RU2494170C1 - Method of making sandwich wear-resistant coatings - Google Patents
Method of making sandwich wear-resistant coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2494170C1 RU2494170C1 RU2012113451/02A RU2012113451A RU2494170C1 RU 2494170 C1 RU2494170 C1 RU 2494170C1 RU 2012113451/02 A RU2012113451/02 A RU 2012113451/02A RU 2012113451 A RU2012113451 A RU 2012113451A RU 2494170 C1 RU2494170 C1 RU 2494170C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- deposition
- layer
- titanium
- temperature
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 37
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 28
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 27
- 229910018509 Al—N Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 claims abstract description 10
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- -1 titanium ions Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 abstract 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910011208 Ti—N Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 47
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 8
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910008651 TiZr Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам нанесения износостойких, многослойных покрытий с комплексом физико-механических, трибологических и коррозионных свойств в низкотемпературных условиях электродугового испарения (ЭДИ) на базе модели структурных зон (МСЗ) и может быть использовано в машиностроительной, добывающей и перерабатывающей промышленности, инструментальном и ремонтном производствах для упрочнения поверхности инструмента и пар трения (подложки) из полутеплостойких, теплостойких инструментальных и конструкционных сталей, обладающих минимальной сопротивляемостью к совместному действию истирающих, высоких контактных и тепловых нагрузок, воздействию агрессивной среды, для которых велика вероятность интенсивного разрушения рабочих поверхностей в процессе их эксплуатации.The invention relates to methods for applying wear-resistant, multilayer coatings with a complex of physicomechanical, tribological and corrosion properties in low-temperature conditions of electric arc evaporation (EDI) based on the model of structural zones (MSZ) and can be used in machine-building, mining and processing industries, tool and repair industries for hardening the surface of the tool and friction pairs (substrates) from semi-heat-resistant, heat-resistant tool and structural steels, possesses constituents minimum resistance to the combined action of abrasive, high contact and thermal loads, to the aggressive environment, which is likely to fracture intensive working surfaces during their operation.
Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. При этом в качестве всех его слоев наносят один и тот же нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем верхний и нижний слои осаждают при более высокой температуре конденсации по сравнению со средним. Технологически температура устанавливается напряжением, которое разгоняет ионы металла до соответствующих значений энергий, следовательно, чем выше напряжение, тем выше энергия ионов и выше температура (патент РФ №2260631, МПК С23С 30/00).A known method of producing a multilayer coating for a cutting tool, comprising vacuum-plasma deposition of a multilayer coating. At the same time, the same nitride or carbonitride of a refractory metal or metal compound is deposited as all its layers, the upper and lower layers being deposited at a higher condensation temperature than the average. Technologically, the temperature is set by a voltage that accelerates metal ions to the corresponding energies, therefore, the higher the voltage, the higher the ion energy and the higher the temperature (RF patent No. 2260631, IPC С23С 30/00).
Недостатком известного способа является то, что в известном способе понижение температуры конденсации нижнего и первого слоя покрытия приводит к нарушению процесса его структурообразования и формированию неравновесных структур с низкими эксплуатационными свойствами. Покрытие, первые два слоя которого содержат неравновесные структуры, не будет обладать требуемым комплексом стабильных физико-механических, трибологических и коррозионных свойств. Кроме того, уменьшение температурных параметров осаждения приводит к неконтролируемому изменению элементного и фазового состава и, как следствие, требуемых свойств покрытия, что недопустимо в условиях воздействия значительных эксплуатационных нагрузок и воздействия агрессивной среды.The disadvantage of this method is that in the known method, lowering the condensation temperature of the lower and first coating layers leads to disruption of the process of its structure formation and the formation of nonequilibrium structures with low operational properties. The coating, the first two layers of which contain nonequilibrium structures, will not have the required complex of stable physico-mechanical, tribological and corrosion properties. In addition, a decrease in the temperature parameters of the deposition leads to an uncontrolled change in the elemental and phase composition and, as a result, the required properties of the coating, which is unacceptable under the conditions of significant operational loads and aggressive environments.