Вакуумно-дуговой способ нанесения покрытия

Изобретение относится к способу нанесения покрытий вакуумно-дуговым испарением и может быть использовано при производстве триботехнических изделий и металлорежущего инструмента с функциональными покрытиями из легированных карбидных соединений. Катод-мишень изготавливают из порошковой смеси ее прессованием в заготовки и их вакуумным спеканием. Порошковая смесь состоит из следующих компонентов, мас.%: карбид хрома Cr₂C₃ 0,5-20, карбид титана TiC 0,5-20, карбид кремния SiC 0,3-10, кобальт Со 8-12, никель Ni 0,5-5, железо Fe≤0,1, молибден Мо≤0,1, сера S≤0,1, карбид вольфрама WC - остальное. Порошки смешивают в барабане при вращении со скоростью 300-400 об/мин и температуре 40-80°С в течение 120-900 с, вводят в смесь 4-12 мас.% пластификатора при перемешивании в течение 10-12 мин со скоростью 30-40 об/мин и температуре 24-35°С, гранулируют до размеров гранул 50-300 мкм и сушат при температуре 90-110°С, прессование заготовок ведут при давлении 30-35 МПа в течение 20-40 с до пористости <1%, вакуумное спекание ведут в два этапа, сначала нагревают заготовку за 100 мин до температуры 900-1000°С, выдерживают в течение 5-12 мин, затем нагревают за 130 мин до температуры 1450-1600°С, выдерживают в течение 120 мин и охлаждают сначала до 800°С за 60 мин, а затем вместе с печью до комнатной температуры. Нанесение покрытия включает нагрев изделия до температуры 430-450°С, зажигание вакуумно-дугового разряда, образование катодного пятна вакуумной дуги, формирование управляющего катодным пятном магнитного поля и изменение кривизны сформированного магнитного поля в процессе нанесения покрытия. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, долговечности и коррозионной стойкости покрытия при одновременном воздействии истирающих нагрузок и коррозионно-активных сред. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам нанесения покрытий вакуумно-дуговым испарением и может быть использовано при производстве триботехнических изделий (подшипники скольжения) и металлорежущего инструмента (сменные многогранные пластины, сверла, фрезы) с функциональными покрытиями, полученными с использованием легированных карбидных соединений.

Известен способ нанесения из газовой фазы (PVD-слой) на поверхность поршневого кольца износостойкого покрытия, содержащего осажденные одновременно карбиды хрома, титана, вольфрама, толщиной до 10 мкм.

(RU 2574563, С23С 14/06, С23С 14/24, опубликовано 10.02.2016)

Однако, для обеспечения максимально возможных значений служебных характеристик покрытия информация о составе композиционного катода-мишени, способе его получения и режимах осуществления процесса нанесения покрытия в описание охранного документа не раскрыты, т.е. являются неизвестными.

Технология получения композиционных многокомпонентных катодов-мишеней, содержащих смесь тугоплавкие компонентов различного состава, будут в значительной степени определять стабильность режимов осуществления процесса нанесения покрытия и, следовательно, качество нанесенного покрытия.

Известен способ изготовления композиционного катода-мишени для ионно-плазменного напыления, включающий приготовление порошковой смеси, прессование заготовок, последующее их спекание в вакууме, причем дисперсность исходных порошков составляет 40-120 мкм, прессование заготовок ведут до пористости 15-20%, нагрев до температуры спекания ведут со скоростью 2-3°С/мин, а спекание ведут при температуре 1000-1250°С в течение 1-3 часов.

(RU 2421844, С23С 14/00, опубликовано 20.06.2011)

Недостатком известного способа, предназначенного для получения катодов-мишеней на основе титана с добавками меди и кремния, является невозможность его применения для изготовления катодов-мишеней на основе карбида вольфрама из-за невозможности достижения требуемых механических характеристик материала.

Известен способ вакуумно-дугового нанесения покрытия, включающий испарение материала катода-мишени при воздействии дугового разряда, причем испарение ведут при воздействии на поверхность катода-мишени магнитным полем, силовые линии которого пересекают поверхность испарения преимущественно вертикально (в пределах ± 30 градусов относительно нормали)

(US 6334405, С23С 14/35, опубликовано 01.01.2001)

Однако использование известного способа для нанесения покрытия покрытий с использованием катода-мишени на основе карбида вольфрама не обеспечивает получение качественного покрытия из-за повышенного образования капельной фазы.

Наиболее близким по технической сущности является вакуумно-дуговой способ нанесения покрытия на изделие при управления траекторией движения катодного пятна вакуумно-дугового источника плазмы с использованием магнитной системы, состоящей из магнитопровода и двух катушек с токами противоположного направления, при реализации которого изменением соотношения токов в катушках регулируют кривизну линий магнитного поля, что обеспечивает контролируемое изменение радиуса траектории движения катодного пятна вакуумной дуги.

