Способ получения покрытия на основе системы ti-al, синтезированного в среде азота и ацетилена




Владельцы патента RU 2782102:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в инструментальном производстве для поверхностного упрочнения металлорежущего инструмента. Покрытие на основе системы Ti-Al получают путем его нанесения на деталь 2 вакуумно-дуговым осаждением с двух электродуговых испарителей из однокомпонентных катодов из титана 3 и алюминия 4, при этом предварительно обезжиривают поверхность детали 2, помещают обрабатываемую деталь 2 в вакуумную камеру 1, создают в камере рабочее давление 8⋅10-3-5⋅10-2 Па, проводят ионную очистку, нагрев и активацию поверхности в два этапа, причем ее нагрев на первом этапе осуществляют до температуры 300-350°C с использованием сильноточного плазменного источника с полым катодом 5 в среде инертного газа аргона, на втором этапе поверхность детали 2 нагревают до температуры 400-450°С электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, после этого наносят первый слой титана в среде инертного газа аргона, после чего наносят покрытие на основе системы Ti-Al в среде смеси газов азота и ацетилена с образованием фаз TiN, AlN, TiAl, Ti3Al, TiAl3, TiC, TiAlC при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником также с использованием полого катода. Технический результат заключается в повышении качества, стойкости и однородности покрытия. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения, и может быть использовано в инструментальном производстве для поверхностного упрочнения металлорежущего инструмента.

Стойкость и износостойкость являются основными характеристиками надежности инструмента. Около 90% случаев выхода инструмента из строя связана с воздействием на него сжимающих, изгибающих, ударно-импульсивных и знакопеременных нагрузок внешних усилий и нагрузок в процессе резания. В результате на контактные площадки инструмента воздействуют абразивные, адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы. В связи с этим на сегодняшний день применяют новые инструментальные материалы или применяют дополнительные методы упрочнения контактных площадок режущего инструмента. Одним из экономически и технически эффективных методов, предлагаемых и используемых при решении задачи повышения износостойкости режущего инструмента, является метод вакуумно-дугового осаждения покрытий.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при котором наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 87,7-91,9, алюминий 7,0-11,0, кремний 1,1-1,3, промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,7-94,9, алюминий 4,0-6,0, кремний 1,1-1,3, верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 91,5-94,5, алюминий 5,5-8,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов (патент РФ 2464341, МПК С23С 14/26, 14/24, 27/14, 20.10.2012, Бюл. №29).

Недостатками данного способа является то, что используются составные катоды, которые не обеспечивают однородности по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента, а также сложность изготовления таких катодов, ведущих к удорожанию реализации способа.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при котором наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 85,0-90,0, алюминий 10,0-15,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и хрома при их соотношении, мас.%: титан 80,5-87,5, алюминий 6,0- 10,0, хром 6,5-9,5; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и хрома при их соотношении, мас.%: титан 70,5-79,5, алюминий 14,0-20,0, хром 6,5-9,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов (патент РФ 2428514, МПК С23С 14/06, 14/24, 10.09.2011, Бюл. № 25)

Недостатком данного способа является то, что используются составные катоды, не обеспечивающие однородности по химическому составу покрытия.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение трехслойного покрытия в среде ацетилена, при котором в качестве нижнего слоя при давлении ацетилена в камере установки 7,5⋅10-4 Па и температуре 600°С наносят карбонитрид титана и алюминия, в качестве промежуточного слоя при давлении ацетилена в камере установки 7,5⋅10-4 Па и температуре 550°С наносят такой же карбонитрид, легированный кремнием, а в качестве верхнего слоя при давлении ацетилена в камере установки 4,3⋅10-3 Па и температуре 500°С наносят карбонитрид титана и кремния. В процессе осуществления указанного способа нижний слой составляет толщину 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм (патент РФ 2424353, МПК С23С 14/06, 14/24, 20.07.2011, Бюл. №20)