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ нанесения многослойного износостойкого покрытия, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев TiZr и (Ti,Zr)N. Первым наносят микрослой TiZr, затем осуществляют термомеханическую активацию поверхности слоев путем ее ионной бомбардировки, после чего наносят слой на основе нитрида титана и циркония (Ti,Zr)N. Осаждение слоев TiZr, (Ti,Zr)N и ионную бомбардировку повторяют, по крайней мере, три раза, причем последним наносят слой (Ti,Zr)N. Ионную бомбардировку осуществляют ионами титана и циркония с энергией 0,8-1,0 кэВ при температуре 723-773 К. Нанесение слоев покрытия осуществляют испарением двух титановых и одного циркониевого катода (патент РФ №2346078, МПК С23С 14/06, С23С 14/24, С23С 14/58). Данный способ принят в качестве прототипа.Closest to the claimed invention in terms of essential features is a method of applying a multilayer wear-resistant coating, including vacuum-plasma deposition of layers of TiZr and (Ti, Zr) N. The TiZr microlayer is applied first, then thermomechanical activation of the layer surface is carried out by its ion bombardment, after which a layer based on titanium nitride and zirconium (Ti, Zr) N is applied. The deposition of layers of TiZr, (Ti, Zr) N and ion bombardment is repeated at least three times, with the last layer being applied (Ti, Zr) N. Ion bombardment is carried out with titanium and zirconium ions with an energy of 0.8-1.0 keV at a temperature of 723-773 K. Coating is carried out by evaporation of two titanium and one zirconium cathode (RF patent No. 2346078, IPC С23С 14/06, С23С 14 / 24, C23C 14/58). This method is adopted as a prototype.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - ионная очистка с нагревом и термомеханической активацией подложки электродуговым испарителем в среде азота путем ее ионной бомбардировки с энергией 0,8-1,0 кэВ перед осаждением; вакуумно-плазменное нанесение в среде азота многослойного покрытия, при этом осаждение чередующихся слоев повторяют, по крайней мере, три раза.The features of the prototype, which coincides with the essential features of the claimed invention, are ion cleaning with heating and thermomechanical activation of the substrate by an electric arc evaporator in nitrogen by its ion bombardment with an energy of 0.8-1.0 keV before deposition; vacuum-plasma deposition in a nitrogen environment of a multilayer coating, while the deposition of alternating layers is repeated at least three times.
Продолжительная (30 мин) очистка, активация и нагрев упрочняемой поверхности до температуры 723-773 К в процессе ионной очистки способствует равномерному нагреву подложки и стабилизации ее структуры, но приводит к накоплению на упрочняемой поверхности бомбардирующего материала, искровым явлениям, приводящим к эрозии, а также резкой неоднородности плотности ионного тока на поверхности подложки сложной геометрии.Prolonged (30 min) cleaning, activation, and heating of the hardened surface to a temperature of 723-773 K during ion cleaning promotes uniform heating of the substrate and stabilization of its structure, but leads to the accumulation of hardening material on the hardened surface, spark effects leading to erosion, and sharp heterogeneity of the ion current density on the surface of the substrate of complex geometry.
К недостаткам известного способа, принятого за прототип, относится то, что покрытие, полученное известным способом на подложке с невысоким классом чистоты поверхности, не обеспечивает требуемого комплекса свойств. Кроме того, промежуточные металлические слои TiZr незначительно снижают физико-механические, трибологические и коррозионные свойства покрытия в целом.The disadvantages of the known method adopted for the prototype, is that the coating obtained in a known manner on a substrate with a low class of surface cleanliness does not provide the required set of properties. In addition, the intermediate TiZr metal layers slightly reduce the physicomechanical, tribological, and corrosion properties of the coating as a whole.
Задачей заявляемого технического решения является получение покрытия с комплексом физико-механических, трибологических и коррозионных свойств в низкотемпературных условиях электродугового испарения на базе модели структурных зон для увеличения сопротивления поверхности подложки к совместному действию истирающих, высоких контактных и тепловых нагрузок, воздействию агрессивной среды.The objective of the proposed technical solution is to obtain a coating with a set of physicomechanical, tribological and corrosion properties in low-temperature conditions of electric arc evaporation on the basis of a model of structural zones to increase the resistance of the substrate surface to the combined action of abrasive, high contact and thermal loads, and the influence of an aggressive environment.