Патент на изобретение №2310013

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ ПОКРЫТИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к получению сверхтвердых покрытий. Поверхность изделия предварительно обрабатывают в вакуумной камере ускоренными ионами аргона с энергией до 1000 эВ и при давлении газа аргона (2-6)×10² Па. Затем на обработанную поверхность наносят подслой на основе металла, выбранного из группы: титан, хром и цирконий. Подслой наносят с помощью электродугового испарителя с сепарацией плазменного потока магнитным полем. Затем наносят композиционный слой металл-углерод тем же методом, что и предыдущий слой. Алмазоподобную пленку наносят с помощью генератора углеродной плазмы при импульсном токе 3-5 кА, при длительности разряда 0,2-0,5 мсек и длительности паузы не менее 10 мсек. Алмазоподобную пленку наносят электродуговым вакуумным распылением графитового катода из катодного пятна, генерирующего углеродную плазму при импульсном токе 3-5 кА, при длительности разряда 0,2-0,5 мсек и длительности паузы не менее 10 мсек. Затем формируют защитный подслой из совмещенных атомно-молекулярных потоков углерода и элемента, входящего в группу, содержащую алюминий, титан, кремний и цирконий, с изменением массовой доли % элемента от 0 до 8, после чего наносят металлический слой. Техническим результатом изобретения является разработка технологии получения сверхтвердого углеродо-металлического покрытия с заданными свойствами, при этом нижний слой должен обладать высокой адгезией с материалом подложки, средний – высокой твердостью, повышенной износостойкостью, верхний – хорошей теплопроводностью и теплостойкостью. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к получению сверхтвердых пленок в едином вакуумном цикле с заранее заданными свойствами, конкретно к технологии формирования многослойного углеродо-металлического покрытия, и может быть использовано в медицине, тяжелой и легкой промышленности для повышения эксплуатационных характеристик изделий и увеличения их ресурса работы.

Известен способ повышения эксплуатационных характеристик изделий, в частности инструмента, при котором наносится нитрид титана (TiN) или карбонитрид титана (TiCN) [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что данные покрытия, обладая хорошей адгезией к материалу подложки, имеют низкую твердость и уровень сжимающих напряжений, либо высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления. При нагреве (резка, трение) идет разрушение Ti-N связей, и покрытие быстро изнашивается за счет недостаточной твердости.

Известен метод катодного распыления, при котором происходит осаждение потоков нейтральных атомов углерода, полученных катодным распылением графитовой мишени. Здесь используются различные схемы распыления: диодная, триодная, магнетронная [2]. Серьезным недостатком перечисленных методов является низкая скорость осаждения 0,1-0,3 нм/мин, объясняющаяся малым значением коэффициента распыления углерода и невысоким значением плотности ионного потока. Низка плотность 1,8-2,1 г/см², микротвердость 10-25 ГПа. Кроме того, пленки загрязнены примесями кислорода, водорода и аргона.

Известен метод осаждения из плазмы, создаваемый лазерным воздействием на графитовую мишень. При воздействии достаточно мощного лазерного излучения с мишенями происходит образование высокоскоростных потоков материала эродирующей поверхности. Энергия атомов и ионов в потоках значительно выше тепловой, что может быть использовано для получения алмазоподобных (АПП) покрытий, используя импульсное лазерное излучение для испарения графитовой мишени при отрицательном потенциале на подложке [3].

Имея удельную мощность лазера 3×100000000 ВТ/ см², среднюю энергию ионов углерода 80 эВ, скорость осаждения 0,3-0,5 мкм/ч, из-за низкого КПД лазеров (около 3%) метод не получил широкого применения. Кроме того, механические свойства пленок невысокие.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ получения алмазоподобного покрытия в вакууме [4].

Способ формирования углеродного алмазоподобного покрытия в вакууме включает помещение изделия в вакуумную камеру, обработку поверхности ускоренными ионами, нанесение на обрабатываемую поверхность подслоя материала, электродуговое распыление графитового катода, получение углеродной плазмы с последующим осаждением данной плазмы на поверхность изделия. Используется импульсный электродуговой разряд, посредством которого возбуждают множество котодных пятен на торцевой поверхности графитового катода, перемещающихся по торцевой поверхности катода со скоростью 10-30 м/сек и генерирующих углеродную плазму с энергией ионов 40-100 эВ, при этом изделие в вакуумной камере электроизолируют. Температура поддерживается в пределах 200-450 К посредством регулирования частоты импульсов.

