Композиционный материал для многослойных покрытий

Изобретение относится к области материаловедения в машиностроении, в частности к композиционным материалам, применяемым для защиты деталей трения и металлообрабатывающего инструмента от изнашивания. Предложенный материал содержит внутренний титаносодержащий слой и внешний углеродосодержащий слой, при этом внутренний слой выполнен из титана или нитрида титана, а углеродосодержащий слой - из углеродосодержащего вещества с алмазоподобной и графитоподобной модификацией с содержанием 5-20 мас.% графитовой фазы, причем толщина титаносодержащего и углеродосодержащего слоев составляет 0,01-0,2 мкм при их повторяемости от 1 до 8, а соотношение титана и углерода в материале равно 1. Техническим результатом изобретения является создание композиционного материала для многослойного титаносодержащего покрытия для металлообрабатывающего инструмента с повышенными показателями функционального ресурса. 3 табл.

 

Изобретение относится к области материаловедения в машиностроении, в частности к композиционным материалам, применяемым для защиты деталей трения и металлообрабатывающего инструмента от изнашивания.

Современное машиностроение широко применяет инструмент, на рабочую поверхность которого нанесены композиционные покрытия [1]. К числу наиболее распространенных покрытий для металлообрабатывающего инструмента относят нитрид титана TiN, который наносят с помощью плазмохимических технологий. Покрытие из нитрида титана обеспечивают высокую износостойкость инструмента для холодного деформирования металлических заготовок благодаря предотвращению явлений схватывания и задира [2]. При нанесении покрытий из нитрида титана на металлорежущий инструмент (сверла, фрезы, метчики, зенкеры и т.п.) эффект резко снижается. Это обусловлено использованием повышенных температур для формирования покрытия из TiN (300-500°С), которые вызывают снижение твердости инструмента из-за явления отпуска. Кроме того, несепарированная капельная фаза TiN повреждает режущую крошку, вызывая ее затупление и снижение режущей способности.

В связи с этим для обработки различного рода инструмента и деталей трения применяют композиционные многослойные покрытия, слои которых выполняют различные функции - формирующую, противоизносную, антикоррозионную.

Известно износостойкое покрытие для рабочих поверхностей плунжерных пар топливных насосов [3]. Композиционное покрытие содержит несколько слоев, в. т.ч. слой нитрида титана, меди или медьсодержащего сплава, и составляет от 0,01 до 0,5 мкм. Такое покрытие наносят в вакуумных установках послойно на подготовленную поверхность деталей плунжерных пар. Известное покрытие обеспечивает высокую износостойкость пар трения в режиме воздействия высоких нагрузок и небольших перемещений. К существенным недостаткам данного материала относятся недостаточная эффективность для металлорежущего инструмента и плохая смачиваемость смазочно-охлаждающими средами вследствие наличия поверхностного гидрофобного слоя политетрафторэтилена.

Наиболее близким к предложенному является композиционный материал для многослойных покрытий, содержащий внутренний титаносодержащий слой и внешний углеродосодержащий слой [4].

Задачей изобретения является создание композиционного материала для многослойного титаносодержащего покрытия для металлообрабатывающего инструмента с повышенными показателями функционального ресурса.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал для многослойных покрытий содержит внутренний титаносодержащий слой и внешний углеродосодержащий слой, причем внутренний слой выполнен из титана или нитрида титана, а углеродосодержащий слой - из углеродосодержащего вещества с алмазоподобной и графитоподобной модификацией с содержанием 5-20 мас.% графитовой фазы, при этом толщина титаносодержащего и углеродосодержащего слоев составляет 0,01-0,2 мкм, при их повторяемости от 1 до 8, а соотношение титана и углерода в материале равно 1.

Отличие предложенного композиционного материала состоит в том, что внутренний слой выполнен из титана или нитрида титана, а углеродосодержащий слой - из углеродосодержащего вещества с алмазоподобной и графитоподобной модификацией с содержанием 5-20 мас.% графитовой фазы, при этом толщина титаносодержащего и углеродосодержащего слоев составляет 0,01-0,2 мкм, при их повторяемости от 1 до 8, а соотношение титана и углерода в материале равно 1, что обеспечивает высокую износостойкость инструмента и качество обрабатываемой поверхности в процессе эксплуатации.

Для подтверждения эффективности заявленного состава композиционного материала приводим следующие данные.

При формировании композиционного материала применяли слои из нитрида титана (TiN), полученные при магнитной сепарации плазменного потока, углеродосодержащие слои с различным содержанием алмазоподобной и графитоподобной фракции, т.н. «алмазоподобные покрытия» (АПП), углеродосодержащие слои, легированные титаном (Ti+C). Слои наносили на режущие кромки сверл из стали Р6М5 с диаметром рабочей части 0,3, 0,5, 0,8, 1,0, 2,0 мм. Для нанесения композиционного материала использовали серийную установку вакуумного напыления УВ НИПА-1-001. Установка содержит газовый ионный источник, с помощью которого осуществляли очистку и нагрев изделий, источник плазмы стационарного катодно-дугового разряда с металлическим (титановым) катодом, источник плазмы импульсного катодно-дугового разряда с катодом из графита. Слой композиционного материала формировали за один цикл нанесения. Контроль толщины осуществляем расчетным методом исходя из предварительно определенных значений скорости осаждения. Составы материалов приведены в табл.1.

