Способ нанесения покрытия, содержащего оксид алюминия и карбид вольфрама

Способ нанесения покрытия, содержащего оксид алюминия и карбид вольфрама

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (89) DD/243512 (48) 04.03.87 (21) 7774320/33 (22) 03.11,86 (31) WPС 23С/284405 (32) 16.12.85 (33) 00 (46) 07.05.92. Бюл, ¹ 17 (71) НП Веркцейгкомбинат Шмалькальден (0D) (72) Франк Ильген, Вольфганг Вейтц, Хартмут Вестфаль, Артур Виганд, Рольф Резлер, Элеоноре Вагнер и Иоганна Меллер(00) (53) 666.798.2(088.8) (56) Заявка ФРГ ¹ 3112460, кл. С 23 С 11/08, опублик. 1983. (54) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ОКСИД АЛЮМИНИЯ И КАРБИД ВОЛЬФРАМА

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. Ж 17317бЗ А1

60; С02 1 — 12, Ar остальное, при давлении

90-120 кПа и температуре 990 — 1330 К осаждается слой А!20з с включениями металлического вольфрама, который дополнительно обрабатывается в газовой смеси состава, об.%: Нг 60-70, СеНа 0,2 — 1, Ar остальное, в результате чего на режущей пластинке образуется покрытие из оксида алюминия, содержащего карбид вольфрама, 1 з.п. ф-лы. 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

А!С!з и НгО или парогазовой смеси из А!С!з и C02/Н2, реакция проводится при 6001200 С и давлении 1 — 760 торр.

Однако за счет подобных керамических слоев, нанесенных непосредственно на металлокерамическую твердосплавную деталь, достигается улучшение износостойкости в области поверхности только в ограниченной мере. Причиной этого является недостаточная прочность сцеп1731763

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

B DE AS ¹ 2253745, кл. С 23 С 11/08, 1972 предлагается деталь из металлокера- 5 мического твердого сплава покрыть промежуточным слоем из одного или нескольких карбидов и/или нитридов элементов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Мо, W, S и/или В, на

10 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 прочность сцепления керамического слоя, однако последняя из-за окисления карбидных или н итридн ых компонентов и ромежуточного слоя остается ограниченной.

Это устраняется за счет изнашиваю15

20 щейся детали из твердого сплава (DE — OS ¹

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

25 слоя из карбида или карбонитрида или из карбонитрида, нитрида или оксинитрида металлов групп ill â€, а также по крайней мере один наружный слой из одной окиси металла, причем окись металла образована 30 из металлов Ti, Hf, Zr, Al, Сг и В. Получающиеся комбинации слоев улучшают прочность сцепления окисных поверхностных слоев, однако поверхностные слои, состоящие из одной окиси металла, например 35 только из окиси алюминия, по своей проч- . ности сцепления и износостойкости еще могут быть улучшены, В. DE — OS N 2851584, кл. В 32 B 15/00, 1980 предлагается создать на карбидном 40 и/или нитридном промежуточном слое следующий поверхностный слой из смеси по крайней мере одной окиси и по крайней мере одного оксинитрида элементов Cr, Al, Са, Mg, Th, Se, Y, La, Ti, Hf, V, Nb или Та. 45

Комбинация А!гОз с карбидами, например с

TiC и/или WC, не рассматривается, так как при использовании способа было невозможно одновременно осаждать окись алюминия и эти карбиды. 50

Трудности, возникающие при одновременном осаждении А!20з и карбидов, объясняются тем, что наряду с требуемой реакцией протекает большое число конкурирующих реакций, препятствующих одно- 55 временному осаждению. Поэтому в DE — OS

¹ 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 А!гОз и TiC реактивная газовая или паровая смесь состоит из водорода, метана и тетрахлорида титана, а также из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и А!С!з, При осаждении карбида вольфрама вместо тетрахлорида титана используется гексафторид 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/Нг путем химического осаждения из паровой фазы из газовой или, соответственно, паровой среды, состоящей, об, / А!С!з1 — 5; Р/С!в 0,02 — 0,2; Н2 40 — 60; СОг

1 — 12; Ar — остальное, при давлении 90 — 120 кПа и 990-1330 К осаждается слой А! Оз с включениями металлического вол ьф рама, который дополнительно обрабатывается в газовой смеси, об.;4: Hg 60 — 70; СеНь 0,2-1,0;

Ar — остальное.