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе получения износостойкого многослойного покрытия, включающем ионную очистку с нагревом и термомеханической активацией подложки электродуговым испарителем в среде азота путем ее ионной бомбардировки с энергией 0,8-1,0 кэВ перед осаждением и вакуумно-плазменное нанесение в среде азота многослойного покрытия, при этом осаждение чередующихся слоев повторяют, по крайней мере, три раза, проводят на первом этапе очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем до 400÷430 К в течение 30 мин, а на втором этапе осуществляют в процессе ионной очистки нагрев поверхности подложки ионами титана до 665÷695 К, после чего наносят нижний слой нитрида титана TiN с поликристаллической структурой в течение 3 мин с окончательной температурой покрытия после осаждения 670+- 700 К, затем наносят чередующиеся слои двухкомпонентного нитрида титана TiN с нанокристаллической структурой и трехкомпонентного нитрида титана и алюминия Ti-Al-N с нанокристаллической структурой, при этом слой TiN с нанокристаллической структурой наносят испарением двух титановых катодов при нагреве покрытия до температуры 685÷710 К в течение 3 мин, а слой Ti-Al-N с нанокристаллической структурой наносят одновременным испарением двух титановых и одного алюминиевого катода при нагреве покрытия до температуры 690÷720К в течение того же времени, при этом осаждение чередующихся слоев проводят до достижения температуры верхнего слоя 730÷760 К, причем последним наносят слой Ti-Al-N.The problem was solved due to the fact that in the known method of obtaining a wear-resistant multilayer coating, including ion cleaning with heating and thermomechanical activation of the substrate by an electric arc evaporator in nitrogen by means of its ion bombardment with an energy of 0.8-1.0 keV before deposition and vacuum plasma deposition in a nitrogen environment of a multilayer coating, while the deposition of alternating layers is repeated at least three times, at the first stage, the surface of the substrate is cleaned in a glow discharge with non-contact the surface is heated by a resistive heater to 400–430 K for 30 min, and in the second stage, the substrate surface is heated by titanium ions to 665–695 K during ion cleaning, after which a lower layer of titanium nitride TiN with a polycrystalline structure is applied for 3 min the final coating temperature after the deposition of 670 + - 700 K, then alternating layers of bicomponent titanium nitride TiN with a nanocrystalline structure and ternary titanium nitride and aluminum Ti-Al-N with a nanocrystalline structure are applied, then TiN with a nanocrystalline structure is applied by evaporation of two titanium cathodes when the coating is heated to a temperature of 685 ÷ 710 K for 3 min, and a Ti-Al-N layer with a nanocrystalline structure is applied by simultaneous evaporation of two titanium and one aluminum cathode when the coating is heated to a temperature of 690 ÷ 720K during the same time, while the deposition of alternating layers is carried out until the temperature of the upper layer reaches 730–760 K, with the Ti-Al-N layer being applied last.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу, - проводят на первом этапе очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем до 400÷430 К в течение 30 мин; на втором этапе осуществляют в процессе ионной очистки нагрев поверхности подложки ионами титана до 665÷695 К; после чего наносят нижний слой нитрида титана TiN с поликристаллической структурой в течение 3 мин с окончательной температурой покрытия после осаждения 670÷700 К; затем в наносят чередующиеся слои двухкомпонентного нитрида титана TiN с нанокристаллической структурой и трехкомпонентного нитрида титана и алюминия Ti-Al-N с нанокристаллической структурой; наносят слой TiN с нанокристаллической структурой испарением двух титановых катодов при нагреве покрытия до температуры 685÷710 К в течение 3 мин; наносят слой Ti-Al-N с нанокристаллической структурой одновременным испарением двух титановых и одного алюминиевого катода при нагреве покрытия до температуры 690+720К в течение того же времени; осаждение чередующихся слоев проводят с достижением температуры верхнего слоя 730÷760 К, причем последним наносят слой Ti-Al-N.Signs of the proposed technical solution, distinctive from the solution of the prototype, - at the first stage, the surface of the substrate is cleaned in a glow discharge with non-contact heating of the surface by a resistive heater up to 400 ÷ 430 K for 30 min; at the second stage, in the process of ion cleaning, the surface of the substrate is heated by titanium ions to 665–695 K; after which a lower layer of titanium nitride TiN with a polycrystalline structure is applied for 3 min with a final coating temperature after deposition of 670–700 K; then, alternating layers of bicomponent titanium nitride TiN with a nanocrystalline structure and ternary titanium nitride and aluminum Ti-Al-N with a nanocrystalline structure are deposited in; a TiN layer with a nanocrystalline structure is applied by evaporation of two titanium cathodes when the coating is heated to a temperature of 685–710 K for 3 min; a Ti-Al-N layer with a nanocrystalline structure is applied by simultaneous evaporation of two titanium and one aluminum cathode when the coating is heated to a temperature of 690 + 720 K during the same time; the deposition of alternating layers is carried out with the achievement of the temperature of the upper layer 730 ÷ 760 K, with the last applied layer of Ti-Al-N.
Низкотемпературный нагрев подложки до температуры 400÷430 К в течение 30 мин перед осаждением покрытия, позволит равномерно нагреть поверхность подложки перед осаждением покрытия и предотвратит притупление и перегрев режущих или формирующих кромок подложки.Low-temperature heating of the substrate to a temperature of 400 ÷ 430 K for 30 minutes before coating deposition will allow uniformly heating the surface of the substrate before coating deposition and will prevent blunting and overheating of the cutting or forming edges of the substrate.