(RU 2013151829, С23С 14/35, опубликовано 27.05.2015)

Однако использование известного способа для нанесения покрытия с использованием катода-мишени из спеченного твердого сплава на основе карбида вольфрама типа Т15К6, легированного карбидом титана и кобальтом, не обеспечивает получение качественного износостойкого долговечного покрытия из-за повышенного образования капельной фазы в результате неравномерной выработки катода-мишени, что связано как с не оптимальным соотношением компонентов катода-мишени, так и с пористостью материала катода-мишени.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание вакуумно-дугового способа, обеспечивающего получение качественного покрытия с повышенными износостойкостью, долговечностью и коррозионной стойкостью при одновременном воздействии на покрытие истирающих нагрузок и коррозионно-активных сред.

Технический результат достигают тем, что вакуумно-дуговой способ нанесения покрытия включает изготовление катода-мишени путем приготовления порошковой смеси, прессования заготовок и их вакуумного спекания и вакуумно-дуговое испарение катода-мишени с формированием покрытия на изделии, причем для изготовления порошковой смеси используют порошки из карбида титана, карбида хрома, кобальта, никеля, железа, молибдена, серы и карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас. %: карбид хрома Cr₂C₃ 0,5-20, карбид титана TiC 0,5-20, карбид кремния SiC 0,3-10, кобальт Со 8-12, никель Ni 0,5-5, железо Fe≤0,1, молибден Мо≤0,1, сера S≤0,1, карбид вольфрама WC остальное; которые смешивают в барабане при вращении со скоростью 300-400 об/мин и температуре 40-80°С в течение 120-900 сек, вводят в смесь 4-12 мас. % пластификатора при перемешивании в течение 10-12 мин со скоростью 30-40 об/мин и температуре 24-35°С, гранулируют до размеров гранул 50-300 мкм и сушат при температуре 90-110°С, прессование заготовок ведут при давлении 30-35 МПа в течение 20-40 сек до пористости <1%, вакуумное спекание ведут в два этапа, сначала нагревают заготовку за 100 мин до температуры 900-1000°С и выдерживают в течение 5-12 мин, затем нагревают за 130 мин до температуры 1450-1600°С, выдерживают в течение 120 мин и охлаждают сначала до 800°С за 60 мин, а затем вместе с печью до комнатной температуры, а нанесения покрытия включает нагрев изделия до температуры 430-450°С, зажигание вакуумно-дугового разряда, образование катодного пятна вакуумной дуги, формирование управляющего катодным пятном магнитного поля и изменение кривизны сформированного магнитного поля в процессе нанесения покрытия.

Технический результат также достигают тем, что размеры частиц порошков в смеси составляют, мкм: карбида хрома 1-4 мкм, карбида титана 1-4 мкм, карбида кремния 3-5 мкм, кобальта 1-2,5 мкм, никеля 1-2,5 мкм, железа 1-2,5 мкм, молибдена 1-2,5 мкм, серы до 5 мкм, карбида вольфрама - 50% частиц 0,8-1 мкм, 50% частиц 0,4-0,6 мкм; в качестве пластификатора используют изопропиловый спирт; формирование управляющего катодным пятном магнитного поля и изменение его кривизны ведут изменением соотношения имеющих разное направление токов питания двух магнитных катушек, размещенных на магнитопроводе соосно катоду-мишени, от 1:1 до 1:0,2.

Изобретение можно проиллюстрировать следующим примером.

Для изготовления порошковой смеси используют порошки из карбида титана, карбида хрома, кобальта, никеля, железа, молибдена, серы и карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас. %: карбид хрома Cr₂C₃ 0,5-20, карбид титана TiC 0,5-20, карбид кремния SiC 0,3-10, кобальт Со 8-12, никель Ni 0,5-5, железо Fe≤0,1, молибден Мо≤0,1, сера S≤0,1, карбид вольфрама WC остальное. Качественный состав порошковой смеси для изготовления катода-мишени и соотношение компонентов обеспечивают повышение твердости, устойчивость получаемого с его использованием покрытия к абразивному и гидроабразивному износу, а также износу в условиях фреттинг-коррозии, и снижают коэффициент трения.

Оптимальными для спекаемости и стабильной работы катода-мишени являются размеры частиц порошков в смеси, которые составляют, мкм: карбида хрома 1-4 мкм, карбида титана 1-4 мкм, карбида кремния 3-5 мкм, кобальта 1-2,5 мкм, никеля 1-2,5 мкм, железа 1-2,5 мкм, молибдена 1-2,5 мкм, серы до 5 мкм, карбида вольфрама - 50% частиц 0,8-1 мкм, 50% частиц 0,4-0,6 мкм.

Для изготовления заготовок порошковую смесь перешивают в барабане при вращении со скоростью 300-400 об/мин и температуре 40-80°С в течение 120-900 сек, вводят в смесь 4-12 мас. % пластификатора (изопропиловый спирт) при перемешивании в течение 10-12 мин со скоростью 30-40 об/мин и температуре 24-35°С, гранулируют до размеров гранул 50-300 мкм и сушат при температуре 90-110°С. Указанные режима осуществления способа по изобретению являются оптимальными для проведения последующих операций прессования и спекания.

