способ получения износостойкого покрытия

Формула изобретения

Способ получения износостойкого покрытия, включающий очистку поверхности инструмента и вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия с использованием реакционного газа, отличающийся тем, что помещают инструмент в вакуумную камеру установки, оснащенной магнетронами, электродуговыми испарителями и нагревателем, проводят очистку поверхности инструмента в три этапа, на первом - в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности инструмента нагревателем до 100°С, на втором - в плазме магнетронного разряда, на третьем - проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа, нагревая поверхность инструмента до 300-350°С, затем наносят нижний слой титана магнетронным распылением титановой мишени и наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония в газовой смеси инертного и реакционного газов, причем слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени, а слои нитрида циркония получают электродуговым испарением циркониевого катода, после этого наносят верхний слой нитрида титана и циркония, одновременно проводя магнетронное распыление титановой мишени и электродуговое испарение циркониевого катода в газовой смеси инертного и реакционного газов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению износостойких покрытий, может быть использовано в машиностроительной и добывающей промышленности, в инструментальном и ремонтных производствах для получения покрытий инструмента, в частности для получения износостойких покрытий режущего инструмента.

Известно многослойное износостойкое покрытие по патенту РФ на изобретение № 2061090, С23С 14/32, 1996, состоящее из последовательно расположенных слоев нитрида циркония, композиционного нитрида титана-циркония и нитрида титана. Для увеличения адгезии между поверхностью инструмента и покрытием перед осаждением слоев покрытия на поверхность инструмента дополнительно наносят слой из циркония. Твердость слоя из циркония недостаточна для работы режущего инструмента в прерывистом режиме, при действии на инструмент ударных нагрузок.

В способе нанесения композиционных покрытий по патенту РФ № 2146724, С23С 14/06, 2000, включающем электродуговое распыление катодной мишени, поверхность изделий перед нанесением покрытий очищают и активируют ионами плазмы несамостоятельного дугового разряда. Недостатком является невысокое качество предварительной очистки поверхности, приводящее к возможным дефектам покрытия, необходимость специального использования плазмогенератора для создания плазмы из плазмообразующего газа для горения несамостоятельного дугового разряда.

Известен режущий инструмент с многослойным износостойким ионно-плазменным покрытием (патент РФ на изобретение № 2270270, С23С 14/06, 2006). Нижний и верхний слои покрытия выполнены их нитрида титана и циркония, а промежуточный - из нитрида титана. Покрытие наносится вакуумно-дуговыми испарителями. Недостатком является отсутствие буферного слоя, обладающего свойствами, отличными от свойств промежуточного слоя из нитрида титана, предотвращающими его растрескивание за счет определенной амортизации биений при прерывистом режиме резания. Кроме того, частично упорядоченная структура слоев, полученных вакуумно-дуговыми испарителями, и невысокая адгезия между инструментом и нижним слоем снижает износостойкость покрытия.

В качестве ближайшего аналога выбран способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента по патенту РФ на изобретение № 2266350, С23С 14/06, 2005, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия в среде реакционного газа. Нижним наносят слой нитрида титана-циркония TiZrN с использованием двух составных катодов из Ti-Zr и катода из титанового сплава, промежуточным - слой нитрида титана-циркония TiZrN с использованием двух составных катодов из Ti-Zr, верхним наносят слой нитрида титана-циркония TiZrN с использованием одного составного катода из Ti-Zr и катода из титанового сплава. Использование во всех слоях в различных соотношениях одних и тех же материалов не исключает вероятности возникновения и распространения трещин из-за схожести свойств соседних слоев. Слои получены вакуумно-дуговым испарителем и характеризуются частично упорядоченной структурой, что влияет на твердость получаемого покрытия и обуславливает его недостаточную износостойкость. Невысокая адгезия между поверхностью инструмента и нижним слоем нитрида титана-циркония также снижает надежность покрытия.

Технической задачей заявляемого технического решения является повышение надежности получаемого покрытия.

Технический результат заключается в повышении износостойкости покрытия. Технический результат обеспечивается тем, что в способе получения износостойкого покрытия, включающем очистку поверхности и вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия с использованием реакционного газа, согласно изобретению помещают инструмент в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронами, электродуговыми испарителями, нагревателем, проводят очистку поверхности инструмента в три этапа, на первом - в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности инструмента нагревателем до 100°С, на втором - в плазме магнетронного разряда, на третьем - проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа, нагревая поверхность инструмента до 300-350°С, далее наносят нижний слой титана магнетронным распылением титановой мишени, наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония в газовой смеси инертного и реакционного газов, слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени, слои нитрида циркония получают электродуговым испарением циркониевого катода, наносят верхний слой нитрида титана и циркония, одновременно проводя магнетронное распыление титановой мишени и электродуговое испарение циркониевого катода в газовой смеси инертного и реакционного газов.

