Способ нанесения покрытия, содержащего оксид алюминия и карбид вольфрама Советский патент 1992 года по МПК C04B41/85 C23C16/30 

Изобретение может быть использовано для изготовления слоев окиси алюминия, содержащих карбид вольфрама, на деталях из металлокерамических твердых сплавов, в особенности на режущих пластинках для обработки резанием.

По DE-OS № 2233700, кл. С 23 F 17/00, 1972 известен способ повышения прочности на истирание поверхности режущего инструмента из металлокерамического твердого сплава, при котором по крайней мере на одну часть поверхности твердосплавной детали наносится покрытие толщиной до 20 мкм по крайней мере из одной жаростойкой окиси (окись алюминия, окись

циркония или стабилизированная окись циркона).

Изготовление окисного слоя выполняется путем химического осаждения из паровой фазы, При нанесении слоя окиси алюминия исходят из паровой смеси из AlCIs и НаО или парогазовой смеси из AlCIa и С02/Н2, реакция проводится при 600- 1200°С и давлении 1-760 торр.

Однако за счет подобных керамических слоев, нанесенных непосредственно на ме- таллокерамическую твердосплавную деталь, достигаетсяулучшение износостойкости в области поверхности только в ограниченной мере. Причиной этого является недостаточная прочность сцепVI

OJ

о со

ления между наружной поверхностью детали из металлокерамического твердого сплава и поверхностным слоем.

В DE-AS Ns 2253745, кл. С 23 С 11/08, 1972 предлагается деталь из металлокера- мического твердого сплава покрыть промежуточным слоем из одного или нескольких карбидов и/или нитридов элементов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, S и/или В, на который затем осаждается наружный слой из окиси алюминия и/или окиси циркония.

По сравнению с прямым осаждением окисного слоя на металлокерамической твердосплавной детали путем введения промежуточного слоя улучшается прочно- сть сцепления керамического слоя, однако последняя из-за окисления карбидных или нитридных компонентов промежуточного слоя остается ограниченной.

Это устраняется за счет изнашиваю- щейся детали из твердого сплава (DE-OS № 2730355, кл. В 23 F 17/00, 1978). Защитное покрытие, нанесенное на эту деталь из металлокерамического твердого сплава, должно иметь по крайней мере два внутренних слоя из карбида или карбонитрида или из карбонитрида, нитрида или оксинитрида металлов групп III-V1, а также по крайней мере один наружный слой из одной окиси металла, причем окись металла образована из металлов Ti, Hf, Zr, Al, Cr и В. Получающиеся комбинации слоев улучшают прочность сцепления окисных поверхностных слоев, однако поверхностные слои, состоящие из одной окиси металла, например только из окиси алюминия, по своей проч- ности сцепления и износостойкости еще могут быть улучшены.

В DE-OS № 2851584, кл. В 32 В 15/00, 1980 предлагается создать на карбидном и/или нитридном промежуточном слое следующий поверхностный слой из смеси по крайней мере одной окиси и по крайней мере одного оксинитрида элементов Cr, AI, Са, Mg, Th, Se, Y, La, Ti, Hf, V, Nb или Та. Комбинация AteOs с карбидами,например с TiC и/или WC, не рассматривается, так как при использовании способа было невозможно одновременно осаждать окись алюминия и эти карбиды.

Трудности, возникающие при одновременном осаждении и карбидов, обьяс- няются тем, что наряду с требуемой реакцией протекает большое число конкурирующих реакций, препятствующих одно- временному осаждению. Поэтому в DE-OS № 3112460, кл. С 23 С 11 /08,1983 предлагается подобные комбинации слоев окисей и карбидов алюминия и вольфрама осаждать на металлокерамической твердосплавной

детали или на ее промежуточном слое за счет того, что соответствующая поверхность детали периодически нагревается пучком лазерных лучей до 900-1100°С в присутствии соответствующей реактивной газовой смеси. В случае осаждения комбинации слоев АЬОз и TiC реактивная газовая или паровая смесь состоит из водорода, метана и тетрахлорида титана, а также из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и AlCla. При осаждении карбида вольфрама вместо тетрахлорида титана используется гекса- фторид вольфрама.

Недостатком этого способа изготовления комбинаций слоев являются относительно высокие затраты на оборудование для вырабатывания лазерных импульсов и для управления считыванием покрываемой поверхности посредством лазерного фокуса. Последнее отрицательно сказывается на времени нанесения покрытия в особенности на режущие пластинки, где покрытие должно наноситься на все наружные поверхности равномерно. При таком парциально выполняемом способе нанесения покрытия следует также опасаться нежелательных парциальных различий в структуре слоя, дающих неравномерную износостойкость.

Целью изобретения является обеспечение экономного нанесения покрытия с высокой износостойкостью.