Триботехнические испытания композиционного материала проведены по схеме «плоскость - ролик» на установке, разработанной на базе машины трения СМТ-1. Использовали стандартную четырехпроводную схему измерения контактного сопротивления в паре трения. Момент полного износа покрытия определяли по снижению уровня контактного сопротивления до величины 1 м·Ом, характерной для множественного металлического контакта.

Ресурсные испытания сверл с композиционным покрытием проводили на сверлильной установке при постоянной нагрузке 27,7 Н. В процессе испытаний замеряли время сверление одного отверстия и количество сверлении до затупления сверла. В качестве материала для сверления использовали текстолит поделочный марки ПТ толщиной 5 мм.

Результаты испытаний приведены в табл.2-3. В таблице 3 приведены сравнительные характеристики различных композиционных покрытий, имеющих одинаковую технологию формирования. Как следует из данных таблицы 2 и 3, заявляемые составы композиционного материала для покрытий (составы II-VII) превосходят прототип (состав I) по комплексу характеристик - имеют более высокую износостойкость и более низкий коэффициент трения.

Таблица 3
Сравнительные триботехнические свойства материалов для покрытий металлообрабатывающего инструмента
Состав покрытия	Толщина слоя, мкм	Характеристики
Коэффициент трения	Интенсивность изнашивания 10-11 м3/м
Без покрытия	-	0,52	1,40е
Нитрид титана TiN (аналог)	1,1	0,59	0,75
Титан+ углеродсодержащий алмазоподобный слой (содержание графитовой фазы 20%) (АПП) (заяв. состав)	0,1+0,2	0,22	0,18
Нитрид титана (подслой AПП+TiN)×4 (заяв. состав)	0,8+(0,05+0,05)×4	0,18	0,2
Нитрид титана (подслой)+(Ti +АПП)×7 (заяв. состав)	0,8+(0,01+0,05)×7	0,36	0,005

Оптимальными характеристиками обладают составы в заявленном соотношении компонентов, которое определяется толщиной слоя, количеством слоев, введением углеродосодержащего слоя с алмазоподобной фракцией при их определенном соотношении Ti/C в материале в целом. Уменьшение содержания графитоподобной фракции в АПП менее заявляемого приводит к увеличению коэффициента трения, превышение содержания графитовой составляющей в АПП уменьшает износостойкость покрытий и увеличивает время сверления особенно при большом количестве циклов (400-500 шт.). Уменьшение толщины функциональных слоев менее 0,01 мкм или их увеличение более 0,2 мкм снижает долговечность покрытия из композиционного материала или не дает дополнительного эффекта при увеличении стоимости покрытия. Оптимальными характеристиками обладают покрытия из материалов в которых соотношение титана и углерода равно 1. Превышение содержания титана (состав XIV) или его уменьшение (состав XV) по отношению к стехиометрическому неблагоприятно сказывается или на росте коэффициента трения или на износостойкости покрытия.

Таким образом, только заявляемый состав в заявленном соотношении компонентов обладает более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с прототипом.

Покрытия из заявленного композиционного материала прошли испытания на ОАО «Белкард» при использовании различного вида металлообрабатывающего инструмента и рекомендованы к промышленному применению.

Источники информации.

1. Научно-технический прогресс в машиностроении: Современные методы упрочнения деталей машин. Обзор, информ. Выпуск 9. Под ред. К.В.Фролова. - М. - 1991. - С. - 187.

2. Цуань Янь, Короткевич С.В., Чижик С.А., Попов А.Н. Комплексный анализ триботехнических свойств многослойных сверхтвердых покрытий// Межд. Симпозиум «О природе трения твердых тел»», Белтриб. - 2002, ИММС НАНБ, Гомель, 2002. - С.94 -95.

3. Патент Республики Беларусь 3886, МПК С 23 С 30/001, 14/12, F 16 G 1/02 опубл. 2001.

4. Патент Российской Федерации 2026412, МПК7 С 23 С 14/00, опубл. 1995.

Композиционный материал для многослойных покрытий, содержащий внутренний титаносодержащий слой и внешний углеродосодержащий слой, отличающийся тем, что внутренний слой выполнен из титана или нитрида титана, а углеродосодержащий слой - из углеродосодержащего вещества с алмазоподобной и графитоподобной модификацией с содержанием 5-20 мас.% графитовой фазы, при этом толщина титаносодержащего и углеродосодержащего слоев составляет 0,01-0,2 мкм, при их повторяемости от 1 до 8, а соотношение титана и углерода в материале равно 1.