микроскопе с помощью окуляра Гюйгенса с сеткой определяют площадь царапины (Sg и площадь сколов вместе с царапинами (ScK). Показатель адгезии определяют соотношением л=

ScK

Приведенные в таблице данные свиде1680799 л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения работоспособности и технологичности, слой из нитрида титана выполнен с кристаллографческой ориентацией по отношению к основе (002), слой из оксида титана выполнен толщиной 0,2 — 0,4 мкм, а отношеПример Покрытие Толщина О тношеслоев ние толКристаллографическая ориентация решетки покрытия

Толщина покрьг тия,мкм

Износостойкость

Q ° 1 0

Прочность сцепления покрытия с деталью, А покры- щин слоев тия,мкм TiOi

TiN

1,71

1,00

2 0,6 002

0,2

0,4

1,00

1,56

002

0,6

0,3

0)Ь

0,6

1,00

0,60

002

0,1

0,2

002

0,1

0,2

0,52

1,00

002

0,9

0,1

0,2

О,1

002

0,2

0,1

0,2

002

0,54

1,5

1,00

002

1,0

0,2

0,3

002

0,2

0,3

0,55

1,00

002

1,5

1,5

0,2

0,3

002

002

0,2

0,3

0,2

0,3

Составитель А. Соловей

Редактор М. Петрова Техред М,Моргентал Корректор М. шароши

Заказ 3287 Тираж 562 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при Г КНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

TiN

Т О

TiN

TiO<

TiN

Tip

TiN

Ti6

TiN

Т О

TiN

TiO>

TiN

Т О

TiN

TiOg

TiN

Т О

TiN

TiOX

TiN

TiOg

TiN то ние толщины слоя из оксида титана к толщине слоя из нитрида титана составляет 1 — 2 при общей толщине покрытия 0,6 — 1,5 мкм, 2. Покрытие по п.1, о т л и ч а ю щ е е5 с я тем что оно выполнено с чередующимися слоями.