Недостатком метода являются большие внутренние напряжения (5-7 ГПа), которые приводят к растрескиванию покрытия, его отслоению и сокращению времени работы изделия.

Техническим результатом изобретения является разработка технологии получения сверхтвердого углеродометаллического покрытия с заданными свойствами, а именно улучшения качества алмазоподобных пленок за счет изменения их структуры и состава.

Указанный технический результат достигается за счет того, что предварительную обработку поверхности изделия проводят в вакуумной камере ионами аргона с энергией до 1000 эВ и при давлении газа аргона (2-6)×10² Па, подслой наносят с помощью электродутового испарителя с сепарацией плазменного потока магнитным полем, затем наносят композиционный слой металл – углерод тем же методом, что и предыдущий слой, алмазоподобную пленку наносят с помощью генератора углеродной плазмы при импульсном токе 3-5 кА при длительности разряда 0,2-0,5 мсек и длительности паузы не менее 10 мсек, затем формируют защитный подслой из совмещенных атомно-молекулярных потоков углерода и элемента, входящего в группу, содержащую алюминий, титан, кремний и цирконий, с изменением массовой доли % элемента от 0 до 8, после чего наносят металлический слой.

Кроме того, подслой наносят толщиной до 0,1 мкм, композиционный слой наносят толщиной до 0,1 мкм, алмазоподобную пленку наносят толщиной до 0,10 мкм, защитный подслой выполняют толщиной 0,020-0,025 мкм, металлический слой выполняют толщиной до 0,1 мкм.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию “новизна”.

Для проверки соответствия технического решения критерию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа. Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении, по их функциональному назначению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Получение модифицируемой алмазоподобной пленки достигается следующим порядком.

Устанавливают подложку в вакуумной камере, создают разрежение, производят предварительную обработку детали ионами аргона с энергией до 1000 эВ источником ионного травления типа “Радикал” (очистка от органических загрязнений, снятие поверхностных напряжений) при давлении аргона 2×10²-6×10² Па. Для повышения эффективности ионного травления используют дополнительное ускорение ионов аргона подачей отрицательного потенциала в пределах 800-2000 В на деталь.

Целесообразно в качестве материала подслоя использовать металл, выбранный из группы, состоящей из Ti, Cr, Zr. Для лучшего сцепления подложки и пленки толщиной до 0,04-0,06 мкм используют электродуговой испаритель с сепарацией плазменного потока магнитным полем. Далее осуществляют совместное осаждение углерода методом импульсного распыления графита и металла методом электродугового испарения с магнитной сепарацией плазменного потока для создания переходного композиционного металл – С подслоя толщиной до 0,1 мкм. Изменением скорости осаждения углерода обеспечивают плавный переход от чистого металла к чистому углероду АПП.

Затем производят нанесение алмазоподобной пленки генератором углеродной плазмы со средней энергией 80 эВ и концентрацией ионов 10¹²-10¹³ см³ импульсным током 3-5 кА. Импульсный характер процесса конденсации, отличающийся длительными паузами (длительность разряда 0,3 мсек и длительность паузы не менее 10 мсек при максимальной частоте), улучшает отвод тепла из зоны конденсации, что обеспечивает формирование алмазоподобных структур в более широком диапазоне температур (до 150°С). При этом скорость напыления АПП достигает до 0,9 А/импульс.

Для снижения внутренних напряжений в покрытии, если необходимо получение более “мягких” пленок, проводится имплантация в углеродную пленку ионов азота, что повышает устойчивость его к механическим нагрузкам.

Затем формируют защитный подслой из совмещенных атомно-молекулярных потоков углерода и элемента, входящего в группу, содержащую алюминий, титан, кремний и цирконий, с изменением массовой доли % элемента от 0 до 8, дальнейшее увеличение массовой доли металла в пленке приводит к значительному ухудшению структурного состаяния последнего, после чего наносят металлический слой.

В данном конкретном случае для минимального снижения свойств АПП слоя массовая доля (Me) не должна превышать 8%. При низкой скорости поступления атомов (Me), обеспечивающей малую концентрацию металла, на подложке конденсируется пленка с однородной по размеру частиц структурой. Управление потоками осуществляется изменением плотности потока компонентов и выбором режимов напыления.

Процесс завершается покрытием чистого металлического слоя толщиной около 0,1 мкм. Получение защитной пленки позволяет повысить рабочую температуру работы АПП слоя, а также улучшает теплопередачу рабочая зона – подложка.

