Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали

Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали

Реферат

 

Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали включает ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа - азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы, причем азотирование, очистку поверхности и нанесение нитрида титана осуществляют в одной вакуумной камере в плазме дугового и газового разряда с накаленным катодом в едином цикле, образуя на поверхности деталей трехслойную структуру, при этом азотирование проводят при давлении реактивного газа 510^-3-210^-2 мм рт. ст., отрицательном напряжении смещения на деталях 300-1000 В и плотности ионного тока 2 - 8 мА/см² в течение 30-90 мин, очистку проводят в плазме инертного газа - аргона при давлении 310^-4 - 710^-4 мм рт. ст. и плотности тока 3 - 5 мА/см^-2, а нанесение нитрида титана осуществляют со скоростью 2 мкм/ч в течение 60 - 90 мин при одновременной работе генератора газоразрядной плазмы и дугового испарителя при отрицательном напряжении смещения на детали 300 - 600 В, токе электродугового испарителя 50 - 200 А, давлении реактивного газа 310^-4 - 210^-3 мм рт. ст. Способ позволяет интенсифицировать процесс и увеличить эксплуатационную стойкость машин, испытывающих высокие удельные нагрузки в процессе трения. 1 табл.

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке поверхности деталей и может быть использовано в машиностроении.

Известно, что формирование тонких пленок (1-5 мкм) нитридов переходных металлов на поверхности стальных деталей посредством дугового или магнетронного напыления в среде реактивных газов существует достаточно резкая граница в значениях твердости покрытия и материала самого изделия. Если рабочая поверхность изделия, на которую наносят износостойкое покрытие, пластична и обладает достаточной жесткостью, то несмотря на высокую твердость это покрытие при повышенных удельных нагрузках в процессе трения прогибается и разрушается под действием силы давления в контакте с контртелом. Присутствие протяженных переходных слоев с постепенно нарастающей твердостью между материалом изделия и супертвердым покрытием позволяет устранить образование резкой границы, тем самым демпфируя градиент жесткости разнородных материалов. (Рыбаков Л. М. , Куксенова Л.И. Трение и износ. - "Металловедение и термическая обработка". Том 19, Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР. М., 1985, с.) Известен способ нанесения изностойкого покрытия на поверхности изделий из стали, в частности, на детали машин, включающий ионноплазменное азотирование в среде реактивного газа-азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы (RU 2013463 С1, 30.05.94). Способ позволяет создать переходную область между покрытием и материалом самого изделия. К недостаткам способа относится то, что два этапа обработки - азотирование и напыление - проводят в двух разных камерах, требуется производить перегрузку деталей из камеры в камеру между этапами всего техпроцесса, в связи с чем изделия подвергаются воздействию окружающей среды с высокой вероятностью их загрязнение. Перегрузка изделий дополнительно усложняет и увеличивает длительность всей работы.

Задачами изобретения являются интенсификация процесса, создание твердой, износостойкой трехслойной структуры на поверхности конструкционной стали с целью увеличения эксплуатационной стойкости деталей машин, испытывающих высокие удельные нагрузки в процессе трения.

Поставленная задача достигается тем, что азотирование изделия с образованием промежуточного слоя, очистка и активация поверхности, нанесение TiN покрытия осуществляются в едином технологическом цикле в плазме дугового и газового с накаленным катодом разрядов в одной вакуумной камере.

Способ осуществляется следующим образом. На первом этапе после загрузки изделий в вакуумную камеру проводят азотирование в течение 30 - 90 мин в плазме, создаваемой генератором газоразрядной плазмы при давлении реактивного газа (N₂) 5 10^-3 - 2 10^-2мм рт.ст. и плотности ионного тока J=2-8 мА/см². Изделия во время азотирования находятся под отрицательным смещением 300 - 1000 В относительно заземленной рабочей камеры и за счет ионной бомбардировки их температура поддерживается постоянной в диапазоне 450-500^oC. В результате на их поверхности образуется многофазная область, состоящая из азотистого феррита ( - фаза) с плавно изменяющейся твердостью из глубины изделия к поверхности. Над ней располагается слой нитрида железа Fe₄N ( - фаза), обладающий высокой твердостью (7-8 ГПа). Благодаря тому,что азотирование проводится при более низких давлениях,чем в тлеющем разряде, толщина - фазы (высший нитрид железа) из-за снижения концентрации азота уменьшается и ее удалить в едином технологическом цикле с помощью ионного травления, не прибегая к механической полировке. Протяженность слоев зависит от плотности ионного тока (тока разряда) и времени обработки.