Проведение ионной бомбардировки ионами титана с энергией 0,8-1,0 кэВ в течение 2 мин, нагревая поверхность подложки до 665÷695 К, позволит термически активировать поверхность подложки и увеличить адгезионную прочность с ней нижнего слоя покрытия.Carrying out ion bombardment with titanium ions with an energy of 0.8-1.0 keV for 2 min, heating the surface of the substrate to 665 ÷ 695 K, will thermally activate the surface of the substrate and increase the adhesive strength with it of the lower coating layer.
Двухступенчатая очистка позволит стабилизировать структуру подложки и повысить адгезионную прочность покрытия без снижения прочностных свойств самой подложки.Two-stage cleaning will stabilize the structure of the substrate and increase the adhesive strength of the coating without reducing the strength properties of the substrate itself.
Нанесение на очищенную поверхность подложки адгезионного нижнего слоя TiN с поликристаллической структурой, обладающего значительной кристаллохимической совместимостью с материалом подложки, с естественным повышением его температуры до 670+700 К в течение 3 мин, позволит снизить напряжения на границе их раздела, повысить адгезию между ними и увеличить сопротивляемость покрытия к действию высоких контактных нагрузок.Application of an adhesive lower TiN layer with a polycrystalline structure onto the cleaned surface of the substrate, which has significant crystallochemical compatibility with the substrate material, with a natural increase in its temperature to 670 + 700 K over 3 minutes, will reduce stresses at the interface, increase adhesion between them and increase resistance of the coating to high contact loads.
Нанесение в среде азота слоя двухкомпонентного нитрида титана TiN с нанокристаллической структурой при нагреве покрытия до температуры 680÷710 К в течение 3 мин, позволит получить слой покрытия с высокими физико-механическими и трибологическими свойствами. Это приведет к повышению сопротивляемости подложки к совместному действию истирающих и высоких контактных нагрузок.The application of a layer of bicomponent titanium nitride TiN with a nanocrystalline structure in a nitrogen medium when the coating is heated to a temperature of 680–710 K for 3 minutes, will make it possible to obtain a coating layer with high physicomechanical and tribological properties. This will increase the resistance of the substrate to the combined action of abrasive and high contact loads.
Нанесение в среде азота слоя трехкомпонентного нитрида титана и алюминия Ti-Al-N с нанокристаллической структурой при нагреве покрытия до температуры до 690÷720 К в течение 3 мин, позволит получить слой покрытия с высокими физико-механическими, трибологическими и антикоррозионными свойствами. Образующийся при повышении температуры в зоне трения или резки оксидный слой Al2O3 приводит к увеличению термостойкости покрытия и сохранению его физико-механических и трибологических свойств, к повышению сопротивляемости подложки к воздействию агрессивной среды.Application of a layer of ternary titanium and aluminum Ti-Al-N nitride with a nanocrystalline structure in a nitrogen medium when the coating is heated to a temperature of up to 690 ÷ 720 K for 3 minutes will make it possible to obtain a coating layer with high physicomechanical, tribological, and anticorrosion properties. An oxide layer of Al 2 O 3 formed with increasing temperature in the friction or cutting zone leads to an increase in the heat resistance of the coating and the preservation of its physicomechanical and tribological properties, to an increase in the resistance of the substrate to the action of an aggressive environment.
Осаждение слоя TiN с нанокристаллической структурой испарением двух титановых катодов позволит увеличить степень ионизации парового потока и скорость протекания плазмохимических реакций, поддержать и увеличить температуру поверхности покрытия до требуемого значения, снизить неравновесность процесса осаждения покрытия и получить покрытие сте-хиометрического состава со стабильными свойствами.The deposition of a TiN layer with a nanocrystalline structure by evaporation of two titanium cathodes will increase the degree of ionization of the vapor stream and the rate of plasma-chemical reactions, maintain and increase the temperature of the coating surface to the desired value, reduce the nonequilibrium deposition of the coating, and obtain a stoichiometric coating with stable properties.
Осаждение слоя Ti-Al-N с нанокристаллической структурой одновременным испарением двух титановых и одного алюминиевого катода позволит обеспечить равномерную скорость нагрева поверхности покрытия до требуемой величины.The deposition of a Ti-Al-N layer with a nanocrystalline structure by simultaneous evaporation of two titanium and one aluminum cathode will ensure a uniform heating rate of the coating surface to the desired value.
Многократное (не менее трех раз) чередование слоев с нанокристаллической структурой TiN и Ti-Al-N с достижением температуры верхнего слоя до 730÷760 К покрытия позволит обеспечить градиент структуры и состава по сечению покрытия, стабильные свойства каждого слоя в отдельности и разделение внешнего воздействия между ними.Multiple (at least three times) alternation of layers with a TiN and Ti-Al-N nanocrystalline structure with the temperature of the upper layer reaching 730–760 K of the coating will ensure a gradient in the structure and composition over the cross-section of the coating, stable properties of each layer separately and separation of external influence between them.