После промывки реакционного сосуда газовой смесью Аг/На путем химического осаждения из паровой фазы из газовой или, соответственно, паровой среды, состоящей, об.% АЮз 1-5; WCIe0,02-0,2; Н2 40-60; СОа 1-12; Аг - остальное, при давлении 90-120 кПа и 990-1330 К осаждается слой с включениями металлического вольфрама, который дополнительно обрабатывается в газовой смеси, об.%: Н2 60-70; СбНеО,2-1,0; Аг- остальное.

Для обеспечения высокой прочности сцепления комбинированного слоя окиси алюминия - карбида вольфрама целесообразно, а при различных деталях из металло- керамических твердых сплавов необходимо, чтобы перед осаждением комбинированного слоя окиси алюминия - карбида вольфрама на деталь из металлокерамического твердого сплава наносились один или несколько промежуточных слоев.

Для согласования свойств комбинированного слоя с поверхностью, на которую наносится покрытие, с выравнивающим переходом в некоторых случаях целесообразно, чтобы составные части паровой среды для изготовления комбинированного слоя

окиси алюминия - карбида вольфрама во время процесса нанесения покрытия количественно изменялись внутри указанных диапазонов.

Способ для изготовления слоев окиси алюминия, содержащих COz, карбид вольфрама, выполняется в зависимости от количественной доли С02 в реакционной среде по различным уравнениям реакции.

С02 + Н2- СО + Н20;

WCIe + + 6HCI;

+ ЗНаО-А Оз + 6HCI.

При содержании С02 1-5 об.% происходит следующая реакция:

С02 + Н2-Ч-СО + Н20;

WCI6 + 3H2-W + 6HCI;

2AICI3 + ЗН20- А 20з + 6HCI.

При этом сначала получается слой с включениями металлического вольфрама. После осаждения этого слоя , содержащего вольфрам, выполняется дополнительная обработка с помощью СеНе, Н2, Аг:

W + 1 /6 СеНб- WC + 1 /2 Н2.

При содержании С02 в реакционной смеси 6-12 об.% следует ожидать следующих реакций:

С02+Н2- СО + Н20;

2AICI3 + ЗН20--А120з + 6HCI;

WCIe + 3H20- W03 + 6HCI;

Al2(W04)3 + + 3W + 9Н20.

При этом сначала также осаждается вольфрам содержащий слой , который путем последующей дополнительной обработки в СбНе, Н2 и Аг преобразуется в слой А120з, содержащий вольфрам.

W + 1 /6 + 1 /2 N2.

При указанных условиях способа на деталях из металлокерамических твердых сплавов образуется комбинированный слой окиси алюминия - карбида вольфрама, соответствующий общей формуле

+ WCX, где х 0,5-1.

Нанесенный на деталь из металлокера- мического твердого сплава комбинированный слой AteOs-WCx обладает высокими прочностью сцепления и износостойкостью, если А120з-Фаза содержит 2-5 об.% WC и имеется в а- и/или /с-модифика- ции. Должны наноситься слои толщиной 1- 25 мкм.

П р и м е р 1. Неперетачиваемые режущие пластинки, состоящие из 88% WC, 4% ТаС, 2% TiC и 6% Со, нагреваются в реакторе в инертном газе до 1320 К. Затем они обрабатываются 40 мин в среде Ar-H2 N2 ПСЦ-НбСб-С7 Н1бобычным способом, благодаря чему образуется промежуточный слой TiCN. Затем пространство реактора

промывается с помощью Аг-Н2 и устанавливается газовая смесь следующего состава, об.%: Аг 30; Н2 56,55; СС-2 9; AICI 4,25; WCIe 0,20.

Неперетачиваемые режущие пластинки

обрабатывают в этой среде при давлении 105 кПа в течение 5 мин при 1320 К. После повторной промывки пространства реактора с помощью Аг-Н2 установлена газовая 0 смесь следующего состава, об.%: Аг 30; Н2 69.75, СбНе 0,25.

Этой средой обрабатывают неперетачиваемые пластинки в течение 5 мин при тех же давлении и температуре, а затем охлаж- 5 дают в реакторе в аргоне.

Неперетачиваемые режущие пластинки имеют закрытый двойной слой, состоящий из слоя TiCN толщиной 8 мкм и слоя , содержащего карбид вольфрама, толщиной 0 2,5 мкм. Верхний слой содержит примерно 3% WC, фаза состоит из а-и /с-фаз.

Потребительская ценность определена в испытании обточкой. Условия испытания:

Материал100 Сге

5 Скорость резания V, м.мин 1160

Подача S, мм ,4

Глубина резания а,

мм (с охлаждением) 2 0 Используемая

неперетачиваемая

режущая пластинка TNUC 220412-332

Критерий износа

задней поверхности, мм 0,8 5 Результаты испытаний: неперетачиваемые режущие пластинки с нанесенным обычным способом покрытием ПСМ-АЬОз 90 деталей, то же, с покрытием , нанесенным предлагаемым способом, 150 деталей. 0 П р и м е р 2. Неперетачиваемые пластинки, состоящие, %: WC 88, ТаС 4, Со 6, TiC 2 %, нагревают в реакторе с инертным газом до 1320 К. Затем в течение 40 мин их подвергают традиционной обработке в ат- В мосфере Аг-Н2 №-Т СМ, в результате чего образуется промежуточный слойТ М. После этого полость реактора промывают Н2 и устанавливают газовую смесь следующего состава, об.%: АЮз5; WCIe 0,2; Н2 60; СС-2 12, 0 Аг-остальное.

