Способ получения слоистого композиционного материала Ti-TiN трибологического назначения Российский патент 2022 года по МПК C23C14/35 C23C14/02 C23C14/06 C23C14/16 C23C14/54 

Изобретение относится к способам получения слоистого композиционного материала Ti-TiN трибологического назначения на основе специально термически обработанного алюминиевого сплава с чередующимися слоями из титана и нитрида титана различных толщин, полученными методом магнетронного распыления. Данный композиционный материал может быть использован в машиностроении, медицине, авиастроении, при создании изделий с повышенными защитными коррозионностойкими свойствами.

Для формирования поверхности существуют вариант нанесения покрытий, представленный в патенте RU 2673687 С1 МПК С23С 14/16, С23С 30/00 «Многослойно- композиционное покрытие металлического изделия», в котором описывается способ создания слоистого покрытия Zr-ZrNbN-Zr-ZrNbN-Zr-ZrNbN и Ti-TiAlCrN-Ti-TiAlCrN-Ti-TiAlCrN, при использовании процессов фильтруемого вакуумно-дугового синтеза. Известен патент RU 2 585 112 С2 способ нанесения ионно-плазменных покрытий с износостойкими и антизадирными свойствами для работы в парах трения «алюминий-сталь», «алюминий-чугун». Композиционное покрытие для алюминия или его сплавов выполнено из четырех слоев и включает слой молибдена, чередующиеся нанослои нитрида молибдена и молибдена, слой нитрида молибдена и слой молибдена. Структура покрытия обеспечивает плавное изменение пластичности покрытия при переходе от основы через твердые слои к внешнему приработочному слою молибдена, после износа которого износостойкость покрытия в целом обеспечивают непосредственно твердые чередующиеся нанослои и слой нитрида молибдена.

Предложенные способы повышают задиростойкость и снижают коэффициент трения алюминиевых сплавов, но не способны обеспечить из-за очень тонких поверхностных слоев равномерность распределения поверхностных слоев и, соответственно, требуемую износостойкость и коррозионную стойкость.

Известен способ получения композиционных материалов с алюминиевой матрицей, используемым в узлах трения скольжения по патенту RU 2 714 005 С1 МПК С22С 21/02, B22F 3/16, B22F 3/24, заключающийся в получении спеченных прессовок Al-Si с добавлением олова с использование процесса допрессовки в закрытом штампе. Данные композиционные материалы обладают высокими антифрикционными свойствами, однако механические свойства не позволяют применять данный материал при высоких удельных нагрузках на изделие, т.к. их предел прочности значительно меньше предела прочности конструкционных алюминиевых сплавов.

Одним из аналогов является способ получения многофункционального многослойного покрытия (RU 2768046 С1 МПК С23С 14/06, С23С 14/35, С23С 14/56) включающий в себя очистку в плазме тлеющего разряда, осаждение подслоя CrTiAlZr и затем поочередного нанесения каждого слоя в течение не менее 30 минут нитрида циркония и алюминия, нитрида титана и алюминия и нитрида хрома и алюминия при парциальном давлении 0,97-1,03 Па в газовой смеси азота и аргона в процентном соотношении N₂:Ar=30:70.

К недостатку данного способа нужно отнести необходимость применения сложно оборудования магнетронной распылительной системы, состоящей из 4 магнетронов и использовании импульсного источника тока при достаточно низком количестве азота в рабочей среде. Кроме того, подложка подвергается высокому нагреву, что значительно ухудшает свойства таких стареющих алюминиевых сплавов, как дюрали.

Наиболее близким аналогом является способ получения слоистого композиционного материала на основе конструкционного алюминиевого сплава Д16 со слоями из титана и нитрида титана методом магнетронного напыления на постоянном токе (Новикова Д. А. и др. Влияние соотношения рабочих газов при реактивном магнетронном напылении слоев титана на механические свойства алюминиевого сплава // XLVII Гагаринские чтения. - 2021. - С. 105-106.), включающий очистку камеры от воздушных примесей до остаточного давления ~ 3×10^-6 Торр, получения слоя из титана при рабочем давлении объема камеры ~ 3×10^-3 Торр, заполненного аргоном и получение поверхностного слоя из нитрида титана при соотношении рабочих газов №/Ar=1/3, 1/2, 1/1 и времени напыления 10-30 минут.