Нанесение последним слоя Ti-Al-N повысит его сопротивляемость к совместному действию истирающих, высоких контактных и тепловых нагрузок, воздействию агрессивной среды.The application of the last layer of Ti-Al-N will increase its resistance to the combined action of abrasive, high contact and thermal loads, and the effects of an aggressive environment.
Для изучения эволюции структуры покрытия в зависимости от технологических и температурных условий подготовки подложки и формирования покрытия, оптимизации процесса осаждения покрытия и построения структурной МСЗ покрытий ЭДИ был положен многофакторный термодинамический подход. В связи с высокой температурой плавления покрытия на основе Ti-Al-N (~ 4000 К), снижения температур осаждения покрытий до зоны 1 модели Торнтона и эксплуатационной необходимостью в качестве контролирующего параметра использовали не Тг (отношение температуры подложки То к температуре плавления материала осажденного покрытия Тпл в градусах Кельвина), а продолжительность и скорость нагрева подложки (Тнагр.подл. и Vнагр.подл.), начальную температуру покрытия (Тп) и скорость ее нагрева в процессе формирования (Vнагр.п.).To study the evolution of the coating structure depending on the technological and temperature conditions of substrate preparation and coating formation, to optimize the coating deposition process and to construct the structural MSZ of EDI coatings, a multivariate thermodynamic approach was adopted. Due to the high melting temperature of the Ti-Al-N-based coating (~ 4000 K), lowering the deposition temperature of the coatings to
Именно благодаря использованию данных параметров для управления структурой получали требуемый комплекс стабильных физико-механических, трибологических и коррозионных свойств.Thanks to the use of these parameters to control the structure, the required complex of stable physicomechanical, tribological, and corrosion properties was obtained.
На основании изучения эволюции структуры покрытия и разработанной объединенной модели структурных зон (МСЗ) покрытий установлены технологические и температурные параметры осаждения покрытий с различной структурой (фиг.1). В МСЗ для покрытий Ti-Al-N, формируемой методом ЭДИ при различной скорости нагрева подложки и напряжении смещения на подложке при осаждении покрытия (фиг.2), были использованы три оси с температурными характеристиками: Тнашр.подя., Тп и Vнагр.п..Based on the study of the evolution of the coating structure and the developed integrated model of the structural zones (MSZ) of coatings, the technological and temperature parameters of the deposition of coatings with different structures are established (Fig. 1). The MRZ coating Ti-Al-N, EDI formed by heating the substrate at various speeds and a bias voltage on the substrate during the deposition of the coating (2), three axis-temperature characteristics were used: T nashr.podya. , T p and V loading .
С использованием МСЗ установлены оптимальные температурные параметры Тп и Vнагр.п., при которых стабилизируется структура подложки, уменьшается диаметр первичных нанокристаллитов до 5 нм, увеличивается скорость протекания стадий формирования покрытия и в конечном итоге процесс структурообразования покрытия с нанокристаллической и поликристаллической структурой смещается в область более низких температур.Using the MSZ, the optimal temperature parameters T p and V heats were established. at which the substrate structure is stabilized, the diameter of the primary nanocrystallites decreases to 5 nm, the rate of the stages of coating formation increases, and ultimately, the process of structure formation of the coating with the nanocrystalline and polycrystalline structure shifts to lower temperatures.
Заявляемый способ на основе МСЗ позволяет после равномерного нагрева подложки и стабилизации ее структуры получать покрытия в различном структурном состоянии и различном сочетании физико-механических, трибологических и коррозионных свойств путем изменения температурных параметров подготовки подложки и осаждения покрытия: Тнагр.подл., Тп, Vнагр.подл. и Vнагр.п с высокой адгезионной прочностью подслоя с материалом подложки и между слоями.The inventive method based on the MSZ allows, after uniform heating of the substrate and stabilization of its structure, to obtain coatings in a different structural state and a different combination of physicomechanical, tribological and corrosion properties by changing the temperature parameters of the preparation of the substrate and deposition of the coating: T heated , T p , V heating and V heating p with high adhesive strength of the sublayer with the substrate material and between the layers.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, на которых изображены:The proposed method is illustrated by drawings, which depict:
на фиг.1 - технологические и температурные условия формирования, структура покрытия Ti-Al-N;figure 1 - technological and temperature conditions of formation, the structure of the coating Ti-Al-N;
на фиг.2 - модели структурных зон покрытий Ti-Al-N, формируемых ЭДИ при различной скорости нагрева в процессе термической обработки подложки и осаждения покрытия.figure 2 is a model of the structural zones of Ti-Al-N coatings formed by EDI at different heating rates during the heat treatment of the substrate and deposition of the coating.
