Способ поверхностного упрочнения рабочего органа сельскохозяйственной машины Российский патент 2025 года по МПК C23C4/10 C23C4/137 C23C14/16 C23C14/24 C23C14/48 

Изобретение относится к области обработки поверхности инструментальных материалов и может быть использовано для поверхностного упрочнения органов сельскохозяйственных машин с целью повышения их долговечности при абразивном износе.

Известны способы упрочнения деталей, изготовленных из металлов с использованием нитридов титана и вольфрама которые представляют собой материалы с высокой твердостью, достаточно высокой температурой плавления, низким коэффициентом трения и высокой устойчивостью к износу и коррозии. Эти характеристики сделали их идеальными соединениями для применения во многих отраслях промышленности по производству покрытий (Патент SU 1760987 A3, SU 1708906 A1, RU 2574157 C1, SU 1067859 A1), например, в режущих инструментах, штампах и формах, лопатках турбин и авиационных компрессоров, лемехах и других инструментах для обработки почвы. Тонкая пленка TiN обладает твердостью 20-35 ГПа, модулем упругости ~ 450 ГПа и теплотой образования -337 кДж / моль, а пленка WNx имеет различные фазы, включая гранецентрированную кубическую (ГЦК) W₂N и гексагональную WN. Для фазы W₂N характерно: теплота образования -72 кДж/моль и твердость от 30 до 40 ГПа.

Несмотря на доминирующие прочностные характеристики нитрида вольфрама известно, что фаза W₂N трудно формируется в процессе осаждения, а высокое внутреннее напряжение в W₂N приводит к легкому отделению пленки от подложки [P. Hones, N. Martin,M. Regula, F. Levy, Structural andmechanical properties of chromium nitride, molybdenumnitride, and tungsten nitride thin films, J. Phys. D. Appl. Phys. 36 (2003) 1023-1029]. Этого можно избежать за счет применения прослоев из нитридов титана на границах подложка/пленка и пленка/среда.

Прототипом заявляемого способа является получение пленки WNx обладающей различными фазами, включая, гранецентрированную кубическую (ГЦК) W₂N и гексагональную WN. W₂N имеет теплоту образования -72 кДж/моль и твердость от 30 до 40 ГПа [P. Hones, N. Martin, M. Regula, F. Levy, Structural and mechanical properties of chromium nitride, molybdenumnitride, and tungsten nitride thin films, J. Phys. D. Appl. Phys. 36 (2003) 1023-1029.]. Способ предусматривает последовательный синтез слоев TiN/W₂N/TiN методом корпускулярного легирования за счет последовательного распыления мишеней титана и вольфрама в атмосфере азота на решетку холодной поликристаллической стальной подложки. В результате происходит упрочнение динитрида вольфрама и нижнего слоя нитрида титана, формирование трех диффузионных зон, что приводит к увеличению эксплуатационных характеристик изделия в целом.

Основной недостаток известного решения - синтезированный материал обладал достаточно высокой твердостью, однако из-за достаточно большой плотности остаточных напряжений наблюдалось разупрочнение и снижение адгезии, что приводило к быстрому износу и выбраковки конечных изделий.

Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость создания способов упрочнения стальных деталей, обеспечивающих увеличение полезного срока службы почвообрабатывающих орудий

Технический результат заявляемого технического решения увеличение срока службы рабочих органов сельскохозяйственной техники, за счет формирования однородных слоев, в которых минимизировано присутствие водорода и кислорода, как в свободном виде, так и в химических соединениях.

Для решения указанной проблемы и достижения заявленного результата в способе поверхностного упрочнения органов сельскохозяйственных машин, характеризующемся тем, что упрочнение осуществляют синтезируя слои материала методом корпускулярного легирования последовательно распыляя мишени титана и вольфрама в атмосфере азота на решетку холодной поликристаллической стальной подложки при напряжении и величине тока в зоне газового разряда V_р=380 В и I_р=0,5 А, на мишени V_м=2 кВ и I_м=60 мА, на подложке V_п=20 кВ и I_п=10 мА, доза облучения ионами азота (0,2÷2,4)⋅10¹⁶ ион/см².

За счет наличия однородных слоев нитридов титана и динитрида вольфрама обладающих повышенной твердостью, в которых минимизировано присутствие водорода и кислорода, как в свободном виде, так и в химических соединениях, обеспечивается толщина результирующего покрытия с учетом диффузных зон - 4400 нм. Пример осуществления способа. Напыление нитридных пленок вольфрама производили на установке корпускулярного легирования при следующем режиме напыления: V_р=380B, I_р=0,5A, V_м=2kB, I_м=60А, V_п=20кВ, I_п=10А. В качестве подложки была выбрана поликристаллическая пластинка из лемешной стали, в качестве мишеней - поликристаллические вольфрамовая и титановая пластинки, реактивным газом был азот при давлении 4⋅10^-4 Па. В процессе напыления мишень облучали ионами азота в интервале (0,2÷2,4)⋅10¹⁶ ион/см.