К недостатку данного способа необходимо отнести требуемую очень низкую степень остаточного давления - 3×10^-6 Торр, для обеспечения которого требуются дорогостоящие типы сухих насосов, например, турбомолекулярные насосы с соответствующим предельным остаточным давлением или крионасосы, а также в указанном способе отсутствует предварительная ионная обработка поверхности подложки, что необходимо для чистоты и активации ее поверхности, обеспечивающие зону переходного слоя между подложкой и поверхностным слоем, которая необходима для адгезии и исключения макро- и микроскопических дефектов поверхностных слоев, негативно влияющих на коррозионные и антифрикционные свойства, трещиностойкость и сопротивление усталости материала.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, является способ получения слоистого композиционного материала, основой которого является конструкционный алюминиевый сплав с чередующимися поверхностными слоями из титана и нитрида титана.

Техническим результатом является увеличение износостойкости конструкционных алюминиевых сплавов без ухудшения их механических свойств. По проведенным исследованиям износостойкость при истирании увеличилась более чем на 30%.

Технический результат достигается тем, что в способе получения антифрикционного износостойкого слоистого композиционного материала Ti-TiN трибологического назначения включающий термическую обработку с последующей закалкой и старением в течение 300-600 минут, затем размещение данной подложки в камере, создание высокого вакуума 6×10^-3 Па, заполнение камеры аргоном с давлением 0,4 Па, проведение ионной очистки и активации поверхности подложки с помощью ионного источника в течение 2-15 минут, создание вакуума 6×10^-3 Па, заполнение камеры аргоном до рабочего давления камеры 0,4 Па, распылением титана с помощью магнетронной распылительной системы и последующим охлаждением в камере, согласно изобретению нанесение поверхностных слоев проводится посредством чередования состава газовой среды, т.е. наносится первый слой из титана в инертной среде в течение 10-30 минут, затем в реактивной среде при соотношении газов аргона к азоту, как 1:1, 1:2, 1:3.

Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в пониженном остаточном давлении, достаточном для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик антифрикционного материала, наличие операции предварительной ионной очистки и активации поверхности подложки, требуемой для обеспечения адгезии поверхностных слоев и отсутствия микроскопических дефектов в поверхностных слоях, а также в выборе параметров распыления в зависимости от термической обработки алюминиевого сплава.

Подбор материалов был сделан исходя из следующего.

Титан отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах (в т.ч. при повышенных температурах) и высокой износостойкостью при соединении с азотом, что является определяющим фактором для его применения в качестве одного из компонентов в композиционном материале триботехнического назначения.

Но в первую очередь чисто металлические слои перспективны в качестве промежуточных при создании антифрикционной поверхности из их же нитридов. Многолетнее исследование показали, что создание модифицированного поверхностного слоя может влиять на различные свойства (механические, коррозионные, химические, магнитные и другие) материала в целом.

Пример конкретной реализации изобретения:

За основу был взял плоский образец, далее обозначаемый подложкой, из алюминиевого сплава Д16 размером 100*100 мм². Плоский образец подвергался отжигу при 400°С в течение 90 мин, затем нагреву до 495°С под закалку, выдержке в течение 20 мин с последующим охлаждением в воде при комнатной температуре. Далее проводился процесс старения при температуре 190°С в течение 500 мин. После процесса указанной термической обработки подложка подвергалась шлифовке, полировке и обработке в ультразвуковой ванне с моющим раствором и спиртовым раствором с последующей сушкой в сушильной камере. Далее подложку располагали в камере магнетронной установки на расстоянии 200 мм от титановой мишени. Камера вакуумировалась до 6×10^-3 Па, производилась подача в камеру аргона до давления 0,4 Па, была произведена ионная очистки и активация поверхности подложки с помощью ионного источника в течение 5 минут, далее вновь камера вакуумировалась до 6×10^-3 Па, осуществлялся напуск аргона до давления в камере 0,4 Па с последующим процессом распыления титановой мишени в течение 10 минут при напряжении до 400 В и силе тока 850 мА, далее производился напуск в камеру газа азот и уменьшение количества аргона до соотношения Ar:N₂=1:1 до 0,4 Па с последующим напылением в течение 10 минут при напряжении до 465 В и силе тока 850 мА. Далее без прерывания процесса распыления в камере производилось чередование газовый среды до 3 раз, а затем подложка охлаждалась в камере в высоком вакууме в течение 15 минут. Проведенные исследования трибологических характеристик методом штифт-диск в условиях сухого трения по стали показали, что коэффициент трения скольжения составлял не менее 0,24, а износ 1,26*10^-3 мкм/с при удельном давлении до 1 МПа. У термически обработанного алюминиевого сплава Д16 без чередующихся поверхностных слоев из титана и нитрида титана коэффициент трения скольжения составлял в среднем 0,61, а износ - 6,7*10^-3 мкм/с.

Изобретение относится к технологии получения слоистого композиционного материала Ti-TiN трибологического назначения на основе термически обработанного алюминиевого сплава с чередующимися слоями из титана и нитрида титана различных толщин, полученными методом магнетронного распыления. Данный композиционный материал может быть использован в машиностроении, медицине, авиастроении, при создании изделий с повышенными защитными коррозионно-стойкими свойствами. Способ включает термическую обработку подложки, ее закалку, старение подложки в течение 300-600 мин, размещение данной подложки в камере, создание высокого вакуума величиной 6×10^-3 Па, после чего заполняют камеру аргоном с давлением 0,4 Па, проводят очистку и активацию поверхности подложки с помощью ионного источника в течение 2-15 мин и вновь создают высокий вакуум величиной 6×10^-3 Па, заполняют камеру аргоном до рабочего давления 0,4 Па, осуществляют распыление Ti в течение 10-30 мин с помощью магнетронной распылительной системы в атмосфере аргона, напускают в камеру совместно с аргоном азот, после напуска в камеру азота уменьшают количество аргона до соотношения к азоту, равного 1:1, с последующим напылением TiN в течение 10 мин, далее напыление TiN ведут при соотношениях аргона к азоту, равных 1:2, 1:3, после чего осуществляют охлаждение. Изобретение позволяет повысить износостойкость конструкционного алюминиевого сплава при истирании более чем на 30% за счет получения композиций из поверхностных слоев, содержащих чередующиеся слои титана и нитрида титана с широкой зоной переходного слоя между подложкой и поверхностным слоем из титана. 1 пр.

Способ получения слоистого композиционного материала Ti-TiN трибологического назначения, включающий закалку и старение подложки, размещение данной подложки в камере, создание высокого вакуума, очистку поверхности подложки, заполнение камеры аргоном до рабочего давления 0,4 Па, распыление Ti с помощью магнетронной распылительной системы в атмосфере аргона, напуск в камеру совместно с аргоном азота, напыление TiN и охлаждение, отличающийся тем, что перед закалкой подложку подвергают термической обработке, старение осуществляют в течение 300-600 мин, высокий вакуум создают величиной 6×10^-3 Па, после чего заполняют камеру аргоном с давлением 0,4 Па, проводят очистку и активацию поверхности подложки с помощью ионного источника в течение 2-15 мин и вновь создают высокий вакуум величиной 6×10^-3 Па, распыление Ti осуществляют в течение 10-30 мин, а после напуска в камеру азота уменьшают количество аргона до соотношения к азоту, равного 1:1, с последующим напылением TiN в течение 10 мин, и далее напыление TiN ведут при соотношениях аргона к азоту, равных 1:2, 1:3.