Неперетачиваемые пластинки подвергают обработке в этой атмосфере под давлением 120 кПа в течение 4 мин при 1330 К.

После повторной промывки полости ре- 5 актора Аг-Н2 устанавливают газовую смесь следующего состава, об.%: Н2 70, СеНе 1, Аг- остальное.

В этой атмосфере неперетачиваемые пластинки подвергают обработке в течение 1,5 мин при тех же давлении и температуре.

Пластинки охлаждают в реакторе в присутствии Аг.

Неперетачиваемые пластинки содержат сплошной двойной слой, состоящий из слоя TIN толщиной 8 мкм и WC-содержаще- го слоя АЬОз толщиной 25 мкм.

Наружный слой содержит примерно 8% WC, фаза АЬОз состоит из фаз а и к.

П р и м е р 3. Неперетачиваемые пластинки того же состава, что и в примере 2, нагревают в реакторе с инертным газом до 1320 К. Затем в течение 40 мин их подвергают традиционной обработке в атмосфере Аг-Н2- ПС14-СбНб, в результате чего образуется промежуточный слой ПС. После этого полость реактора промывают На и устанавливается газовая смесь следующего состава, об.%: AlCb 1; WCIe0,02; Н240; СОг 1; Аг- остальное.

В этой атмосфере неперетачиваемые пластинки подвергают обработке в течение 30 мин при давлении 90 кПа и 990 К. После повторной промывки Аг-Н2 устанавливается газовая смесь следующего состава, об.%: Н2 60, СбНе 0,2; Аг - остальное.

В этой атмосфере пластинки подвергают обработке при тех же давлении и температуре, после чего охлаждают в реакторе в присутствии Аг.

Неперетачиваемые пластинки содержат сплошной двойной слой, состоящий из слоя TiC толщиной 8 мкм и WC-содержаще- го слоя . Фаза А120з состоит только из фазы к.

Результаты испытаний в условиях, аналогичных примеру 1: неперетачиваемые пластинки с покрытием, нанесенным согласно примеру 2, 150 деталей, согласно примеру 3 130 деталей.

Способ обеспечивает снижение затрат

и позволяет наносить покрытие с высокой

прочностью сцепления и износостойкостью

одновременно на все наружные поверхности.

Формула изобретения

1.Способ нанесения покрытия, содержащего оксид алюминия и карбид вольфрама, на режущие пластины из твердого

сплава, содержащего карбиды металлов IV- VI групп и металл группы железа, путем промывки реакционного сосуда газовой смесью Аг/Н2, нагрева в защитном газе до температуры нанесения покрытия и химического осаждения покрытия из газовой среды, содержащей . галогенид вольфрама, Н2 и С02, отличающийся тем, что, с целью обеспечения экономного нанесения покрытия с высокой износостойкостью, покрытие наносят в две стадии: сначала осаждают слой AteOs с включениями металлического вольфрама из газовой среды, содержащей в качестве галогенида вольфрама WCIe и дополнительно Аг при следующем соотноше- нии компонентов, об.%;

А1С з1-5

WCIe0,02-0,2

Н240-60

С021-12

АгОстальное

при 90-120 кПа и 990-1330 К, который дополнительно обрабатывают в газовой смеси, содержащей, об.%:

Н260-70

СбНе0.2-1,0

АгОстальное

при тех же давлении и температуре.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что передосаждением слоя оксида алюминия, содержащего карбид вольфрама, наносят промежуточный слой.

Изобретение может быть использовано при изготовлении слоев оксида алюминия, содержащих карбид вольфрама, на деталях из металлокерамических твердых сплавов, в особенности на режущих пластинках для обработки резанием. Целью изобретения является обеспечение экономичного нанесения покрытия с высокой износостойкостью. После промывки реакционного сосуда газовой смесью Аг/Н2 путем химического осаждения из газовой фазы состава, об.%: AIC 1-5; WCI 0,02-0,2; Н2 40- 60; СОа 1-12, Аг остальное, при давлении 90-120 кПа и температуре 990-1330 К осаждается слой с включениями металлического вольфрама, который дополнительно обрабатывается в газовой смеси состава, об.%: Н2 60-70, СбНе 0,2-1, Аг остальное, в результате чего на режущей пластинке образуется покрытие из оксида алюминия, содержащего карбид вольфрама. 1 з.п. ф-лы. СП с