Недостатком данного способа является то, что используются составные катоды, не обеспечивающие однородности по химическому составу покрытия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения покрытия на основе системы Ti-Al путем нанесения покрытия вакуумно-дуговым осаждением с двух электродуговых испарителей из однокомпонентных катодов из титана и алюминия в среде газа азота, включающий предварительное обезжиривание поверхности детали, помещение обрабатываемой детали в вакуумную камеру, создание в камере рабочего давления 8⋅10-3-5⋅10-2 Па, ионную очистку, нагрев и активацию поверхности детали в два этапа, причем на первом этапе ее нагрев осуществляют сильноточным плазменным источником с катодом до температуры 350-400°С в среде инертного газа аргона, на втором этапе поверхность детали нагревают до температуры 400-450°С электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, после этого наносят первый слой титана в среде инертного газа аргона, после чего наносят покрытие на основе системы Ti-Al, при этом нанесение покрытия осуществляют при ассистировании процессу сильноточным плазменным источником с катодом с образованием фаз TiN, AIN, TiAl, Ti3Al, TiAT (патент РФ C1 МПК C23C 14/24, 14/02, 14/06, 28.05.2019, Бюл. №16).

Недостатком данного способа является то, что в качестве износостойкого покрытия используют соединения на основе азота, которые не всегда обеспечивают необходимые свойства покрытия.

Технический результат заключается в повышении качества, стойкости и однородности покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения покрытия на основе системы Ti-Al путем нанесения покрытия вакуумно-дуговым осаждением с двух электродуговых испарителей из однокомпонентных катодов из титана и алюминия в газовой среде, содержащей азот, включающем предварительное обезжиривание поверхности детали, помещение обрабатываемой детали в вакуумную камеру, создание в камере рабочего давления 8⋅10-3-5⋅10-2 Па, ионную очистку, нагрев и активацию поверхности в два этапа, причем на первом этапе ее нагрев осуществляют сильноточным плазменным источником с катодом в среде инертного газа аргона, на втором этапе поверхность детали нагревают до температуры 400-450°С электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, после этого наносят первый слой титана в среде инертного газа аргона, после чего наносят покрытие на основе системы Ti-Al при ассистировании процессу сильноточным плазменным источником с катодом, в отличие от прототипа, нагрев на первом этапе осуществляют до температуры 300-350°С с использованием полого катода, а покрытие на основе системы Ti- Al наносят в среде смеси газов азота и ацетилена с образованием фаз TiN, AIN, TiAl, Ti3Al, TiAT, TiC, TiAlC при ассистировании процессу также с использованием полого катода.

Существо изобретения поясняется чертежом Фиг. 1, на котором изображена принципиальная схема устройства в примере конкретной реализации способа получения покрытия согласно изобретению, на Фиг. 2 представлена диаграмма зависимости износа от пути резания.

Пример конкретной реализации способа.

Устройство Фиг. 1 содержит: вакуумную камеру 1, обрабатываемую деталь 2, электродуговой испаритель (катод) 3 из титана, электродуговой испаритель (катод) 4 из алюминия, плазменный источник с полым катодом 5, стол для установки образцов 6.

Способ осуществляется следующим образом:

В вакуумной камере 1 на столе 6 устанавливают обрабатываемую деталь, например, металлорежущий инструмент. Затем в камере создают рабочее давление, равное 8⋅103-5⋅10-2 Па. Далее проводят ионную очистку нагрев и активацию поверхности детали двумя этапами. На первом этапе проводят ионную чистку сильноточным плазменным источником с полым катодом в среде инертного газа аргона, при этом деталь нагревают до температуры 300-350°С. Далее на втором этапе проводят ионную очистку электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона при нагреве поверхности до температуры 400-450°С. Далее в среде инертного газа аргона при том же давлении наносят первый слой из Ti дуговым испарителем с титановым катодом для лучшей адгезии. Следующий слой на основе карбонитридов системы TiAl наносят дуговыми испарителями из титанового катода 3 и алюминиевого катода 4 в среде смеси реакционных газов азота и ацетилена при давлении 9⋅102-3⋅10-2 Па. Формирование покрытия системы Ti-Al-C-N происходит при одновременном распылении двух дуговых испарителей с титановым 3 и алюминиевым катодами 4, расположенными в одной плоскости противоположно друг другу.