После азотирования производят плазменную очистку и активацию поверхности в аргоновой плазме, создаваемой плазмогенератором путем смены газа в камере, при давлении 3 10^-4 - 7 10^-4мм рт.ст. и плотности ионного тока J=3-5 мА/см² в течение 20-40 мин.

На заключительном этапе наносят TiN покрытие при отрицательном напряжении смещения на детали 300 - 600 В. Распыление титанового катода на этом этапе производят электродуговым исправителем, при токе дуги 50 - 200 А. Одновременная работа генератора газоразрядной плазмы и дугового испарителя позволяет осуществлять процесс плазменноассистированного напыления пленки TiN в азоте со скоростью роста 2 мкм/ч при давлении 3 10^-4-2 10^-3 мм рт.ст. в течение 60-90 мин.

Температура обрабатываемых деталей при азотировании, плазменной очистке и нанесении покрытия не превышает 550^oC, не вызывая коробления обрабатываемых изделий.

В результате такого способа создается трехслойная структура, состоящая из сверхтвердого TiN покрытия толщиной несколько мкм на рабочей поверхности изделия, промежуточного слоя Fe₄N с повышенной твердостью протяженностью 5 - 10 мкм, диффузионного слоя ( - фазы) протяженностью 120-200 мкм, обладающая высокой износостойкостью. Образованный азотированием промежуточный слой уменьшает градиент механических свойств между твердым покрытием и материалом изделия. TiN покрытие имеет высокую адгезию с промежуточным слоем вследствие близких структурных состояний и химических свойств. Кроме того, весь процесс осуществляется в едином технологическом цикле и не требуется перегрузка изделий между этапами обработки, в связи с чем исключается вероятность загрязнения их поверхности и сокращается общая длительность обработки.

В примере использования настоящего изобретения рабочую камеру стандартной установки (например, ННВ 6.6 ИI) для вакуумного электродугового напыления покрытий дополнительно оснастили генератором газоразрядной плазмы с накаленным катодом. В качестве образцов применяли полированные цилиндрические шайбы диаметром 20 мм и толщиной 10 мм из конструкционной стали 40Х, предварительно отожженные. Износостойкость поверхностей определяли в сравнении с образцами, обработанными по стандартным методам упрочнения указанной стали (закалкой и ионным азотированием в тлеющем разряде).

Результаты испытаний приведены в таблице.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что при обработке предлагаемым способом на поверхности образцов был сформирован модифицированный слой, состоящий из трех последовательно расположенных и адгезионно и прочно связанных между собой зон. Азотистый феррит ( - фаза) имеет плавно возрастающую твердость от сердцевины 2,0 ГПа к поверхности до 6,0 ГПа протяженностью 100-120 мкм. Над ней расположена область нитрида железа Fe₄N ( -фаза) толщиной 6-8 мкм и твердостью 7,5-8,0 ГПа.

Формула изобретения

Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали, включающий ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа - азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы, отличающийся тем, что азотирование, очистку поверхности и нанесение нитрида титана осуществляют в одной вакуумной камере в плазме дугового и газового разряда с накаленным катодом в едином цикле, образуя на поверхности деталей трехслойную структуру, при этом азотирование проводят при давлении реактивного газа 5 10^-3 - 2 10^-2 мм рт.ст., отрицательном напряжении смещения на деталях 300 - 1000 В и плотности ионного тока 2 - 8 мА/см² в течение 30 - 90 мин, очистку проводят в плазме инертного газа - аргона при давлении 3 10^-4 - 7 10^-4 мм рт.ст. и плотности тока 3 - 5 мА/см², а нанесение нитрида титана осуществляют со скоростью 2 мкм/ч в течение 60 - 90 мин при одновременной работе генератора газоразрядной плазмы и дугового испарителя при отрицательном напряжении смещения на детали 300 - 600 В, токе электродугового испарителя 50 - 200 А, давлении реактивного газа 3 10^-4 - 2 10^-3 мм рт.ст.

РИСУНКИ

Рисунок 1