Многослойное нанокомпозитное покрытие на режущем инструменте Российский патент 2024 года по МПК C23C14/16 C23C14/24 B23B27/14 C23C28/00 B82Y30/00 

Изобретение относится к износостойким многослойным нанокомпозитным покрытиям, содержащим чередующиеся слои аморфного алмазоподобного углерода и нитрида титана с алюминием, и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, химической промышленности для полезной модификации рабочих поверхностей изделий различного функционального предназначения.

В современном машиностроении широко применяется инструмент и детали механических систем, на рабочую поверхность которых нанесены наноструктурные покрытия [В. Пашенцев. Вакуумное ионно-плазменное нанесение наноструктурных покрытий, Наноиндустрия, 2010, №5]. Нанесение защитных покрытий на обрабатывающие инструменты и детали машин значительно увеличивает их срок службы.

В течение последних лет интенсивно развиваются технологии осаждения нанокомпозитных покрытий, включающих аморфную матрицу и кристаллические включения карбидов, нитридов, карбонитридов переходных металлов [U. Jansson and Е. Lewin, Sputter deposition of transition-metal carbide films - a critical review from a chemical perspective, Thin Solid Films 536 (2013) 1].

Однако, несмотря на имеющийся прогресс в технологии осаждения монослойных нанокомпозитных покрытий, современные тенденции инженерии поверхности связаны с созданием многослойных покрытий, состоящих из слоев с разными физико-механическими свойствами, включая нанокомпозитные [W.Q. Bai et all. Corrosion and tribocorrosion performance of M (M=Ta, Ti) doped amorphous carbon multilayers in Hank's solution, Surf. Coat. Technol. 305 (2016) 11. W.Q. Bai et al. Effects of Ti content on microstructure, mechanical and tribological properties of Ti-doped amorphous carbon multilayer films, Surf. Coat. Technol. 266 (2015) 70-78]. Такие покрытия, обладая высокой твердостью, износостойкостью, являются технологически перспективными материалами для применения в трибологии. Уникальные механические свойства таких покрытий могут быть получены комбинаций слоев и фаз в нанокомпозите. Границы раздела отклоняют или препятствуют распространению трещины и уменьшают концентрацию напряжений. Механические свойства многослойных покрытий могут превосходить свойства отдельно взятых слоев, из которых они сформированы.

Однако, износостойкость таких покрытий определяется не только свойствами отдельно взятых слоев, но и количеством границ раздела в покрытии и адгезией между слоями. Например, отсутствие межзеренных границ в слоях, и плохая адгезия между структурообразующими слоями в покрытии приводят к их разрушению в результате распространения трещин и расслоения, что снижает их износостойкость и препятствует их широкому промышленному применению.

Ужесточение требований к точности размеров обрабатываемых деталей и качеству их поверхности, использование, при одновременном росте производительности процессов в промышленности, материалов с повышенными физико-механическими свойствами делает актуальной проблему повышения стойкости режущего инструмента (далее РИ). Эта проблема может быть решена не только использованием новых материалов для изготовления РИ, но и полезной модификацией поверхности рабочей части РИ. Одним из способов такой модификации является нанесение на поверхность режущей кромки РИ покрытий, приводящих к повышению твердости рабочей части РИ и понижению коэффициентов трения. Выполнение этих требований приводит в конечном итоге к улучшению эксплуатационных характеристик РИ.

В настоящее время к современному металлорежущему инструменту предъявляется ряд высоких требований, а именно: 1. возможность работы инструмента при повышенных скоростях обработки деталей; 2. возможность работы инструмента без использования смазочно-охлаждающей жидкости; 3. возможность обработки твердых и мягких материалов. При этом инструмент должен иметь эксплуатации. Все эти требования могут быть удовлетворены при модификации поверхности режущего инструмента нанесением различного рода износостойких покрытий. Покрытие должно иметь хорошую адгезию к поверхности инструмента, обладать высокой износостойкостью и химической инертностью.

Таким образом, повышение износостойкости покрытий путем осаждения многослойных покрытий с хорошей межслоевой адгезией и системой границ, включающей границы раздела между слоями и межфазные или межзеренные границы в слоях, является технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение.