Для проведения сравнительных испытаний на твердосплавные пластины из материала ВК8 было нанесено покрытие системы Ti-Al-N и разработанное, согласно изобретению, покрытие Ti-Al-C-N. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1 и на фиг. 2.

Таблица
Материал инструмента Микроотвердость HV Путь резания, м (до hз=0,3 мм) Примечание
ВК8(без покрытия) 1600 295
ВК8+TiAlN 2200 864 прототип
ВК8+TiAlCN 3800 3113 по изобретению

Проведенные испытания показывают, что покрытие на основе системы Ti-Al-C-N позволяет повысить износостойкость инструмента в 10 раз по сравнению с режущим инструментом без покрытия и в 3,5 раза по сравнению с инструментом с покрытием Ti-Al-N, синтезированным в среде азота (по прототипу).

Итак, заявляемое изобретение позволяет получать износостойкое покрытие на основе системы TiAl, синтезированное в среде смеси газов азота и ацетилена с образованием фаз TiN, AIN, TiAl, Ti3Al, TiАT, TiC, TiAlC, которое обладает однородным составом по всему объему за счет использования плазменного источника с полым катодом.

Способ получения покрытия на основе системы Ti-Al путем нанесения покрытия вакуумно-дуговым осаждением с двух электродуговых испарителей из однокомпонентных катодов из титана и алюминия в газовой среде, содержащей азот, включающий предварительное обезжиривание поверхности детали, помещение обрабатываемой детали в вакуумную камеру, создание в камере рабочего давления 8⋅10-3-5⋅10-2 Па, ионную очистку, нагрев и активацию поверхности в два этапа, причем на первом этапе ее нагрев осуществляют сильноточным плазменным источником с катодом в среде инертного газа аргона, на втором этапе поверхность детали нагревают до температуры 400-450°С электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, после этого наносят первый слой титана в среде инертного газа аргона, после чего наносят покрытие на основе системы Ti-Al при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником с катодом, отличающийся тем, что нагрев на первом этапе осуществляют до температуры 300-350°C с использованием полого катода, а покрытие на основе системы Ti-Al наносят в среде смеси газов азота и ацетилена с образованием фаз TiN, AlN, TiAl, Ti3Al, TiAl3, TiC, TiAlC при ассистировании процесса также с использованием полого катода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области космонавтики, в частности к получению тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), для устранения микротрещин на поверхности корпуса космических летательных аппаратов (КЛА). Устройство содержит камеру 1, на боковой поверхности которой выполнено смотровое окно 21 из прозрачного материала, и основание, цилиндрическую спрессованную СВС-шихту 8, спираль 12 для инициирования СВС синтеза и испаряемый материал 9, при этом камера 1 выполнена цилиндрической и в верхней части содержит герметичную двойную стенку 2 с вакуумным клапаном 4 и гибким шлангом 5, присоединенным к открытому космосу для создания вакуума 10-5-10-6 мм рт.ст.

Изобретение относится к оборудованию для нанесения покрытий на подложку. Установка для вакуумного осаждения для непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку покрытий, сформированных из металла или металлического сплава, содержит тигель для испарения, выполненный с возможностью подачи паров металла или металлического сплава и содержащий испарительную трубку 7, камеру для осаждения, выполненную с возможностью прохождения подложки по заданной траектории, и устройство 3 для нанесения покрытий струёй пара, соединяющее испарительную трубку 7 с камерой для осаждения, при этом устройство 3 для нанесения покрытий струёй пара дополнительно включает в себя распределительную камеру 31, содержащую по меньшей мере одно средство повторного нагрева 33, расположенное внутри распределительной камеры, и сопло 32 для выпуска пара, содержащее нижнее отверстие 9, соединяющее сопло 32 для выпуска пара с распределительной камерой 31, верхнее отверстие 10, через которое пар может выходить в камеру для осаждения, и две боковые поверхности 11, 12, сходящиеся друг к другу в направлении верхнего отверстия 10.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при нанесении покрытий на поверхность изделий, предназначенных для машиностроения, авиации, космонавтики, энергетики. В качестве исходных компонентов используют металлосодержащий порошок и оксид графена в объёмном соотношении (1:1)÷(5:1).

