СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ГРАДИЕНТНОГО ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ TI-AL НА СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ В ВАКУУМЕ Российский патент 2018 года по МПК C23C14/24 C23C14/16 C23C8/38 

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий и может быть использовано для расширения ассортимента деталей машин и инструмента, на которые наносят износостойкое покрытия.

Известен способ получения покрытий на основе Ti3Al-интерметаллических композиционных материалов, в котором процесс разделен на два этапа: сначала наносят чистый Al на подложку из Ti6Al4V с использованием плазменного напыления и затем осуществляют лазерное азотирование Al-покрытия в атмосфере азота. (Z.D. Liu, Х.С. Zhang, F.Z. Xuan, Z.D. Wang, S.T. Tu. In situ synthesis of TiN/Ti3Al intermetallic matrix composite coatingson Ti6Al4V alloy. // Z.D. Liu et al. / Materials and Design 37 (2012), 268-273 p.).

Недостатком способа является разделение процесса на два этапа в двух установках за счет этого увеличивается время получения покрытия и ухудшается качество покрытия.

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на основе нитрида или карбонитрида титана, содержащего алюминий и легирующий компонент молибден. Покрытие наносят вакуумно-плазменным методом двумя противоположно расположенными составными катодами, содержащими титан и алюминий, и размещенным между ними составным катодом, содержащим титан и молибден TiAlMoN (патент РФ №2269596, МПК С23С 14/06, опубл. 10.02.2006).

Недостатком способа является использование составных катодов: во-первых, необходимость изготовления составных катодов, во-вторых, процентное соотношение Ti и Al будет постоянно, и его невозможно будет менять в ходе процесса напыления.

Известен способ нанесения защитного износостойкого покрытия на режущий инструмент. Износостойкое ионно-плазменное покрытие на основе сложного нитрида титана, алюминия и хрома ((TixAlyCrz)N, нанесенное на металлическое изделие. Для нанесения покрытия используется "несбалансированный" магнетронный источник (патент РФ №2405060, МПК С23С 14/06, С23С 14/35, опубл. 15.10.2009).

Недостатком способа является использование покрытия на основе сложного нитрида титана, алюминия и хрома, которые приводят к удорожанию и усложнению реализации способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, при котором на титановый сплав наносят порошок алюминия и расплавляют в атмосфере азота. При этом происходит поверхностное легирование с образованием нитридов титан алюминия ( J. de la Fuente, J.J. de Damborenea' (Ti, Al) (Ti, Al N) coatings produced by laser surface alloying // et al. rMaterials Letters 53 2002 44-51 p.).

Недостатком способа является образование на поверхности не равномерного слоя покрытия.

Задача изобретения заключается в получении равномерных износостойких покрытий.

Технический результат заключается в получении градиентных износостойких покрытий, обеспечивающих повышение механических свойств, адгезионной прочности покрытия.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе получения износостойкого градиентного покрытия системы Ti-Al на стальной детали в вакууме, включающий осаждение интерметаллидного покрытия системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда в течение 180 мин при давлении Р=1.5*10^-1 Па в среде инертного газа в виде аргона и токах дуговых испарителей в диапазоне 60-120 А и последующие азотирование в дуговом разряде посредством плазменного источника с накальным катодом в течение 60 мин при давлении 2*10^-1 Па в среде реакционного газа в виде азота, токе накального катода 100 А и токе дугового разряда плазменного источника 50 А и температуре детали 550°С.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена вакуумная установка.

На фиг. 2 изображен первый этап нанесения покрытия.

На фиг. 3 изображена деталь после нанесения покрытия.

На фиг. 4 изображен второй этап азотирование.

На фиг. 5 изображена деталь после азотирования.

Пример конкретной реализации способа

Устройство, реализующее способ содержит: вакуумную камеру 1, в которой установлены электродуговые испарители (катоды) 2, накальный катод 3. В центре вакуумной камеры 1 установлен стол, на котором установлена обрабатываемая деталь 4 (фиг. 1). На первом этапе обрабатываемую деталь 4 бомбардируют потоками ионов металла 5 (фиг. 2), образуя покрытие 6 (фиг. 3), на втором этапе обрабатываемую деталь 4 бомбардируют потоками ионов газа азота 7 (фиг. 4). В результате получают градиентное покрытие 8 (фиг. 5).

Способ осуществляется следующим образом.

В вакуумной камере 1 устанавливают обрабатываемую деталь 4. В вакуумной камере 1 создают рабочее давление Р=1.5*10^-1 Па. Токи дуговых испарителей устанавливают в диапазоне I=60-120 А. Далее происходит процесс осаждения многослойного композиционного покрытия системы Ti-Al в среде инертного газа Ar в течение 180 мин. На втором этапе в вакуумной камере создают давление Р=2*10^-1 Па и подают реакционный газ азот (N₂). Ток накального катода составляет I_накал=100 А, ток дугового разряда плазменного источника I_дуги=50 А, температура детали t=550°C, при этом происходит азотирование образца, продолжительность процесса в течение в течении 60 мин.

Пример

В вакуумной камере обрабатывалась деталь из стали марки 12Х18Н10Т. Для подтверждения получения градиентного покрытия был сделан анализ химических элементов по глубине (табл. 1). Из (табл. 1) видно, что элементы покрытия Ti и Al доходили до глубины 23 мкм. А толщина покрытия после нанесения составляет 8-9 мкм. Из этого можно сделать вывод, что покрытие диффундировало в глубину материала детали, тем самым образуя градиентное покрытие.

Итак, заявляемое изобретение позволяет получать градиентные покрытия, за счет этого увеличивается износостойкость, увеличивается адгезионная прочность, механические свойства покрытия.

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий и может быть использовано для расширения ассортимента деталей машин и инструмента. Способ получения износостойкого градиентного покрытия системы Ti-Al на стальной детали в вакууме включает осаждение интерметаллидного покрытия системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда в течение 180 мин при давлении 1,5*10^-1 Па в среде инертного газа в виде аргона и токах дуговых испарителей в диапазоне 60-120 А и последующее азотирование в дуговом разряде посредством плазменного источника с накальным катодом в течение 60 мин при давлении 2*10^-1 Па в среде реакционного газа в виде азота, токе накального катода 100А и токе дугового разряда плазменного источника 50А и температуре детали 550°С. Обеспечивается получение износостойкого градиентного покрытия, повышение механических свойств и адгезионной прочности покрытия. 5 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ получения износостойкого градиентного покрытия системы Ti-Al на стальной детали в вакууме, включающий осаждение интерметаллидного покрытия системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда в течение 180 мин при давлении 1,5*10^-1 Па в среде инертного газа в виде аргона и токах дуговых испарителей в диапазоне 60-120 А и последующее азотирование в дуговом разряде посредством плазменного источника с накальным катодом в течение 60 мин при давлении 2*10^-1 Па в среде реакционного газа в виде азота, токе накального катода 100А и токе дугового разряда плазменного источника 50А и температуре детали 550°С.