Покрывающий элемент для защиты от эрозии

Покрывающий элемент для защиты от эрозии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к покрывающему элементу для защиты от эрозии, который может предотвратить эрозию железных субстратов и других субстратов, причина которой заключается к контакте с расплавленным алюминием.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для железных материалов характерна проблема: они способны вступать в реакцию с расплавленным алюминием, образуя железо-алюминиевые сплавы, которые способны растворяться в расплавленном алюминии.

Проблема эрозии также затрагивает механические компоненты, металлические детали, режущие инструменты и другие инструменты, выполненные из железных материалов, включая нержавеющую сталь, материалы из титана и сверхтвердые материалы, когда они находятся в контакте с расплавленным алюминием.

Считается, что для защиты от эрозии легким и эффективным средством является покрытие поверхности субстрата, сделанного из железного материала или подобного ему, подвергающегося эрозии, покрывающим элементом для предохранения от эрозии. В данном случае покрывающий материал для защиты от эрозии должен, как правило, иметь сопротивляемость к эрозии. Поскольку покрывающий элемент обычно резко вносят в контакт с расплавленным алюминием, покрывающий элемент должен также иметь сопротивляемость к тепловому удару. Более того, поскольку покрывающий материал должен быть визуально контролируемым на предмет деградации, необходимо, чтобы покрывающий слой имел специфичный цвет, который позволял бы визуально контролировать деградацию, а не обычный металлический цвет.

Хотя различные керамические материалы, использующиеся в покрывающих элементах для защиты от эрозии, имеют высокую сопротивляемость к нагреву и, как правило, высокую сопротивляемость к эрозии, они хрупкие и весьма склонны ломаться под действием термального шока. В случае, когда покрытие субстрата выполнено из железного материала или подобного ему, его покрывают керамическим материалом; предпочтительным для визуального контроля деградации является золотистый нитрид титана (TiN), однако он обладает недостаточной сопротивляемостью к эрозии. Нитрид хрома (CrN), имеющий высокую сопротивляемость к эрозии (См. PTL 1), не может обеспечить визуальный контроль деградации, поскольку имеет металлический цвет. Кремне-титановый нитрид (TiSiN) облегчает визуальный контроль деградации вследствие его цвета от оранжевого до фиолетового и, как предполагалось, имеет более высокую сопротивляемость к эрозии, поскольку он имеет более высокую сопротивляемость к нагреванию, чем CrN. Однако кремне-титановый нитрид имеет свойство разбиваться под действием термального шока вследствие его высокой жесткости.

ДОКУМЕНТЫ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

PTL 1: Публикация Нерассмотренной Патентной Заявки № 8-209331.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РАЗРЕШАЕМЫЕ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение покрывающего элемента для защиты от эрозии, который, как правило, имеет высокую сопротивляемость к эрозии, является резистентным к повторяющимся термальным шокам, поскольку обладает продолжительным временем жизни, и имеет специфичный цвет, который позволяет визуальный контроль деградации поверхностного слоя.

СПОСОБЫ, РАЗРЕШАЮЩИЕ ПРОБЛЕМЫ

Для решения поставленной задачи настоящее изобретение предоставляет покрывающий элемент, наносимый на субстрат, который подвергают эрозии путем контакта с расплавленным алюминием. Покрывающий элемент включает нижний слой, b слой, промежуточный слой и a слой, которые наносят в данном порядке на субстрат, где нижним слоем является металлическая Cr пленка, b слоем является пленка CrN и крайним a слоем является TiSiN пленка, и промежуточный слой включает слоеные пленки, составленные из TiSiN пленок a слоя и CrN пленок b слоя, поочередно нанесенные на поверхность друг друга так, что пленки одного и того же типа не совпадают.

Предпочтительный вариант выполнения покрывающего элемента для защиты от эрозии в соответствии с настоящим изобретением: субстрат изготавливают из железного материала, включая нержавеющую сталь, титанового материала или из сверхжесткого материала, металлические компоненты TiSiN пленки a слоя желательно имеют Ti:Si соотношение в ряду от 90:10 до 50:50 (% по атому), промежуточный слой включает два или более поочередно нанесенных a и b слоев в совокупности и каждый нижний слой, b слой и a слой являются монослоями и толщина промежуточного слоя и a и b слоев, располагаемых на промежуточном слое, желательно находится в ряду от 2 до 10 мкм. Каждый из слоев может быть сформирован стандартным способом осаждения, таким как способ нанесения покрытия физическим осаждением из паров (PVD способ) или плазмохимическим осаждением из паров (P-CVD способ).