Для промышленного использования и эффективной работы покрытие должно иметь слоистую структуру с участками, защищающими углеродную пленку. Нижний слой должен обладать высокой адгезией с материалом подложки, средний – высокой твердостью, повышенной износостойкостью, верхний – хорошей теплопроводностю, теплостойкостью.

При этом покрытия должны иметь прочное сцепление друг с другом, что обеспечивается введением промежуточных слоев для плавного изменения свойств от слоя к слоя. Этим достигается снижение напряжений на границах пленок и увеличивается трещеустойчивость.

Кроме того, благодаря химическому сродству слоев достигается прочное сцепление друг с другом.

С целью экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено преложенное покрытие на партию метчиков, используемых в серийном производстве.

Пример 1

Метчики поместили в вакуумную камеру, камеру вакуумировали до давления 5×10 Па. Проводили ионную обработку ионами аргона с энергией в 900 эВ при давлении 4×10² Па. Для повышения эффективности ионного травления использовали дополнительное ускорение ионов аргона подачей отрицательного потенциала на изделие в 1000 В.

Затем наносили на изделие с помощью электродугового испарителя с сепарацией плазменного потока подслой на основе титана толщиной 0,05 мкм.

Методом электродугового испарения с сепарацией плазменного потока нанесли композиционный слой типа Ti-С, после чего нанесли алмазоподобную пленку с помощью генератора углеродной плазмы со средней энергией 80 эВ и концентрацией ионов 10¹² см³ толщиной 0,10 мкм. Скорость напыления АПП составила 0,9 А/импульс.

Затем формировали защитный подслой из совмещенных атомно-молекулярных потоков углерода и элемента, входящего в группу, содержащую алюминий, титан, кремний и цирконий, с изменением массовой доли % от 0 до 8, после чего нанесли металлический слой.

Путем ренгеноструктурного анализа установлено, что покрытие аморфно.

Испытания проводились на реальном производстве в одинаковых условиях (метчики с покрытием и без покрытия). Ресурс работы инструмента с покрытием увеличился до 5-и раз. Фактически, наличие покрытия создает новый инструмент:

– другие механические свойства поверхностного слоя,

– низкий коэффициент трения,

– изменение характера химического взаимодействия.

Таким образом, многослойное углеродо-металлическое покрытие, полученное достаточно дешевым и экологически чистым методом распыления углерода, может быть использовано для улучшения свойств деталей и инструмента.

Эффективность данного покрытия может быть многократно увеличена без изменения технологии напыления путем оптимизации режимов нанесения и использования других модификационных материалов.

Источники информации

1. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойким покрытием на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск. УлГТУ, 1988, с.122.

2. В.М.Кольянов, В.П.Демидов. СССР, Авторский сертификат №411037, 1973.

3. И.И.Аксенов, В.Г.Падалка и др. Физика плазмы, 1979, с.607-612.

4. RU, П-2114210, 6 С23С 14/06, 14/22, опубл. 27.06.1998.

Формула изобретения

1. Способ получения сверхтвердых покрытий, включающий предварительную обработку поверхности изделия в вакуумной камере ускоренными ионами, нанесение на обработанную поверхность подслоя на основе металла, выбранного из группы: титан, хром и цирконий, электродуговое вакуумное распыление графитового катода из катодного пятна с получением углеродной алмазоподобной пленки, отличающийся тем, что предварительную обработку поверхности изделия проводят в вакуумной камере ионами аргона с энергией до 1000 эВ и при давлении газа аргона (2-6)·10² Па, подслой наносят с помощью электродугового испарителя с сепарацией плазменного потока магнитным полем, затем наносят композиционный слой металл-углерод тем же методом, что и предыдущий слой, алмазоподобную пленку наносят с помощью генератора углеродной плазмы при импульсном токе 3-5 кА при длительности разряда 0,2-0,5 мс и длительности паузы не менее 10 мс, затем формируют защитный подслой из совмещенных атомно-молекулярных потоков углерода и элемента, входящего в группу, содержащую алюминий, титан, кремний и цирконий, с изменением массовой доли % элемента от 0 до 8, после чего наносят металлический слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подслой наносят толщиной 0,04-0,06 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиционный слой наносят толщиной до 0,1 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что алмазоподобную пленку наносят толщиной до 0,10 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитный подслой выполняют толщиной 0,020-0,025 мкм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический слой выполняют толщиной до 0,1 мкм.