Способ получения покрытий на металлических поверхностях

 

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано для обеспечения эксплуатационных характеристик покрытий на поверхностях деталей машин и режущих инструментов. Способ включает послойное гальваническое осаждение материала покрытия в магнитном поле, при этом в качестве материала покрытия используют магнитовосприимчивые металлы с кристаллической решеткой, обеспечивающей получение заданных механических свойств покрытия, а намагничивание производят выше точки магнитного насыщения наносимого элемента, последовательно направляя вектор напряженности от параллельности покрываемой поверхности до параллельности вектору эксплуатационной нагрузки со статической выдержкой в каждом из положений, определяемой по формуле

где h - толщина слоев покрытия, воспринимающая определенный вид деформации, мм; I - интенсивность процесса формирования покрытия, мм/мин. Технический результат: повышение износостойкости покрытия в среднем на 20-50% при одновременном уменьшении его толщины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано для обеспечения эксплуатационных характеристик (износостойкости) покрытий на поверхностях деталей машин и режущих инструментов.

Известен способ упрочняющей обработки металлических поверхностей в магнитном поле [1].

К недостаткам его следует отнести отсутствие возможности формирования многозональной комбинации текстурированных слоев; термическое воздействие, изменяющее исходное структурное состояние материала; разориентацию превалирующего кристаллографического направления в кристаллах с направлением вектора деформирующей нагрузки.

Известен также способ формирования на поверхностях металлических материалов гальванических покрытий с преимущественной ориентацией плоскостей скольжения в кристаллах в магнитном поле [2].

К недостаткам указанного способа следует отнести многоосность в ориентации кристаллов осаждаемого материала; отсутствие в них преимущественной ориентации плоскостей скольжения (кристаллографических направлений деформации), при которой механические свойства покрытия оказываются статистически изотропными; образование остаточных напряжений растяжения; высокая степень дефектности в виде трещин и расслоений; ограниченный состав элементов, наносимых гальваническим способом и имеющих достаточную магнитную восприимчивость.

Задача изобретения - формирование на поверхностях деталей машин и режущих инструментов структуры покрытия с многозональной дифференцированной сопротивляемостью эксплуатационному нагружению, повышение адгезионной способности, формирование остаточных напряжений сжатия.

Технический результат - повышение износостойкости покрытия при одновременном уменьшении его толщины.

Это достигается тем, что в способе получения покрытий на металлических поверхностях путем послойного гальванического осаждения материала покрытия в магнитном поле в качестве материала покрытия используют магнитовосприимчивые металлы с кристаллической решеткой, обеспечивающей получение заданных механических свойств покрытия, а намагничивание производят выше точки магнитного насыщения наносимого элемента, последовательно направляя вектор напряженности от параллельности покрываемой поверхности до параллельности вектору эксплуатационной нагрузки со статической выдержкой в каждом из положений, определяемой по формуле

где h - толщина слоев покрытия, воспринимающая определенный вид деформации, мм; I - интенсивность процесса формирования покрытия, мм/мин. Кроме того, в качестве магнитовосприимчивых металлов используют никель, кобальт, железо.

Направленное ориентирование кристаллов покрытия обеспечивается управляемым магнитным полем благодаря свойству магнитной восприимчивости и магнитной анизотропии ферромагнитных и парамагнитных компонентов, входящих в состав покрытия, в результате чего по его толщине формируются зональные ряды, отличающиеся регламентированной упорядоченностью положения кристаллографических направлений. При этом зональные ряды приобретают анизотропию механических (упругих, пластических, прочностных) свойств и оказываются адаптированными в зависимости от комбинации формирования по толщине покрытия к условиям эксплуатационного (внешнего) нагружения, выраженным в дифференцированной сопротивляемости упругим (пластическим) деформациям, а также деформациям разрушения.

Таким образом, текстура (ориентация кристаллов) в каждом зональном ряду ориентирована на сопротивляемость определенному виду нагружения, зависящему от комплекса условий эксплуатационного (внешнего) воздействия, и определяется видом деформации в функции глубины механической (тепловой) активации материала покрытия.

Кроме того, при управлении положением вектора напряженности магнитного поля и соответствующем положении силовых линий магнитной индукции вследствие эффекта магнитострикции в материале основы формируются напряжения растяжения, приводящие к интенсификации диффузионных процессов, что способствует проникновению элементов покрытия в подложку и повышению ее адгезионной способности. По мере формирования эксплуатационной толщины покрытия (многозональной структуры, образуемой кристаллографическими текстурами), при изменении положения магнитного поля, ориентация магнитострикционных напряжений регламентирована на обеспечение остаточных напряжений сжатия.