Покрывающий элемент для защиты от эрозии, в соответствии с настоящим изобретением, имеющий описанную ранее структуру, формируют посредством многослойной пленки, выполненной из CrN, имеющего высокую сопротивляемость к эрозии, и TiSiN, имеющего более высокую сопротивляемость к нагреванию, чем CrN. Данные материалы сами по себе имеют высокую сопротивляемость к эрозии. Более того, пленку CrN b слоя, имеющего низкую жесткость, наносят на субстрат поверх Cr металлической пленки; TiSiN a слоя, имеющего высокую жесткость и высокую сопротивляемость к нагреванию, наносят в качестве верхнего слоя; и в качестве промежуточного слоя CrN пленки и TiSiN пленки поочередно наносят поверх друг друга так, что пленки одного и того же типа не перекрываются. Вышеописанный порядок обеспечивает распределение жесткости между субстратом и наружной поверхностью покрывающего элемента. Это может облегчать давление, прикладываемое к внешней поверхности, улучшать адгезию покрывающего элемента и предотвращать обрыв, вызванный термальным шоком, даже если верхний слой выполнен из жесткого TiSiN.

Cr металлическая пленка (нижний слой), расположенный между субстратом и b слоем из CrN пленки, позволяет ионам Cr диффундировать в субстрат, таким образом улучшая адгезию покрывающего элемента. Покрывающий элемент для защиты от эрозии включает верхний слой, выполненный из жесткого TiSiN. В отличие от CrN пленки, которая имеет металлический цвет, что затрудняет контроль деградации покрывающего элемента, TiSiN, имеющего цвет от оранжевого до фиолетового, эффективно облегчает контроль деградации покрывающего элемента. В частности, TiSiN верхний слой имеет высокую сопротивляемость к эрозии, где содержание Si находится в ряду от 20 до 30 (% по атому). Хотя сопротивляемость к эрозии немного варьируется с содержанием Si в данном ряду, изменение содержания Si может приводить к изменению цвета TiSiN между оранжевым и фиолетовым. С цветом, подходящим для визуального контроля эрозии покрывающего элемента, сохранение или замена состава может быть легко определена.

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Покрывающий элемент для защиты от эрозии, в соответствии с настоящим изобретением, описанным детально выше, имеет высокую сопротивляемость к эрозии, обладает резистенцией к повторяющимся термическим шокам, поскольку имеет продолжительное время жизни и имеет особый цвет, который разрешает визуальный контроль деградации покрывающего слоя.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой график, демонстрирующий результаты для образцов настоящего изобретения и образцов сравнения.

Фиг.2 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для образца с необработанной поверхностью (образец сравнения), показанную в Таблице 2 (каждая градуировка на фотомикрографии показывает 1 мм).

Фиг.3 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для нитридного образца (образца сравнения), показанную в Таблице 2.

Фиг.4 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для хромированного образца (образца сравнения), показанную в Таблице 2.

Фиг.5 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для TiN- покрытого образца (образца сравнения), показанную в Таблице 2.

Фиг.6 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для CrN- покрытого образца (образца сравнения), показанную в Таблице 2.

Фиг.7 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для образца (образца сравнения), имеющего TiSiN пленку (20%), в качестве верхнего слоя, и TiAlN пленку, в качестве нижнего слоя, показанную в Таблице 2.

Фиг.8 представляет собой цветную фотомикрографию, используемую вместо графика, демонстрирующую результаты обработки в Примере 2 для примера настоящего изобретения, показанную в Таблице 2.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно покрывающему элементу для защиты от коррозии в соответствии с настоящим изобретением элемент, который подвергается эрозии посредством контакта с расплавленным алюминием, покрывают керамическим материалом, предотвращающим эрозию. Примеры элементов, которые будут подвергаться эрозии, включают компоненты для литья под давлением, включая формы для литья под давлением, находящиеся в контакте с расплавленным алюминием, механические компоненты и режущие инструменты и другие инструменты. Для нанесения покрытия субстрат, как правило, изготавливают из железного материала, включая нержавеющую сталь или теплостойкую сталь, использующуюся в компоненте для литья под давлением, титановый материал или сверхжесткий материал. Покрытие субстрата вместе с покрывающим элементом может обеспечивать высокую сопротивляемость к эрозии, сопротивляемость к повторяющимся термальным шокам и особый цвет, который разрешает визуальный контроль деградации поверхностного слоя.