Очевидно, что при малых и средних дозах облучения пленка является двух-W₂N/TiO₂ или трехфазной и содержит тонкую (от 10 нм до 60 нм) прослойку диоксида титана с поликристаллической структурой, включающую островки с аморфной структурой TiN/W₂N/TiN. Энергия адгезии пленки в этом случае составляет (50÷70) мДж/м². При высоких дозах облучения (1,8÷2,4)⋅10¹⁶ ион/см² пленка является двухфазной и практически не содержит диоксида титана. Причем у поликристалла TiN есть островки с аморфной структурой. Энергия адгезии пленки достигает 100 мДж/м², то есть она имеет наибольшее сцепление с подложкой. Максимальны также скорость ее роста (330 А/мин) и микротвердость (620÷800) МПа. Что касается коррозионной стойкости, то ее значения несколько снизились при высоких дозах облучения, что связано с отсутствием снаружи пленки диоксида титана.

Таким образом, доза облучения (1,8÷2,4)10¹⁶ ион/см² является оптимальной с точки зрения скорости роста, микротвердости и адгезии нитридной пленки. Заявляемое применение изобретения позволяет на установке, аналогичной с магнетроной распылительной установкой, получать трехслойную нитридную пленку TiN/W₂N/TiN, растущую в 5 раз быстрее и обладающую чуть ли не в 3 раза большей адгезией, в 1,5 раза большей твердостью, более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с прототипом.

Контроль структуры и фазового состава слоев осуществлялся с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-4 в отфильтрованном СоК_α-излучении при напряжении 30 кВ и анодном токе 30 мА, а также на электронном микроскопе УЭМВ-100АК при напряжении 75 кВ. Типовая дифрактограмма представлена на диаграмме.

В результате применения предложенного способа не происходит увеличение зерна исходного материала, так как процесс формирования слоев протекает при сравнительно низких температурах. Нанесенные методом корпускулярного легирования слои обладали однородной структурой с шероховатостью не более 250 нм. При этом коэффициент трения при контакте со средой был снижен до значений 0,3, что приводит увеличению полезного срока службы почвообрабатывающих орудий и снижению их энергозатратности.

Выводы. Предложенное изобретение обеспечит увеличение срока службы рабочих органов сельскохозяйственной техники за счет наличия однородных слоев нитридов титана и динитрида вольфрама обладающих повышенной твердостью, в которых минимизировано присутствие водорода и кислорода, как в свободном виде, так и в химических соединениях.

Изобретение относится к способу поверхностного упрочнения рабочего органа сельскохозяйственной машины. На поверхности упомянутого рабочего органа в виде подложки из поликристаллической стали методом корпускулярного легирования осуществляют последовательный синтез слоев трехслойной пленки. Упомянутая трехслойная пленка содержит следующие слои: слой нитрида титана, слой динитрида вольфрама и слой нитрида титана. При этом последовательно распыляют мишени из титана и мишени из вольфрама ионами азота с дозой облучения (1,8-2,4)⋅10¹⁶ ион/см², при напряжении и величине тока газового разряда – V_р=380 В и I_р=0,5 А, при напряжении и величине тока на каждой указанной мишени – V_м=2 кВ и I_м=60 мА и при напряжении и величине тока на упомянутом рабочем органе сельскохозяйственной машины – V_п=20 кВ и I_п=10 мА. Обеспечивается увеличение срока службы рабочего органа сельскохозяйственной машины. 1 ил., 1 пр.

Способ поверхностного упрочнения рабочего органа сельскохозяйственной машины, характеризующийся тем, что на поверхности упомянутого рабочего органа в виде поликристаллической стальной подложки методом корпускулярного легирования последовательно синтезируют следующие слои трехслойной пленки: слой нитрида титана, слой динитрида вольфрама и слой нитрида титана путем последовательного распыления мишени из титана и мишени из вольфрама ионами азота с дозой облучения (1,8-2,4)⋅10¹⁶ ион/см², при напряжении и величине тока газового разряда – V_р=380 В и I_р=0,5 А, при напряжении и величине тока на каждой указанной мишени – V_м=2 кВ и I_м=60 мА и при напряжении и величине тока на упомянутом рабочем органе сельскохозяйственной машины – V_п=20 кВ и I_п=10 мА.