Способ получения многослойного износостойкого покрытия осуществляют следующим образом.A method of obtaining a multilayer wear-resistant coating is as follows.
Подложку устанавливают на поворотное устройство в вакуумную камеру, оснащенную тремя электродуговыми испарителями: два, расположенные напротив друг друга, с титановыми катодами (ВТ1-00) и третий алюминиевый катод (А85), находящийся между ними. Проводят откачку камеры при включенном резистивном нагревателе для испарения отсорбированной влаги со стенок камеры и предварительного нагрева подложки. Проводят первый этап очистки подложки. Подают на подложку высокое напряжение 0,8…1,0 кэВ, в результате чего возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается тлеющий разряд. Для зажигания и поддержания тлеющего разряда подают азот особой чистоты до давления в вакуумной камере 1,3 Па. Выдерживают подложку в тлеющем разряде в течение 30 мин для обеспечения ее нагрева до 400÷430 К со скоростью ~ 10 К/мин. Об окончании процесса очистки судят по отсутствию микродуг на поверхности подложки. Бесконтактный ее нагрев обеспечивает высокоэффективную микроочистку поверхности подложки при температурах ниже, чем температура отпуска ее материала, в частности, полутеплостойких, теплостойких инструментальных и конструкционных сталей. Затем на втором этапе в течение 2 мин осуществляют очистку и термомеханическую активацию поверхности подложки путем ионной бомбардировки (ИБ) ионами титана с энергией 0,8…1,0 кэВ при давлении в вакуумной камере 0,025 Па, токе дуги 75 А, обеспечивая ее нагрев до 665÷695 К.The substrate is mounted on a rotary device in a vacuum chamber equipped with three electric arc evaporators: two opposite each other with titanium cathodes (VT1-00) and a third aluminum cathode (A85) located between them. The chamber is pumped out with the resistive heater turned on to evaporate the absorbed moisture from the chamber walls and preheat the substrate. The first step of cleaning the substrate is carried out. A high voltage of 0.8 ... 1.0 keV is applied to the substrate, as a result of which an inhomogeneous electric field arises and a glow discharge is excited. To ignite and maintain a glow discharge, high-purity nitrogen is supplied to a pressure of 1.3 Pa in the vacuum chamber. Maintain the substrate in a glow discharge for 30 minutes to ensure its heating to 400-430 K at a speed of ~ 10 K / min. The end of the cleaning process is judged by the absence of microarcs on the surface of the substrate. Its non-contact heating provides highly efficient micro-cleaning of the substrate surface at temperatures lower than the tempering temperature of its material, in particular, semi-heat-resistant, heat-resistant tool and structural steels. Then, at the second stage, the surface of the substrate is cleaned and thermomechanically activated for 2 minutes by ion bombardment (IB) of titanium ions with an energy of 0.8 ... 1.0 keV at a pressure in the vacuum chamber of 0.025 Pa, arc current of 75 A, ensuring its heating to 665 ÷ 695 K.
Далее создают в вакуумной камере давление 0,75 Па, снимают высокое напряжение с подложки, подают напряжение смещения на подложку 200 В и ток дуги 75 А на два электродуговых испарителя с титановыми катодами. В течение 3 минут в среде азота проводят осаждение нижнего слоя TiN с поликристаллической структурой толщиной 500 нм. Контролируют температуру нижнего слоя TiN, которая не должна быть меньше 670÷700 К.Next, a pressure of 0.75 Pa is created in the vacuum chamber, a high voltage is removed from the substrate, a bias voltage of 200 V and an arc current of 75 A are applied to the two electric arc evaporators with titanium cathodes. For 3 minutes in a nitrogen medium, a lower TiN layer with a polycrystalline structure 500 nm thick is deposited. The temperature of the lower TiN layer is controlled, which should not be less than 670 ÷ 700 K.
Далее в среде азота двумя электродуговыми испарителями с титановыми катодами наносят слой нитрида титана TiN с нанокристаллической структурой. Осаждение слоя TiN толщиной 500 нм проводят при нагреве покрытия до температуры 680÷710 К в течение 3 мин при напряжении смещения на подложке 280 В. Наноструктурированный слой TiN с нанокристаллитами, диаметр которых не превышает 10 нм, обеспечивает покрытию высокие физико-механические и трибологические, средние антикоррозионные свойства.Then, in a nitrogen atmosphere, a layer of titanium nitride TiN with a nanocrystalline structure is deposited by two electric arc evaporators with titanium cathodes. The deposition of a TiN layer with a thickness of 500 nm is carried out by heating the coating to a temperature of 680–710 K for 3 min at a bias voltage of 280 V on the substrate. A nanostructured TiN layer with nanocrystallites whose diameter does not exceed 10 nm provides a high physical, mechanical and tribological coating, average anticorrosion properties.