Технический результат достигается за счет того, что инструмент помещают в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронами, электродуговыми испарителями, нагревателем, что позволяет проводить процесс получения покрытия непрерывно, не вынимая инструмент из установки, не подвергая свежеобразованные частицы получаемых слоев воздействию внешней среды, в процессе которого происходит образование соединений, ухудшающих свойства покрытия. Проведение очистки поверхности инструмента в три этапа, одновременное проведение мягкой очистки поверхности в тлеющем разряде и бесконтактный ее нагрев обеспечивают высокоэффективную микроочистку поверхности инструмента при температурах ниже, чем температура отпуска инструментального материала, в частности, быстрорежущей стали. В процессе очистки указанным способом, помимо собственно микроочистки, происходит активизация поверхности инструмента перед процессом осаждения покрытия, за счет чего повышается адгезионная прочность покрытия на поверхности инструмента без снижения прочностных свойств самого инструмента. Нанесение на очищенную поверхность инструмента слоя титана, обладающего значительной кристаллохимической совместимостью с последующим нитридотитановым слоем покрытия и материалом инструмента, снижает напряжения на границе их раздела и повышает адгезию между ними. Слои нитрида титана получают магнетронным распылением с использованием титановой мишени, что позволяет получить наноструктурированные слои с высокой твердостью при сохранении относительно высокой вязкости. Структура данных слоев позволяет обеспечить их достаточную прочность в условиях прерывистого резания. Слои нитрида циркония получают электродуговым испарением циркониевого катода, в результате чего образуются рентгеноаморфные слои с частично упорядоченной структурой, обладающие меньшей микротвердостью по сравнению со слоями нитрида титана. Слои нитрида циркония являются буферными слоями. Чередование слоев с различной структурой и свойствами позволяет повысить трещиностойкость покрытия за счет разделения функций между слоями. Верхний слой нитрида титана и циркония получают одновременным магнетронным распылением титановой мишени и электродуговым испарением с циркониевого катода, при этом цирконий образует устойчивый поверхностный оксид, который стабилизирует моноклетку нитрида титана. Данный слой за счет структурных особенностей, возникающих в результате одновременного комбинированного использования магнетронов и дуговых испарителей, обладает высокой микротвердостью и низким коэффициентом трения в паре с обрабатываемым материалом, что снижает интенсивность трещинообразования.

Способ получения износостойкого покрытия осуществляют следующим образом. Вакуумная камера автоматизированной установки УРМ содержит два электродуговых испарителя с циркониевыми катодами, четыре магнетрона с титановыми мишенями и резистивный нагреватель. Режущий инструмент устанавливают на поворотное устройство в вакуумную камеру, проводят откачку камеры, включают резистивный нагреватель, происходит испарение адсорбированной влаги со стенок камеры и предварительный нагрев инструмента. Проводят первый этап очистки поверхности инструмента. При включенном резистивном нагревателе подают на инструмент постоянное напряжение смещения, в результате чего возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается тлеющий разряд. Для зажигания и поддержания тлеющего разряда подают аргон. Процесс очистки в тлеющем разряде осуществляют при давлении в вакуумной камере 1,2-1,4 Па в течение 20 минут. Проводят нагрев инструмента по всему сечению до температуры 100°С для активизации упрочняемой поверхности, предотвращения перепада температур по сечению инструмента и возникновения напряжений между поверхностью инструмента и первым слоем покрытия. Контроль температуры осуществляют с помощью пирометра. Проводят второй этап очистки в плазме магнетронного разряда. Подают постоянное напряжение между мишенью магнетронного распылителя и анодом, возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается тлеющий разряд. Регулирование давления в камере 0,8-1,2 Па производят подачей аргона. Подают напряжение на магнетрон и осуществляют процесс очистки в течение 5 минут. Проводят третий этап очистки поверхности режущего инструмента - ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа. Отключают магнетронный распылитель. На поворотное устройство с инструментом подают отрицательное напряжение, включают один электродуговой испаритель, создают в среде аргона давление в камере 0,01 Па и производят ионную очистку и нагрев инструмента до температуры 300°С в течение 5 минут. Далее создают в вакуумной камере давление 0,8-1,1 Па, снимают высокое напряжение с инструмента, выключают электродуговой испаритель, подают опорное напряжение на инструмент, напряжение на магнетрон. В течение 2 минут проводят осаждение нижнего слоя магнетронным распылением титана, который является материалом мишени магнетрона. Наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония в газовой смеси инертного и реакционного газов. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве реакционного газа используют азот. Слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени из чистого титана марки ВТ-1-00. Поток металлической плазмы из титана, состоящий из ионов и наночастиц, образуется при бомбардировке титановой мишени ионами инертного газа и направляется от мишени к поверхности режущего инструмента в газовой среде азота. В качестве инертного газа используют аргон особо высокой чистоты. Ионы аргона образуются в плазме аномального тлеющего разряда, возбуждаемого в скрещенных электрическом и магнитном полях. Осаждение слоя нитрида титана проводят при давлении 0,8-1,1 Па в течение 12 минут при соотношении инертного и реакционного газов 60/40. Методом магнетронного распыления формируют наноструктурированный слой нитрида титана с нанокристаллитами, диаметр которых не превышает 10 нм. Данная структура слоя обеспечивает его повышенную твердость и прочность при действии нагрузок прерывистого резания. Слои нитрида циркония получают испарением циркониевых катодов электродуговых испарителей в газовой смеси азота и аргона при давлении 0,6-1,2 Па, в течение 8 минут. Данный слой характеризуется наличием рентгеноаморфных и частично текстурированных фаз. При чередовании слоев нитрида титана и нитрида циркония реализуют принцип формирования покрытия с градиентом структуры и свойств и, как следствие, с разделением функций между слоями. Нанометрическое многослойное покрытие представляет собой тонкую нанокомпозитную пленку, состоящую из наноструктурированных слоев нитрида титана и рентгеноаморфных слоев нитрида циркония. Слоистая структура данной пленки обеспечивает ее высокую трещиностойкость. Верхний слой нитрида титана и циркония наносят при одновременной работе в режиме осаждения магнетронов и дуговых испарителей в газовой смеси аргона и азота, при давлении 1,0-1,2 Па, в течение 10 минут. При одновременном осаждении нитридов комбинированным методом получают слой с микроструктурным упрочнением, использование его в качестве верхнего слоя существенно повышает работоспособность режущего инструмента за счет снижения тепловыделения на его контактирующей поверхности. Снижение тепловыделения происходит из-за уменьшения коэффициента трения в паре с обрабатываемым материалом за счет повышения микротвердости слоя до 36 ГПа.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет существенно повысить износостойкость режущего инструмента.