Известно защитное износостойкое покрытие (патент РФ 2026412), содержащее слои аморфного углерода с алмазным типом связи между атомами чередующиеся со слоями композиционного материала толщиной (0,1-0,2) мкм, состоящего из (60-90) % аморфного углерода с алмазным типом связи между атомами и (10-40) % карбида металла. При этом на рабочую поверхность детали наносится слой карбидообразующего металла. Наружным слоем является слой аморфного углерода. Толщина слоя аморфного углерода с алмазным типом связи между атомами составляет (0,5-1,0) мкм, толщина слоя карбидообразующего металла - (0,1-0,3) мкм, а суммарная толщина покрытия составляет (2,0-5,0) мкм. Тем не менее, предложенное покрытие не решает техническую задачу повышения износостойкости многослойных покрытий путем достижения хорошей межслоевой адгезии и создания системы границ. При суммарной толщине повторяющихся двух слоев (0,6-1,2) мкм количество слоев в покрытии толщиной (2,0-5,0) мкм варьируется от 3 до 16, что недостаточно для предотвращения развития пластической деформации и распространения трещин в покрытии. Помимо этого, можно отметить и проблему внутренних напряжений в алмазоподобных покрытиях. В покрытии в слое аморфного углерода с алмазным типом связи толщиной (0,5-1,0) мкм накапливаются большие внутренние напряжения, приводящие к их растрескиванию. Кроме того, большие внутренние напряжения не способствуют хорошей адгезии между слоем аморфного углерода с алмазным типом связи и слоем из композиционного материала.

Известно многослойное покрытие для режущего инструмента (Патент РФ 2478731), нанесенное методом физического осаждения из паровой фазы. Многослойное покрытие содержит промежуточный слой, служащий диффузионным барьером между режущим инструментом и износоустойчивым покрытием, и износоустойчивое покрытие. Промежуточный слой состоит из нитридов металлов из ряда: Al, Ti, Zr, Si. Износоустойчивое покрытие состоит из первого слоя, расположенного на промежуточном слое и состоящего из диборида титана или окислов циркония, или алюминия, второго адгезионного наноразмерного слоя, состоящего из Ti или Zr, и поверхностного слоя, состоящего из чередующихся нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и нанослоев металла из ряда: Ti, Zr, Cr, W. Внешний нанослой поверхностного слоя состоит из сверхтвердого аморфного углерода.

Однако, предложенное покрытие не решает техническую задачу повышения износостойкости покрытий за счет создания системы границ, включающей границы между слоями и границы в слоях. В примерах заявленного изобретения приводятся покрытия, состоящие из семи слоев. При этом износоустойчивые слои (диборид титана, окись циркония) являются однофазными, следовательно, не содержат межфазные или межзеренные границы. Для создания многослойного покрытия используется несколько мишеней, в частности, мишени из циркония, что усложняет технологию нанесения покрытий, приводит к их удорожанию, и, соответственно, препятствует их широкому промышленному применению.

Известен композиционный материал для многослойных покрытий (патент РФ 2254398). Материал содержит внутренний титаносодержащий слой и внешний углеродосодержащий слой. Внутренний слой выполнен из титана или нитрида титана, а углеродосодержащий слой - из углеродосодержащего вещества с алмазоподобной и графитоподобной модификацией с содержанием 5-20 масс. % графитовой фазы. 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. Однако, предложенный материал для покрытий не решает техническую задачу повышения износостойкости покрытий за счет создания системы границ, включающей границы раздела между слоями и межзеренные или межфазные границы в слоях. Материал не содержит композитные слои с несколькими структурными составляющими, что исключает наличие границ в слоях.

В патенте РФ 2527829 предложено двухслойное износостойкое покрытие, состоящее из слоя аморфного алмазоподобного углерода толщиной 0,3-0,5 мкм, твердостью 70-100 ГПа, осажденного импульсно-дуговым распылением графитовой мишени, и слоя, содержащего карбид титана с твердостью 25-40 ГПа, и имеющего следующий химический состав: углерод - 30-45 ат. %, остальное титан. Выполнение слоя из карбида титана толщиной 1,0-1,5 мкм и твердостью 25-40 ГПа обеспечивает хорошую адгезию слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, а наличие слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 70-100 ГПа и толщиной 0,3-0,5 мкм увеличивает износостойкость покрытия. Высокая термическая стабильность покрытия при высоких скоростях резания и износостойкость обеспечивают повышение рабочего ресурса режущего инструмента.