Далее в среде азота двумя электродуговыми испарителями с титановыми катодами и одним алюминиевым катодам наносят слой нитрида титана и алюминия Ti-Al-N с нанокристаллической структурой. Осаждение слоя Ti-Al-N толщиной 600 нм проводят при давлении 0,75 Па, напряжении смещения на подложке 280 В, токе дуги 75 А в течение 3 минут при нагреве покрытия до температуры 690÷720 К. Наноструктурированный слой Ti-Al-N с нанокристаллитами, диаметр которых не превышает 10 нм, обеспечивает покрытию высокие физико-механические, трибологические и коррозионные свойства.Then, in a nitrogen medium, a layer of titanium nitride and aluminum Ti-Al-N with a nanocrystalline structure are deposited with two electric arc evaporators with titanium cathodes and one aluminum cathode. The deposition of a Ti-Al-N layer with a thickness of 600 nm is carried out at a pressure of 0.75 Pa, a bias voltage on the substrate of 280 V, an arc current of 75 A for 3 minutes when the coating is heated to a temperature of 690 ÷ 720 K. A nanostructured Ti-Al-N layer with nanocrystallites, the diameter of which does not exceed 10 nm, provides the coating with high physical, mechanical, tribological and corrosion properties.
Осаждение чередующихся слоев с нанокристаллической структурой TiN и Ti-Al-N повторяют не менее трех раз с достижением температуры верхнего слоя покрытия 730÷760K, причем последним наносят слой Ti-Al-N.The deposition of alternating layers with a nanocrystalline structure of TiN and Ti-Al-N is repeated at least three times with the temperature of the upper coating layer reaching 730–760 K, with the Ti-Al-N layer being applied last.
Конструкция многослойного покрытия TiN-TiAlN-TiN-TiAIN основана на очередности двух- и трехкомпонентных слоев, с различным составом и свойствами и разделением внешнего воздействия на покрытие между слоями.The design of the TiN-TiAlN-TiN-TiAIN multilayer coating is based on the sequence of two- and three-component layers, with different composition and properties and separation of the external action on the coating between the layers.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить многослойнуе покрытие с нанокристаллической структурой и комплексом высоких физико-механических, трибологических и коррозионных свойств в низкотемпературных условиях электродугового испарения на базе модели структурных зон.Thus, the claimed invention allows to obtain a multilayer coating with a nanocrystalline structure and a complex of high physicomechanical, tribological and corrosion properties in low temperature conditions of electric arc evaporation based on the model of structural zones.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012113451/02A RU2494170C1 (en) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Method of making sandwich wear-resistant coatings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012113451/02A RU2494170C1 (en) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Method of making sandwich wear-resistant coatings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2494170C1 true RU2494170C1 (en) | 2013-09-27 |
Family
ID=49254049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012113451/02A RU2494170C1 (en) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Method of making sandwich wear-resistant coatings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2494170C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015072954A1 (en) * | 2013-11-13 | 2015-05-21 | Публичное акционерное общество "ФЭД" | Wear-resistant anti-friction coating for friction pair components |
| RU2567125C2 (en) * | 2013-11-22 | 2015-11-10 | Публичное акционерное общество "ФЕД" | Wear-resistant anti-friction coating |
| RU2599313C2 (en) * | 2014-02-17 | 2016-10-10 | Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Cutting tool with multilayer wear-resistant coating |
| RU2689474C1 (en) * | 2018-11-19 | 2019-05-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | METHOD OF PRODUCING COATING BASED ON INTERMETALLIDES OF Ti-Al SYSTEM SYNTHESIZED IN NITROGEN MEDIUM |
| RU2694857C1 (en) * | 2018-08-06 | 2019-07-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of applying wear-resistant coating by ion-plasma method |
| RU2700344C1 (en) * | 2019-02-05 | 2019-09-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of hardening of cutting tool by deposition of multilayer coatings of system ti-al |
| RU2708726C2 (en) * | 2017-08-07 | 2019-12-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологии для медицины" (ООО "Технологии для медицины") | Multilayer wear-resistant coating on the metal article working surface application method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2037563C1 (en) * | 1992-05-22 | 1995-06-19 | Михаил Иванович Мартынов | Method for application of coatings |
| RU2228387C2 (en) * | 2002-07-22 | 2004-05-10 | Падеров Анатолий Николаевич | Method of application of multi-layer on metal articles |