Как показано в Таблице 1, покрывающий элемент для защиты от эрозии, покрывающий субстрат, включает Cr металлическую пленку в качестве нижнего слоя, CrN пленку в качестве b слоя, промежуточный слой и крайнюю TiSiN пленку в качестве a слоя, нанесенные в данном порядке. Каждый из слоев, в отличие от промежуточного слоя, является монослоем. Промежуточный слой включает слоеные пленки, составленные из TiSiN пленок a слоя и CrN пленок b слоя, поочередно нанесенных поверх друг друга, так, что пленки одного и того же типа не перекрываются. Промежуточный слой включает два или более и 270 (толщиной приблизительно 2 мкм) или менее пленок в сумме. Толщина многослойной пленки, включая нижний слой, промежуточный слой, a слой (толщиной от 1 до 1,5 мкм) и b слой (толщиной приблизительно 1 мкм), как правило, находится в ряду от 2 до 10 мкм, предпочтительно от 2,5 до 3,5 мкм. Меньшая толщина многослойной пленки приводит к более низкой сопротивляемости к эрозии. Большая толщина многослойной пленки приводит к более высокой тенденции покрывающего элемента не подвергаться воздействию многочисленного термального шока. Cr металлическая пленка нижнего слоя, которая служит в качестве адгезива между субстратом и b слоем соответственно, имеет толщину от 1 мкм или менее.

Таблица 1
	Тип пленки	Соотношение в смеси	Общее число слоев
a слой	TiSiN	Ti 70-80% Si 30-20%	Один
Промежуточный слой	TiSiN/CrN	Ti 70-80% Si 30-20% Cr 100%	Два или более
b слой	CrN	Cr 100%	Один
Нижний слой	Cr	Cr 100%	Один

Соотношение в смеси, изображенное в Таблице 1, предполагает только металлические компоненты.

Металлические компоненты TiSiN пленки a слоя могут иметь Ti:Si соотношение в ряду от 90:10 до 50:50 (% по атому), предпочтительно от 70:30 до 80:20 (% по атому) в зависимости от сопротивляемости к эрозии и продуктивности. В рамках данных рядов было найдено, что TiSiN пленка обладает высокой сопротивляемостью к эрозии. Соотношение в смеси может меняться в пределах данных рядов, изменяя цвет поверхности между оранжевым и фиолетовым. С любым цветом, пригодным для визуального контроля эрозии покрывающего элемента, сохранение или изменение состава может быть легко определено. Cr металлическая пленка, расположенная между субстратом и b слоем CrN пленки, с диффундирующими в субстрат ионами Cr, может также эффективно функционировать для улучшения адгезии к CrN пленки b слоя.

Данные пленки не обязательно формируют посредством PVD способа или P-CVD способа.

Экспериментальные результаты для образцов и образцов сравнения настоящего изобретения описываются ниже.

ПРИМЕР 1

Покрываемый гвоздь, выполненный из теплостойкой стали (JIS SKD61 материал), имеющий диаметр 6 мм и длину 150 мм, использовали в качестве субстрата. Покрываемый гвоздь покрывали покрывающим элементом, показанным в Таблице 1, методом ионного осаждения для получения тестируемого образца, в соответствии с данным примером (Ti:Si соотношение TiSiN пленки в a слое и в промежуточном слое было 70:30 (% ат.) и общее число субслоев промежуточного слоя составляло 90). Тестируемые образцы в соответствии с образцами сравнения получали поверхностной обработкой покрываемого гвоздя, показанного на фиг.1.

Приблизительно половину длины каждого из тестируемых образцов, в соответствии с примером и образцами сравнения, опускали в расплавленный алюминий (JIS ADC12) в тигле при 670°С на 25 часов. Сопротивляемость к эрозии определяли по изменению веса после погружения. График фиг.1 показывает результаты.