Однако, предложенное двухслойное покрытие не решает техническую задачу повышения износостойкости покрытий путем достижения хорошей межслоевой адгезии и создания системы границ, включающей границы раздела между слоями и межзеренные границы в слоях. Покрытие из двух слоев имеет только одну межслоевую границу раздела, что недостаточно для торможения пластической деформации и продвижения трещин в покрытии. В этом покрытии в слое аморфного алмазоподобного углерода толщиной (0,3-0,5) мкм накапливаются большие внутренние напряжения, приводящие к их хрупкости и разрушению путем растрескивания. Кроме того, большие внутренние напряжения не способствуют хорошей адгезии между слоем аморфного алмазоподобного углерода и слоем, содержащем карбид титана. Следует также отметить, что в слое с карбидом титана при содержании углерода 30-45 ат. % (или менее 20 масс. %) между кристаллитами TiC не образуется углеродная прослойка, что снижает объемную долю границ между разными фазами, которые, наряду с границами раздела между слоями, тормозят развитие трещин. Отсутствие аморфного углерода в слое, содержащем карбид титана, снижает также адгезию между слоями.

Наиболее близким прототипом заявляемого покрытия является многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке (Патент РФ № 2674795), включающее слой, содержащий карбид титана, и слой из алмазоподобного углерода, согласно изобретению, выполнено толщиной 200-2500 нм с чередованием упомянутых слоев, в количестве от 10 до 100, при этом толщина каждого слоя составляет 20-25 нм, а слой, содержащий карбид титана, выполнен в виде нанокомпозита из карбида титана и аморфного углерода с общим содержанием углерода 25-60 масс. %.

Предложенное многослойное покрытие на стальной подложке вследствие высоких внутренних напряжений слоев титана с углеродом, что не способствует хорошей межслоевой адгезии, и недостаточной термической стойкости этих слоев не решает техническую задачу значительного повышения износостойкости.

Для решения поставленной технической задачи значительного увеличения износостойкости режущего инструмента многослойное нанокомпозитное износостойкое покрытие, осажденное на рабочую часть режущего инструмента, содержащее чередующиеся слои алмазоподобного углерода и нитрида титана с алюминием в соотношении не более 40Ат.% каждого металла, и согласно изобретению, слой алмазоподобного углерода представляет собой слой, полученный методом импульсно-дугового распыления графитового катода (PVD), а нанокомпозитный слой, полученный дуговым распылением прессованного катода, состоящего из титана и алюминия 50Ат.% каждого элемента, содержит соединения этих элементов с азотом, при этом полученное многослойное нанокомпозитное покрытие содержит от 10 до 30 бислоев толщиной от 80 до 100 нм, а толщина упомянутого многослойного покрытия составляет 800-2500 нм.

Заявляемое многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке включает более термостойкий слой, содержащий нитрид титана с алюминием соотношении титана и алюминия примерно (30-40) ат%, и слой из аморфного алмазоподобного углерода. Покрытие может содержать от 10 до 30 пар таких слоев. По данным электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии данные PVD покрытия состоят из микрокристаллических включений графита, матрицы из нитрида титана с алюминием Направленный синтез таких многослойных систем, содержащих термостойкий нитрид композита титана с алюминием и алмазоподобный углерод, открывает возможности получения покрытий с улучшенными механическими, трибологическими и коррозионными свойствами. Для функциональных покрытий, предназначенных для нанесения на режущий инструмент, чрезвычайно важен не только состав, структура, кристалло-химические и физико-механические свойства, архитектура покрытий, но и длительность работы покрытий на контактных площадках инструмента до момента их разрушения. Ресурс эксплуатации инструмента сильно зависит от твердости покрытия, соответствующего соотношения между вязкостью и твердостью, прочности адгезии между слоями, покрытием и напыляемой поверхностью.