Прессование заготовок ведут при давлении 30-35 МПа в течение 20-40 сек до пористости<1%, а вакуумное спекание ведут в два этапа. На первом этапе т заготовку нагреваю за 100 мин до температуры 900-1000°С и выдерживают в течение 5-12 мин. На втором этапе заготовку нагревают за 130 мин до температуры 1450-1600°С, выдерживают в течение 120 мин и охлаждают сначала до 800°С за 60 мин, а затем вместе с печью до комнатной температуры.

В результате получают катод-мишень диаметром 130 мм, толщиной 30 мм, плотностью 14 г/см³ и пористостью менее 1%. Катод-мишень закрепляют на подложке из никеля пайкой при температуре 665-730°С. Полученный материал катода-мишени также допускает осуществление сварки при температурах 1450-1550°С.

Для нанесения покрытия используют устройство для нанесения покрытия вакуумно-дуговым испарением, снабженное устройством изменения положения катодного пятна на поверхности дискового катода-мишени и управления скоростью изменения его положения в виде двух магнитных катушек постоянного тока, размещенных на магнитопроводе одна за другой соосно с катодом-мишенью и питаемых токами противоположного направления. При изменении тока питания одной из магнитных катушек, т.е. соотношения токов магнитных катушек, происходит изменение кривизны арочного магнитного поля над поверхностью катода-мишени и, как следствие, изменение радиуса траектории движения катодного пятна вакуумной дуги по поверхности катода-мишени. При этом происходит изменение места интенсивного испарения материала катода-мишени, что обеспечивает равномерность выработки катода-мишени и снижает долю капельной фазы в формируемом покрытии.

Нанесение покрытия ведут после зажигания вакуумно-дугового разряда и образования катодного пятна вакуумной дуги на поверхности катода-мишени при изменении соотношения имеющих разное направление токов питания двух магнитных катушек, размещенных на магнитопроводе соосно катоду-мишени, от 1:1 до 1:0,2 со скоростью изменения тока в одной из катушек 0,1-50 А/мин.

Нанесение покрытия вели на изделие, предварительно нагретое до температуры 430-450°С при его вращении со скоростью 3-10 об/мин. Ток вакуумно-дугового испарителя составил 100-120 А, напряжение смещения - до 900 В, ток смещения ≤15 А.

В результате осуществления способа по изобретению было получено износостойкое и коррозионностойкое покрытие с коэффициент трения 0,01 и скорость износа 0,5 10^-8 мм³/Нм.

1. Способ вакуумно-дугового нанесения покрытия, включающий изготовление катода-мишени путем приготовления порошковой смеси, прессования в заготовку и вакуумного спекания и вакуумно-дуговое испарение полученного катода-мишени с формированием покрытия на изделии, отличающийся тем, что порошковую смесь получают из порошков карбида титана, карбида хрома, кобальта, никеля, железа, молибдена, серы и карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид хрома Cr₂C₃ 0,5-20, карбид титана TiC 0,5-20, карбид кремния SiC 0,3-10, кобальт Со 8-12, никель Ni 0,5-5, железо Fe≤0,1, молибден Mo≤0,1, сера S≤0,1, карбид вольфрама WC - остальное, которые смешивают в барабане при его вращении со скоростью 300-400 об/мин и температуре 40-80°С в течение 120-900 с, затем вводят в смесь 4-12 мас.% пластификатора при перемешивании в течение 10-12 мин со скоростью 30-40 об/мин и температуре 24-35°С, гранулируют до размеров гранул 50-300 мкм и сушат при температуре 90-110°С, осуществляют прессование заготовок при давлении 30-35 МПа в течение 20-40 с до пористости <1%, а вакуумное спекание осуществляют в два этапа: сначала нагревают заготовку в течение 100 мин до температуры 900-1000°С и выдерживают в течение 5-12 мин, затем нагревают в течение 130 мин до температуры 1450-1600°С, выдерживают в течение 120 мин и охлаждают сначала до 800°С в течение 60 мин, а затем вместе с печью до комнатной температуры, при этом нанесение покрытия осуществляют путем нагрева изделия до температуры 430-450°С, зажигания вакуумно-дугового разряда с образованием катодного пятна вакуумной дуги, формирования управляющего катодным пятном магнитного поля и изменения кривизны сформированного магнитного поля в процессе нанесения покрытия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размеры частиц порошка в смеси составляют, мкм: карбида хрома 1-4, карбида титана 1-4, карбида кремния 3-5, кобальта 1-2,5, никеля 1-2,5, железа 1-2,5, молибдена 1-2,5, серы до 5, карбида вольфрама - 50% частиц 0,8-1 мкм, 50% частиц 0,4-0,6 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора используют изопропиловый спирт.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование управляющего катодным пятном магнитного поля и изменение его кривизны ведут изменением соотношения имеющих разное направление токов питания двух магнитных катушек, размещенных на магнитопроводе соосно катоду-мишени, от 1:1 до 1:0,2.