способ нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия

Формула изобретения

Способ нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия, включающий перемещение струи низкотемпературной плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон, вдоль поверхности изделия, отличающийся тем, что изделия предварительно подогревают до температуры 50-100°С, а перемещение струи низкотемпературной плазмы осуществляют со скоростью 3-150 мм/с, при этом общее время нанесения покрытия назначают в зависимости от площади обрабатываемой поверхности и толщины покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам повышения долговечности и работоспособности различных металлических изделий - режущего инструмента, деталей технологической оснастки (для холодной и горячей обработки давлением, литейной оснастки, измерительного инструмента), изделий триботехнического назначения (подшипников качения, шестерен), высоконагруженных деталей машин и механизмов и др. за счет нанесения на их рабочие поверхности тонкопленочного износостойкого покрытия и может быть использовано во всех отраслях промышленности.

Повышение эффективности и ресурса работы различных металлических изделий в значительной степени зависит от физико-механических свойств поверхности, в том числе от твердости, остаточных напряжений, параметров шероховатости. Известна технология финишного плазменного упрочнения, при которой на поверхность изделий наносится тонкопленочное упрочняющее кремнийуглеродосодержащее покрытие [Соснин Н.А., Тополянский П.А., Вичик Б.Л. Плазменные покрытия (технология и оборудование). - СПб.: Изд-во О-во «Знание» России, 1992. - 28 с.]. При этом отсутствуют сведения об оптимальных параметрах плазменной струи, режимах и условиях стабильного нанесения качественного тонкопленочного упрочняющего покрытия, позволяющего повышать эксплуатационную стойкость изделий.

Исследованиями последних лет эта технология существенно усовершенствована. Установлено, что для нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия с высокими адгезионными свойствами возможно снижение термического воздействия плазменной струи на поверхность металла обрабатываемых изделий. При этом одновременно показана возможность значительного повышения работоспособности и эксплуатационной стойкости изделий с нанесенным покрытием минимальной толщины - менее 2 мкм.

Известна технология химико-термической обработки изделий из твердого сплава [авт. св-во № 1793004, МКИ С23С 8/36, B22F 3/24, опубликовано 1993.02.07], в которой нагрев ведут струей низкотемпературной аргоновой плазмы следующего состава, мас.%: азот 0,09-0,15; углерод 0,09-0,15; кремний 0,16-0,30; водород 0,04-3,00; аргон остальное, а струю перемещают вдоль поверхности изделия со скоростью 4-5 мм/с.

Недостатком этого способа является низкая воспроизводимость эффекта повышения эксплуатационной стойкости из-за различной толщины упрочненного слоя поверхности металла, связанной с нерегламентированными режимами насыщения поверхности легирующими элементами и неконтролируемым по времени нагревом изделий плазменной струей в процессе обработки.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является способ химико-термической обработки изделий из твердого сплава и стали [патент РФ № 2231573, МКИ С23С 8/38, опубл. 2004.02.20], при котором нагрев ведут струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород и аргон, которую перемещают вдоль поверхности изделия, отличающийся тем, что используют низкотемпературную аргоновую плазму следующего состава, мас.%: углерод 0,06-0,20; водород 0,04-3,50; кремний 0,16-0,80; азот или кислород 0,01-0,07; аргон остальное, а струю перемещают со скоростью 1-15 мм/с.

Для осуществления способа по патенту РФ № 2231573 используется модернизированный дуговой плазмотрон установки УПНС-304М отечественного производства с дополнительным блоком жидкостного питателя. В качестве рабочих реагентов жидкостного питателя используется кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).