В покрытии формируется двухуровневая система границ, включающая границы между слоями и границы в композитном слое. Наличие аморфного углерода в композитном слое также способствует хорошей межслоевой адгезии. При осаждении на композитный слой слоя алмазоподобного углерода (или наоборот) происходит когезионное сцепление между одинаковыми фазами (углеродными) и адгезионное сцепление между разными фазами (углеродной и нитридом композита титана с алюминием). Когезионное сцепление улучшает прочность межслоевой адгезии. А в контактных зонах разных фаз образуются границы. Использование слоев, содержащих нитрид титана с алюминием, дает преимущества заявляемому покрытию вследствие дополнительного торможения трещин твердыми частицами этого нитрида в решетке. Следует отметить, что для многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий межзеренные и межcлойные границы являются зоной интенсивной диссипации энергии и отклонения трещин от направления движения, частичного или полного их торможения, что ведет к упрочнению материала. Кроме того, межзеренные границы, вносящие вклад в формирование размеров зерен и текстуру материала, могут эффективно упрочнять покрытие. Поэтому покрытия с наноразмерной структурой и многослойной архитектурой имеют существенно более длительный срок работы до разрушения, существенно повышая срок работоспособного состояния инструмента, особенно в условиях действия циклических термомеханических напряжений.

Таким образом, заявляемое техническое решение напыление многослойного покрытия, содержащего чередующиеся слои нитрида титана с алюминием и аморфного алмазоподобного углерода позволяет решить поставленную техническую проблему – повышение износостойкости рабочей части режущего инструмента.

Осаждение покрытий проводили на установке УВНИПА-1-001 с возможностью в одном вакуумном цикле проводить ионную очистку поверхности, распылять металлические или композитные мишени дуговым способом и графитовые мишени импульсным дуговым способом. В качестве подложек для осаждения покрытий использовали режущий инструмент (концевые фрезы диаметром (10-12) мм из инструментальной стали Р6М5. Поверхность инструмента предварительно очищали в дистиллированной воде и спирте в ультразвуковой ванне. Ионную очистку проводили в рабочей камере установки: E(Ar⁺)=4 кэВ, Р=4,2×10^-2 Па, t=30 мин. Покрытия получали последовательным осаждением композитного (TiAl)N) и алмазоподобного углеродного (а-С) слоев. а-С слои осаждали импульсно дуговым распылением графитовой мишени. Титан-алюминиевую мишень распыляли дуговым способом при постоянном токе дугового источника в атмосфере азота (давление 6.510 (-2) Па, а графитовую - импульсно-дуговым при частоте прохождения импульсов f=10 Гц.

Инструмент с данным покрытием был отдан на испытания в условиях реального производства на различные промышленные предприятия. Наблюдалось увеличение стойкости концевых фрез от 6 до 10 раз.

Изобретение относится к многослойному нанокомпозитному износостойкому покрытию, осажденному на рабочую часть режущего инструмента. Указанное покрытие содержит чередующиеся слои алмазоподобного углерода и нитрида титана и алюминия с содержанием не более 40 ат.% каждого металла. Слой алмазоподобного углерода представляет собой слой, полученный методом импульсно-дугового распыления графитового катода. Упомянутый слой из нитрида титана и алюминия представляет собой нанокомпозитный слой, полученный дуговым распылением прессованного катода, состоящего из титана и алюминия с содержанием 50 ат.% каждого элемента, и содержит соединения упомянутых элементов с азотом. Полученное многослойное нанокомпозитное покрытие содержит от 10 до 30 бислоев толщиной от 80 до 100 нм. Толщина упомянутого многослойного покрытия составляет 800-2500 нм. Обеспечивается повышение износостойкости рабочей части режущего инструмента.

Многослойное нанокомпозитное износостойкое покрытие, осажденное на рабочую часть режущего инструмента, содержащее чередующиеся слои алмазоподобного углерода и нитрида титана и алюминия с содержанием не более 40 ат.% каждого металла, отличающееся тем, что слой алмазоподобного углерода представляет собой слой, полученный методом импульсно-дугового распыления графитового катода, а упомянутый слой нитрида титана и алюминия представляет собой нанокомпозитный слой, полученный дуговым распылением прессованного катода, состоящего из титана и алюминия с содержанием 50 ат.% каждого элемента, и содержит соединения упомянутых элементов с азотом, при этом полученное многослойное нанокомпозитное покрытие содержит от 10 до 30 бислоев толщиной от 80 до 100 нм, а толщина упомянутого многослойного покрытия составляет 800-2500 нм.