Для обеепечения высокой прочности сцепления комбинированного слоя окиси алюминия — карбида вольфрама целесообразно, а при различных деталях из металлокерамических 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

1731763 окиси алюминия — карбида вольфрама во время процесса нанесения покрытия количественно изменялись внутри указанных диапазонов.

Способ для изготовления слоев окиси 5 алюминия, содержащих COz, карбид вольфрама, выполняется в зависимости от количественной доли COz в реакционной среде по различным уравнениям реакции.

C02+ Н2 СО+ Н20; 10

WCIg+ 3HwW+ 6HCI;

2А!С!3+ ЗН20- А!203+ 6НС!.

При содержании COz 1-5 об. происходит следующая реакция:

СОг+ Hz CO+ НгО; 15

ИС!6+ ЗНг- И+ 6НС!;

2А!С!з+ ЗН2ОА!20з+ 6HCI.

При этом сначала получается слой А!гОз с включениями металлического вольфрама.

После осаждения этого слоя А! Оз, содержа- 20 щего вольфрам, выполняется дополнительная обработка с помощью СвНе, Н, Ar:

W+ 1/6 СвНв-АРМС+ 1/2 Hz.

При содержании СОг в реакционной смеси 6 — 12 об. следует ожидать следую- 25 щих реакций:

СО2+ НЕСО+ Н20;

2А!С!з + 3 Н20 А!20з + 6H CI;

WClg+ ЗНгО- ЯОз+ 6HCI; А!2(6/О !)з+ 9НгА!20з+ ÇW+ 9Н20. 30

При этом сначала также осаждается вольфрам содержащий слой А!гОз, который путем последующей дополнительной обработки в СвНв, Hz u Ar преобразуется в слой

А!20з, содержащий вольфрам. 35

W + 1/6 С6Нв- 6/С + 1/2 Н2.

При указанных условиях способа на деталях из металлокерамических твердых сплавов образуется комбинированный слой окиси алюминия — карбида вольфрама, со- 40 ответствующий общей формуле

А!203+ WC» где x = 0,5 — 1.

Нанесенный на деталь из металлокерамического твердого сплава комбинирован- 45 ный слой А!20з — WC» обладает высокими прочностью сцепления и износостойкостью, если А! Оз — фаза содержит 2 — 5 об.

WC и А!гОз имеется в а- и/или к-модификации. Должны наноситься слои толщиной 1 — 50

25 мкм, Пример 1. Неперетачиваемые режущие пластинки, состоящие из 88 ЛС, 4

ТаС, 2 TiC и 6 Со, нагреваются в реакто- 55 ре в инертном газе до 1320 К. Затем они обрабатываются 40 мин в среде Аг — H2 — N2—

Т!С!4 — НЮСŠ— С7 Н)5обычным способом, благодаря чему образуется промежуточный слой TiCN, Затем пространство реактора промывается с помощью Аг — Hz и устанавливается газовая смесь следующего состава, об. : Ar 30; Н256,55; СО29; AICI 4,25; М/С!6

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 Ar-Hz установлена газовая смесь следующего состава, об.,: Ar 30; Нг

69.75, СвНв 0,25.