Эксплуатационная стойкость изделий после такой обработки увеличивается, однако эффект повышения стойкости незначителен и нестабилен. Это связано с тем, что время обработки поверхности плазменной струей не конкретизировано, что может привести к образованию наносимого покрытия неоптимальной толщины, возможной его дефектности и неравномерности по толщине, а также создает условия для разупрочняющего отпуска поверхностных слоев закаленных сталей. Последнему способствуют и относительно низкие скорости перемещения плазменной струи вдоль поверхности изделия. Все это не позволяет не только получать стабильное повышение эксплуатационной стойкости обработанных изделий, но для ряда изделий вообще исключает применение данной технологии, например для беззазорных штампов (из-за неопределенной толщины наносимого покрытия).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является значительное и стабильное увеличение эксплуатационной стойкости различной номенклатуры изделий за счет нанесения тонкопленочного покрытия оптимальной толщины.

Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия, включающем обработку струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, водород, кремний, азот, кислород и аргон, а струю перемещают вдоль поверхности изделия, зону предстоящей обработки предварительно подогревают до температуры 50-100°С, струю перемещают со скоростью 3-150 мм/с, а общее время нанесения покрытия назначают из соотношения

t=K·s·f,

где t - общее время нанесения покрытия в секундах (без учета времени промежуточных охлаждении изделия); К - коэффициент, равный 0,25 0,5; s - площадь обрабатываемой поверхности в мм² ; f - задаваемая толщина покрытия в микрометрах.

Реализацию технологического решения осуществляют с помощью специализированной установки УФПУ-111 отечественного производства, включающей в себя: источник тока; плазмотрон ПС-3-01; плазмохимический генератор НПХ-3-01; блок аппаратуры (содержащий жидкостный питатель с реагентами упрочнения, устройство поджига дуги, электрические, газовые и водяные коммуникации и органы управления). В качестве реагентов для нанесения покрытия используется двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).

Предварительный подогрев поверхности изделия до температуры 50-100°С создает условия образования в воздушной атмосфере на поверхности сталей и сплавов тонкой и плотной оксидной пленки толщиной порядка 0,025-0,030 мкм. Образуемая на поверхности металла в результате предварительного подогрева до температуры 50-100°С оксидная пленка оптимальной толщины значительно повышает адгезионную прочность сцепления с наносимым тонкопленочным покрытием за счет увеличения развитости и дефектности поверхности основы и химического взаимодействия с материалом покрытия. Более высокие температуры (выше 100°С) способствуют образованию на поверхности металла толстой и более рыхлой оксидной пленки, не дающей необходимого эффекта увеличения прочности сцепления покрытия с основой. Дополнительным важным результатом предварительного подогрева является обезвоживание поверхности изделия (испарение водного конденсата), что также способствует увеличению адгезии наносимого покрытия.

Повышение долговечности различных изделий напрямую связано с толщиной наносимого износостойкого покрытия. Покрытие толщиной более 3 мкм ухудшает параметры шероховатости поверхности по сравнению с исходной шероховатостью, имеет низкую теплопроводность по сравнению с основой металла, а также повышенную склонность к образованию микротрещин. Натурные испытания показали, что в большинстве случаев покрытие даже минимальной толщины порядка 0,5 мкм и менее обеспечивает существенное повышение эксплуатационной стойкости изделий (на сотни %). Это связано с тем, что покрытие благодаря своей высокой твердости, химической инертности, низкому коэффициенту трения и значительному электросопротивлению (10⁶ Ом·м) образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию контактируемых поверхностей. Кроме того, покрытие обладает достаточной коррозионной стойкостью и жаростойкостью (до 1000°С). Возможность нанесения покрытия минимальной толщины расширяет номенклатуру упрочняемых изделий, включая беззазорные штампы, высокоточный инструмент, калибры и т.д., а реализация самого процесса позволяет повысить производительность нанесения покрытия.

В ряде случаев, например, при нанесении покрытия на рабочие поверхности литьевых форм необходимо иметь повышенную толщину покрытия (до 2 мкм). Выбор параметров режима нанесения такого покрытия может быть получен с помощью расчета по вышеприведенному соотношению.

При назначении общего времени нанесения покрытия из соотношения t=К·s·f, реальная толщина покрытия f _п по отношению к заданной толщине f имеет максимально возможное отличие по абсолютной величине |(f_п-f)·100%/f| не более 50%, что, как показали эксплуатационные испытания, вполне допустимо.