Изобретение относится к устройствам защиты стенок вакуумной камеры от напыления продуктами испарения свариваемого или наплавляемого материала и может быть использовано в различных областях машиностроения. Устройство защиты представляет собой металлические панели из немагнитного материала, прикрепленные с помощью болта к бобышкам, которые приварены к внутренней стенке вакуумной камеры.

Изобретение относится к устройству (100) и способу магнетронного распыления. Устройство содержит подложку (20), анод (34) в электрическом поле постоянного тока, мишень (16), которая образует катод (30) в электрическом поле постоянного тока и содержит электропроводящую смесь (36) для нанесения покрытия на подложку (20).

Изобретение относится к вакуумной технологии очистки поверхности и нанесения упрочняющих покрытий на изделия из кварцевого стекла, преимущественно марки КВ, указанная технология может быть использована в космических аппаратах в условиях космического пространства. Предложен способ восстановления прозрачного упрочняющего неорганического покрытия из кварцевого стекла марки КВ на поверхности изделия из кварцевого стекла, используемого в космическом аппарате, осуществляемый в имитируемых условиях космического пространства.
Изобретение относится к области декорирования стекла и изделий, а именно к способу нанесения алюминия на стеклянные изделия из него, и может быть использовано в стекольной промышленности на технологической стадии нанесения декоративных покрытий на стеклянные бытовые товары. Из камеры для напыления откачивают воздух до вакуума 0,007 Па и вращают корзину со стеклянными изделиями со скоростью вращения корзины 2 оборота в минуту.
Изобретение относится к области декорирования стекла и изделий из него, а именно к способу нанесения латуни марки Л63 на стеклянные изделия, и может быть использовано в стекольной промышленности на технологической стадии нанесения декоративных покрытий на стеклянные бытовые товары. Из камеры для напыления откачивают воздух до вакуума 0,007 Па и вращают корзину со стеклянными изделиями со скоростью вращения корзины 2 оборота в минуту.
Группа изобретений относится к области декорирования стекла и изделий из него, а именно к способам нанесения оксида титана на стеклянные изделия, и может быть использована в стекольной промышленности. Из камеры для напыления откачивают воздух до вакуума 0,02 Па и вращают корзину со стеклянными изделиями со скоростью вращения корзины 2 оборота в минуту.

Изобретение относится к мишени для катодного распыления и способу изготовления мишени (варианты). Мишень изготовлена с одной стороны из оксида по меньшей мере одного элемента, выбираемого из группы, содержащей титан, кремний и цирконий, и, с другой стороны, из частиц металла, включенного в группу, образованную серебром, золотом, платиной, медью и никелем, или частиц сплава, образованного по меньшей мере из двух этих металлов.

Изобретение относится к области космонавтики, в частности к получению тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), для устранения микротрещин на поверхности корпуса космических летательных аппаратов (КЛА). Устройство содержит камеру 1, на боковой поверхности которой выполнено смотровое окно 21 из прозрачного материала, и основание, цилиндрическую спрессованную СВС-шихту 8, спираль 12 для инициирования СВС синтеза и испаряемый материал 9, при этом камера 1 выполнена цилиндрической и в верхней части содержит герметичную двойную стенку 2 с вакуумным клапаном 4 и гибким шлангом 5, присоединенным к открытому космосу для создания вакуума 10-5-10-6 мм рт.ст.
Наверх