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

Неперетачиваемые режущие пластинки имеют закрытый двойной слой, состоящий из слоя TiCN толщиной 8 мкм и слоя А!20з, содержащего карбид вольфрама, толщиной

2,5 мкм. Верхний слой содержит примерно

3 WC, фаза А!гОз состоит из а-и к-фаз.

Потребительская ценность определена в испытании обточкой. Условия испытания:

Материал 100 Сгв

Скорость резания V, м,мин 160

Подача S, мм об 0,4

Глубина резания а, мм (с охлаждением) 2

Используемая неперетачиваемая режущая пластинка TNUC 220412 — 332

Критерий износа задней поверхности, мм 0,8

Результаты испытаний: неперетачиваемые режущие пластинки с нанесенным обычным способом покрытием TICN — А!20з

90 деталей, то же, с покрытием, нанесенным предлагаемым способом, 150 деталей.

Пример 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 атмосфере Ar — Н вЂ” Nz — TiCI4, в результате чего образуется промежуточный слой TiN. После этого полость реактора промывают Нг и устанавливают газовую смесь следующего состава, об. ; А!С!з5; ЧЧС!о0,2; Нг 60; СОг 12, Ar — остал ь н ое.

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

После повторной промывки полости реактора Ar— - H2 устанавливают газовую смесь следующего состава, об. ; Н 70, СгНь 1, Ar— остал ьное.

В этой атмосфере неперетачиваемые пластинки подвергают обработке в течение

1,5 мин при тех же давлении и температуре.

1731763

Пластинки охлаждают в реакторе в присутствии Ar.

Неперетачиваемые пластинки содержат сплошной двойной слой, состоящий из слоя TiN толщиной 8 мкм и WC — содержащего слоя А!гОз толщиной 25 мкм.

Наружный слой содержит примерно 87ь

WC, фаза А!гОз состоит из фаз а и к.

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

50

Составитель Е.Юдина

Редактор И.Шмакова Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Заказ 1554 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Пример 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

Ar— - Нг-Ti С!4-СеНо, в результате чего образуется промежуточный слой TiC. После этого полость реактора промывают Нг и устанавливается газовая смесь следующего состава, об. : А!С!з1; Ф/С!е 0,02; Нг40; СОг 1; Ar— остальное.

B этой атмосфере неперетачиваемые пластинки подвергают обработке в течение

30 мин при давлении 90 кПа и 990 К. После повторной промывки Ar— - Нг устанавливается газовая смесь следующего состава, об. :

Нг 60, СвНе 0,2; Ar — остальное.

B этой атмосфере пластинки подверга. ют обработке при тех же давлении и температуре, после чего охлаждают в реакторе в присутствии Ar.

Неперетачиваемые пластинки содержат сплошной двойной слой, состоящий из слоя TiC толщиной 8 мкм и WC — содержащего слоя А!гОз. Фаза А!гОз состоит только из фазы к.

Способ обеспечивает снижение затрат и позволяет наносить покрытие с высокой прочностью сцепления и износостойкостью одновременно на все наружные поверхно5 сти.

Формула изобретен и я

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

10 сплава, содержащего карбиды металлов IVVI групп и металл группы железа, путем промывки реакционного сосуда газовой смесью

Аг/Нг, нагрева в защитном газе до температуры нанесения покрытия и химического

15 осаждения покрытия из газовой среды, содержащей AICb, галогенид вольфрама, Нг и

СОг,отл ича ющи йся тем, что, с целью обеспечения экономного нанесения покрытия с высокой износостойкостью, покрытие

20 наносят в две стадии: сначала осаждают слой А!гОз с включениями металлического вольфрама из газовой среды, содержащей в качестве галогенида вольфрама WCls и дополнительно Ar при следующем соотноше25 нии компонентов, об. :

А!С!з 1-5

\И С!6 0,02 — 0,2

Нг 40 — 60

СОг 1 — 12

30 Ar Остальное при 90-120 кПа и 990 — 1330 К, который до-, полнительно обрабатывают в газовой смеси, содержащей, об. :

Нг 60-70

35 СБН6 0,2 — 1,0

Ar Остальное при тех же давлении и температуре.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что перед осаждением слоя оксида алю40 миния, содержащего карбид вольфрама, наносят промежуточный слой.