Проведенными исследованиями установлено, что скорость охлаждения наносимого покрытия составляет порядка (10¹⁰ 10¹²) К/с. При таких скоростях охлаждения покрытие затвердевает в аморфном состоянии. Микротвердость получаемого тонкопленочного покрытия, корректно измеренная при нагрузке на индентор 0,5 гс, имеет значение порядка 52 ГПа, что значительно выше, чем при технологиях, отличных от предлагаемого способа.

Важным условием нанесения качественного тонкопленочного покрытия является перемещение плазмотрона на скоростях, больших 3 мм/с с обеспечением многоциклового процесса нанесения упрочняющего покрытия (как правило, с промежуточными охлаждениями изделия). При циклическом нанесении тонкопленочного покрытия для одинакового общего времени обработки большая микротвердость композиции покрытие-подложка наблюдается для более короткого времени единичного цикла, уменьшающего разогрев основы, что соответствует повышенным скоростям перемещения плазменной струи - от 3 до 150 мм/с. Превышение верхней границы скорости ведет к негативным газодинамическим процессам взаимодействия плазменной струи с обрабатываемой поверхностью.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Матрицы и пуансоны вырубного штампа 1709.5110-П30 из стали X12M обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 1 мкм составляло 752; 1128 и 1504 с. Режим обработки - многоцикловый.

В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).

Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона, соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.1).

Испытания на эксплуатационную стойкость вырубных штампов 1709.5110-П30 из стали Х12М проводились при штамповке деталей 017ДА8-667-437 из оцинкованной стали 08пс толщиной 0,55 мм. Эксплуатационная стойкость оценивалась по соотношению деталей, отштампованных упрочненными и неупрочненными штампами по качеству отштампованных деталей (отсутствие заусенцев). Результаты приведены в табл.1.

Таблица 1
Зависимость эксплуатационной стойкости штампов 1709.5110-П30 от режима нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия
Температура предварительного подогрева, °С	Задаваемая толщина покрытия f, мкм	Общее время нанесения покрытия t, с	Скорость перемещения плазмотрона, мм/с	Полученная толщина покрытия fп, мкм	Коэффициент повышения стойкости Кст
50	1,0	752	3,0	0,5	3,5
75	1,0	1128	76,5	0,9	4,4
100	1,0	1504	150	1,4	3,9

Пример 2. Вырубные штампы беззазорные 2ШБ11076 из стали Х12МФ обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 0,5 мм составляло 408; 612 и 816 с. Режим обработки - многоцикловый.

В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).

Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.2).

Испытания на эксплуатационную стойкость вырубных беззазорных штампов 2ШБ11076 из стали Х12МФ проводились при штамповке деталей из стали 65Г толщиной 0,8 мкм. Эксплуатационная стойкость оценивалась по соотношению деталей, отштампованных упрочненными и неупрочненными штампами по качеству отштампованных деталей (отсутствие заусенцев). Результаты приведены в табл.2.

Таблица 2
Зависимость эксплуатационной стойкости штампов 2ШБ11076 от режима нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия
Температура предварительного подогрева, °С	Задаваемая толщина покрытия f, мкм	Общее время нанесения покрытия t, c	Скорость перемещения плазмотрона, мм/с	Полученная толщина покрытия fп, мкм	Коэффициент повышения стойкости Кст
50	0,5	408	3,0	0,3	2,9
75	0,5	612	76,5	0,5	3,4
100	0,5	816	150	0,7	3,0

Пример 3. Литьевые формы 147-131 ЛТНМП-100 из стали 4Х5МФС обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 2 мкм составляло 6280; 9420 и 12560 с. Режим обработки - многоцикловый.

В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).

Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.3).

Испытания на эксплуатационную стойкость литьевых форм 147-131 ЛТНМП-100 из стали 4Х5МФС проводились при отливке кольца 124 из сплава латуни ЛЦ16К4. Стойкость оценивалась по соотношению деталей, отлитых в упрочненные и неупрочненные литьевые формы до появления сетки разгара. Результаты приведены в табл.3.