Действительно, магнитные, механические, тепловые, электрические свойства монокристаллов металлов анизотропны. Магнитная анизотропия выражена в существовании оси легчайшего намагничивания, в направлении которой достигаются облегченные условия магнитного насыщения металла во внешне индуцированном магнитном поле. Направление легчайшего намагничивания ориентируется параллельно вектору магнитной индукции. Таким образом, положением поля задается соответствие оси легчайшего намагничивания в кристаллах вектору магнитной индукции, что при формировании кристаллической структуры покрытия обусловливает возможность направленного ориентирования кристаллов. Ось легчайшего намагничивания для кристаллов с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) - [100], для кристаллов с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) - [111], для кристаллов с гексагональной решеткой (ГПУ) - ось [0001].

Механическая анизотропия кристаллов обусловливает различную степень их сопротивляемости упругим (пластическим) деформациям, зависящую от ретикулярной плотности кристаллической решетки и положения кристаллографических направлений (направлений деформации) относительно вектора нагрузки. При этом характерно наличие плоскости скольжения, в которой критическая величина напряжений, необходимая для начала деформации, оказывается наименьшей по отношению к величине напряжений в остальных плоскостях. Плоскостями скольжения в структурах с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) оказывается плоскость (110), в структурах с гранецентрированной кубической решеткой - плоскость (111), в структурах с гексагональной решеткой - плоскость (0001).

Действительно, анизотропия механических свойств кристаллов выражается в зависимости от упругих (пластических и прочностных) характеристик (модулей и коэффициентов Юнга, коэффициентов Пуассона, коэффициентов сдвига, пределов упругости, текучести, прочности), от направления главных напряжений в кристалле по плоскостям скольжения. При этом наибольшие упругие характеристики обеспечиваются:

для кристаллов с ОЦК - решеткой - в направлении [111],

для кристаллов с ГЦК - решеткой - в направлении [111],

для кристаллов с ГПУ - решеткой - в направлении [1000].

Наибольшая пластичность обеспечивается:

для кристаллов с ОЦК - решеткой - в направлении [100] - ([111]),

для кристаллов с ГЦК - решеткой - в направлении [110] - ([100]),

для кристаллов с ГПУ - решеткой - в направлении [2110].

Наибольшие прочностные характеристики обеспечиваются:

для кристаллов с ОЦК - решеткой - в направлении [111],

для кристаллов с ГЦК - решеткой - в направлении [110],

для кристаллов с ГПУ - решеткой - в направлении [0001].

Поскольку структура покрытия представлена поликристаллической модификацией, расположение кристаллов (ориентация кристаллографического направления) в случае регламентированного упорядочения (текстурирования) по отношению к вектору внешней нагрузки определяет степень сопротивляемости покрытия соответствующему виду деформации.

Таким образом, за счет ориентирования внешне индуцированным магнитным полем оси легчайшего намагничивания в формирующихся кристаллах покрытия (с учетом восстановления свойства магнитной восприимчивости структуры в ходе кристаллизации) обеспечивается соответствующая ориентация преимущественного кристаллографического направления в кристаллитах по отношению к вектору нагрузки, формируя заданный тип текстуры. Поскольку толщина покрытия представлена функцией времени, каждому временному диапазону соответствует определенная ориентация оси легчайшего намагничивания по направлению магнитного поля, а следовательно, регламентированное положение кристаллографических направлений в кристаллитах относительно вектора эксплуатационной (внешней) нагрузки. Таким образом, в процессе формирования эксплуатационной толщины покрытия положение магнитного поля меняют, добиваясь формирования многозональной структуры, каждая зона в которой представляет собой различный тип текстурного состояния, ориентированного на определенный вид деформации.

Продолжительность стационарного положения поля, при котором формируется конкретный тип текстурного состояния, определяется по формуле

где h - толщина слоев покрытия, воспринимающая определенный вид деформации, мм;

I - интенсивность процесса формирования покрытия, мм/мин.

Действительно, при намагничивании выше точки магнитного насыщения для наносимого элемента вдоль направления вектора напряженности магнитного поля образуются напряжения растяжения, приводящие вследствие краевых эффектов к уменьшению плотности поверхностных слоев и способствующие проникновению элементов покрытия в подложку, увеличивающие глубину диффузного слоя, что способствует повышению адгезионных свойств материала основы. В плоскости, нормальной направлению поля, формируются магнитострикционные напряжения сжатия, способствующие повышению плотности структуры покрытия, сжимающие устья микротрещин и препятствующие образованию расслоений в покрытии. Поэтому при установке направления поля параллельно поверхности детали при формировании покрытия обеспечивается улучшение адгезионных характеристик основы; в дальнейшем, формируя эксплуатационную толщину покрытия, направление поля переориентируется с учетом необходимости обеспечения текстуры заданного формата и формируются остаточные напряжения сжатия.