Результаты показывают, что тестируемый образец, покрытый CrN пленкой, в соответствии с образцами сравнения, которые имели металлический цвет, что затрудняло визуальный контроль деградации, также обладал высокой сопротивляемостью к эрозии. Было доказано, что тестируемый образец, в соответствии с настоящим примером, являлся покрывающим элементом, имеющим высокую сопротивляемость к эрозии и цвет, который позволяет визуально контролировать деградацию. Находясь на неповрежденной стороне, общее число субслоев промежуточного слоя в тестируемом образце в соответствии с настоящим примером составляло 90. Предполагалось, однако, что даже двухслойный промежуточный слой имеет градиентную функцию жесткости, хотя и не полностью. Таким образом, было отдельно подтверждено, что двухслойный промежуточный слой может предупреждать обрыв под действием термического шока.

ПРИМЕР 2

Субстрат представлял собой тот же покрытый гвоздь, как и в Примере 1. После того как субстрат подвергли диффузионной и депозитной обработкам, перечисленным в «Название Поверхностной обработки» Таблицы 2, субстрат погружали в расплавленный алюминий (ADC12) в тигле при 650°С на 90 секунд и затем охлаждали водой при 25°С за одну секунду. После того как погружение было повторено 2000 раз, был осуществлен поиск обрыва, треска и эрозии от термического шока. Цветные фотомикрографии фиг.2-8 демонстрируют состояние обрыва и эрозии от термического шока. Таблица 2 показывает наблюдаемые результаты.

Таблица 2
Название поверхностной обработки	Толщина пленки, мкм ( ), диффузионного слоя	Эрозия, %	Состояние поверхностной деградации
Без обработки	-	100	Сильная эрозия по всей поверхности
Азотирование	(50)	25	Сильная эрозия по всей поверхности
Хромирование	(20)	1,5	Частично сильная эрозия
TiN	3	0,5 или менее	Эрозия происходит ввиду недостаточной сопротивляемости к эрозии
CrN	3	0,5 или менее	Небольшое количество трещин; небольшая эрозия; затрудненный поиск деградации
Поверхностный слой: TiSiN (20%)+ нижний слой TiAlN	3	0,5 или менее	Жесткая пленка с многочисленными небольшими трещинами: эрозия из-за трещин
Представленный рабочий образец	3	0,5 или менее	Нет треска или эрозии

Процент эрозии в таблице представляет изменение в весе, полученном после эксперимента, где процент эрозии для необработанных образцов составлял 100. Проценты эрозии от 0,5% или менее не могли быть определены корректно и, как правило, указаны как 0,5% или менее.

1. Покрывающий элемент, нанесенный на субстрат из материала на основе железа, титанового материала или сверхтвердого материала для защиты от эрозии при контакте с расплавленным алюминием, содержащий нижний слой в виде Cr металлической пленки, b слой - в виде CrN пленки, промежуточный слой и верхний а слой - в виде TiSiN пленки, причем промежуточный слой выполнен из слоистых пленок, состоящих из TiSiN пленок а слоя и CrN пленок b слоя, поочередно нанесенных на поверхность друг друга так, что пленки одинакового типа не перекрываются.

2. Элемент по п.1, в котором материалом на основе железа является нержавеющая сталь.

3. Элемент по п.1, в котором каждый из слоев образован методом физического осаждения из паров или методом плазмохимического осаждения из паров.

4. Элемент по п.1, в котором соотношение компонентов Ti и Si в пленке TiSiN а слоя составляет от 90:10 до 50:50 (% ат.).

5. Элемент по п.1, в котором промежуточный слой включает два или более поочередно расположенных а слоя и b слоя в сумме, и каждый нижний слой, b слой и а слой наружного слоя являются монослоями.

6. Элемент по п.1, в котором толщина промежуточного слоя и а, и b слоев, лежащих по обе стороны промежуточного слоя, находится в интервале от 2 до 10 мкм.

7. Элемент по п.5, в котором толщина промежуточного слоя и а, и b слоев, лежащих по обе стороны промежуточного слоя, находится в интервале от 2 до 10 мкм.