Таблица 3
Зависимость эксплуатационной стойкости литьевых форм 147-131 ЛТНМП-100 от режима нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия
Температура предварительного подогрева, °С	Задаваемая толщина покрытия f, мкм	Общее время нанесения покрытия t, c	Скорость перемещения плазмотрона, мм/с	Полученная толщина покрытия fп, мкм	Коэффициент повышения стойкости Кст
50	2,0	6280	3	1,7	13,1
75	2,0	9420	76,5	2,3	15,7
100	2,0	12560	150	3,0	14,4

Пример 4. Пластинки из твердого сплава ВК6 обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 1,2 мкм составляло 58; 87 и 115 с. Режим обработки - многоцикловый.

В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).

Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона, соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.4).

Испытания на эксплуатационную стойкость пластинок из твердого сплава ВК6 проводились при обработке деталей из стали 25Л. Стойкость оценивалась по соотношению деталей, обработанных упрочненными и неупрочненными пластинками до появления критического износа граней пластинок. Результаты приведены в табл.4.

Таблица 4
Зависимость эксплуатационной стойкости от режима нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия
Температура предварительного подогрева, °С	Задаваемая толщина покрытия f, мкм	Общее время нанесения покрытия t, с	Скорость перемещения плазмотрона, мм/с	Полученная толщина покрытия fп, мкм	Коэффициент повышения стойкости Кст
50	1,2	58	3	0,5	3,0
75	1,2	87	76,5	1,1	3,4
100	1,2	115	150	1,6	3,2

Эффект от использования предлагаемого способа нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия достигается за счет:

а) ограничения общего времени нанесения покрытия, связанного определенным соотношением с задаваемой толщиной наносимого тонкопленочного покрытия;

б) повышения адгезии наносимого тонкопленочного покрытия к основе, обусловленного предварительным подогревом изделия на воздухе до температуры 50-100°С и образованием на поверхности основы тонкой и плотной оксидной пленки, многократно повышающей адгезионную прочность сцепления наносимого покрытия с основой; повышенная адгезия покрытия к основе при нанесении покрытия способствует созданию в поверхностном слое металла сжимающих остаточных напряжений, повышающих эксплуатационную стойкость изделий с покрытием даже минимальной толщины порядка 0,5 мкм и менее;

в) увеличенной скорости перемещения плазменной струи вдоль поверхности изделия, что также исключает вероятность разупрочняющего отпуска.

В результате на обрабатываемой поверхности формируется тонкопленочное покрытие, обладающее оптимальным комплексом упрочняющих свойств: покрытие даже минимальной толщины - 0,5 мкм и менее, обеспечивает существенное повышение эксплуатационной стойкости (на сотни %), что определяется высокой микротвердостью получаемого покрытия (до 52 ГПа), повышенной адгезией к основе, химической инертностью, низким коэффициентом трения, диэлектрическими свойствами покрытия, которое образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию контактируемых поверхностей. Кроме того, это покрытие обладает достаточной коррозионной стойкостью и жаростойкостью (до 1000°С). При условиях и параметрах режимов нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия, указанных в изобретении, обеспечивается получение в поверхностном слое металла толщиной до 10 мкм сжимающих остаточных напряжений, исключающих образование при эксплуатации микротрещин и уменьшающих склонность к усталостным разрушениям. Сжимающие напряжения возникают вследствие различия коэффициентов термического расширения и температуры материала подложки и покрытия и повышенной адгезии покрытия за счет образования прочных межмолекулярных и химических связей покрытия с основой, микрореологических процессов, связанных с заполнением впадин шероховатости, а также микротрещин и микропор подложки при формировании покрытия. Условия и параметры режимов нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия, указанные в изобретении, обеспечивают значительное и стабильное повышение эксплуатационной стойкости изделий с хорошей воспроизводимостью и расширение номенклатуры обрабатываемых изделий.