Пример 1. Эксплуатационная толщина изотропного гальванического покрытия на основе железа (для структуры с кристаллами с ОЦК-решеткой), наносимого на деталь 1 (фиг.1) известным способом, составляет 0,5 мм, при этом со стороны нормально прилагаемой к поверхности силы F слой 2 на глубину h₂=0,05 мм подвержен пластическим деформациям, а далее на глубину h₁=0,25 мм упругим деформациям. Структура поверхностных слоев покрытия претерпевает деформацию сжатия, структура внутренних слоев - деформацию растяжения. В случае формирования анизотропного гальванического покрытия, наносимого на деталь 1 предлагаемым способом (фиг.2), для обеспечения сопротивляемости пластическому деформированию слоя 3 глубиной h₂=0,05 мм за счет повышения упругих свойств материала покрытия положение плоскости силовых линий магнитной индукции В₂ (ось легчайшего намагничивания в кристаллах <100>) ориентируют в ходе его формирования таким образом, при котором обеспечивается параллельность кристаллографического направления <111> вектору эксплуатационной нагрузки. С целью обеспечения сопротивляемости упругому деформированию слоя 2 глубиной h₁=0,25 мм за счет повышения пластических свойств материала покрытия положение плоскости силовых линий магнитной индукции В₁ ориентируют таким образом, при котором обеспечивается параллельность кристаллографического направления <100> вектору эксплуатационной нагрузки. Намагничивание проводят выше точки насыщения. Уменьшение эксплуатационной толщины покрытия достигается за счет толщины слоев, не подверженных деформациям (0,5-(0,05+0,25)=0,2 мм). Таким образом, для анизотропно-текстурированного покрытия, формируемого по заявляемому способу, глубина слоя с повышенными упругими характеристиками составляет 0,06 мм (0,05•1,2) при суммарной (эксплуатационной) толщине - 0,31 мм (0,06+0,25).

Пример 2. Слои изотропного гальванического покрытия на основе никеля (для структуры с кристаллами с ГЦК-решеткой) толщиной 0,5 мм на глубину 0,15 мм подвержены деформации разрушения, выраженного в поверхностном трещинообразовании, а далее на глубину 0,25 мм - деформируются пластически; глубинные слои и подложка (0,1 мм) деформируются упруго (упругопластически). Ввиду необходимости обеспечения сопротивляемости разрушению слоев за счет повышения прочностных свойств структуры на глубину 0,15 мм кристаллографическое направление <110> в образующейся текстуре ориентируют параллельно относительно вектора нагрузки, далее - на глубину 0,35 мм положение силовых линий магнитной индукции меняют, при этом параллельно ориентированным относительно вектора нагрузки оказывается кристаллографическое направление <111>, образуя упругую подложку. Уменьшение толщины покрытия обеспечивается за счет исключения толщины пластически деформированных слоев (0,25 мм). Намагничивание проводят выше точки насыщения. Таким образом, на долю упругодеформированных слоев приходится 0,12 мм (0,1•1,2), на долю слоев повышенной сопротивляемости разрушению 0,18 (0,15•1,2) мм. Эксплуатационная толщина покрытия составляет 0,3 мм (0,12+0,18) (см. таблицу).

Источники информации

А.С. РФ N 2162111, 7 С 21 D 1/4,20.01.2001. Патент СССР N 520905, С 25 D 3/00,05.07.1976.

1. А.С. РФ № 2162111, 7 С 21 D 1/4, 20.01.2001.

2. Патент СССР № 520905, С 25 D 3/00, 05.07.1976.

Формула изобретения

1. Способ получения покрытий на металлических поверхностях путем послойного гальванического осаждения материала покрытия в магнитном поле, отличающийся тем, что в качестве материала покрытия используют магнитовосприимчивые металлы с кристаллической решеткой, обеспечивающей получение заданных механических свойств покрытия, а намагничивание производят выше точки магнитного насыщения наносимого элемента, последовательно направляя вектор напряженности от параллельности покрываемой поверхности до параллельности вектору эксплуатационной нагрузки со статической выдержкой в каждом из положений, определяемой по формуле

где h - толщина слоев покрытия, воспринимающая определенный вид деформации, мм;

I - интенсивность процесса формирования покрытия, мм/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитовосприимчивых металлов используют никель, кобальт, железо.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2