| US20090011194A1 (en) * | 2005-10-25 | 2009-01-08 | Saint-Gobain Glass France | Substrate processing method |
| RU2346078C2 (en) * | 2007-03-22 | 2009-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Method of antiwear multiple plating |
| US20090067031A1 (en) * | 2005-11-16 | 2009-03-12 | Saint - Gobain Glass France | Electrochemical system on a plastic substrate |
| US20110177460A1 (en) * | 2008-06-09 | 2011-07-21 | Nanofilm Technologies International Pte Ltd | process for producing an image on a substrate |
-
2012
- 2012-04-06 RU RU2012113451/02A patent/RU2494170C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2037563C1 (en) * | 1992-05-22 | 1995-06-19 | Михаил Иванович Мартынов | Method for application of coatings |
| RU2228387C2 (en) * | 2002-07-22 | 2004-05-10 | Падеров Анатолий Николаевич | Method of application of multi-layer on metal articles |
| US20090011194A1 (en) * | 2005-10-25 | 2009-01-08 | Saint-Gobain Glass France | Substrate processing method |
| US20090067031A1 (en) * | 2005-11-16 | 2009-03-12 | Saint - Gobain Glass France | Electrochemical system on a plastic substrate |
| RU2346078C2 (en) * | 2007-03-22 | 2009-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Method of antiwear multiple plating |
| US20110177460A1 (en) * | 2008-06-09 | 2011-07-21 | Nanofilm Technologies International Pte Ltd | process for producing an image on a substrate |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015072954A1 (en) * | 2013-11-13 | 2015-05-21 | Публичное акционерное общество "ФЭД" | Wear-resistant anti-friction coating for friction pair components |
| RU2567125C2 (en) * | 2013-11-22 | 2015-11-10 | Публичное акционерное общество "ФЕД" | Wear-resistant anti-friction coating |
| RU2599313C2 (en) * | 2014-02-17 | 2016-10-10 | Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Cutting tool with multilayer wear-resistant coating |
| RU2708726C2 (en) * | 2017-08-07 | 2019-12-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологии для медицины" (ООО "Технологии для медицины") | Multilayer wear-resistant coating on the metal article working surface application method |
| RU2694857C1 (en) * | 2018-08-06 | 2019-07-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of applying wear-resistant coating by ion-plasma method |
| RU2689474C1 (en) * | 2018-11-19 | 2019-05-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | METHOD OF PRODUCING COATING BASED ON INTERMETALLIDES OF Ti-Al SYSTEM SYNTHESIZED IN NITROGEN MEDIUM |
| RU2700344C1 (en) * | 2019-02-05 | 2019-09-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of hardening of cutting tool by deposition of multilayer coatings of system ti-al |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2494170C1 (en) | Method of making sandwich wear-resistant coatings | |
| JP4431386B2 (en) | Method for forming nanostructured functional layer and coating layer produced thereby | |
| RU2361013C1 (en) | Method of wear-resistant coating receiving | |
| JP5297388B2 (en) | Surface coated cutting tool | |
| RU2360032C1 (en) | Method of obtaining wear-resisting ultra-hard coatings | |
| KR20070114832A (en) | Hard material layer | |
| CN101709450B (en) | Method for preparing zirconium-titanium-aluminum-nitrogen nitride gradient hard reaction film | |
| RU2489514C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING WEAR-RESISTANT COATING BASED ON INTERMETALLIC COMPOUND OF Ti-Al SYSTEM | |
| CN104789933A (en) | Nano composite coating and deposition method thereof | |
| Henderson et al. | Investigation into the properties of titanium based films deposited using pulsed magnetron sputtering | |
| RU2433209C1 (en) | Method for obtaining wear-resistant and thermodynamically resistant multi-layer coating on basis of high-melting metals and their compounds | |
| RU2429311C1 (en) | Method of obtaining complex nitride-based coating | |
| Bobzin et al. | Synthesis of aC coatings by HPPMS using Ar, Ne and He as process gases | |
| JP2008001951A (en) | Diamond-like carbon film and method for forming the same | |
| JP2011503364A (en) | Diffusion thin film deposition method and apparatus | |
| Khanna et al. | Structure-property correlations in aluminum oxide thin films grown by reactive AC magnetron sputtering | |
| Sharipov et al. | Increasing the resistance of the cutting tool during heat treatment and coating | |
| JP5720996B2 (en) | Coated member with excellent film adhesion and method for producing the same | |
| RU2740591C1 (en) | Method of obtaining multilayer wear-resistant diamond-like coatings | |
| RU2671780C1 (en) | Working part of cutting tool | |
| KR20070026387A (en) | Surface-coated cutting tool with coating having strength distribution of compressive stress | |
| RU2551331C2 (en) | Method of production of multi-layer gradient coating by method of magnetron deposition | |
| RU2376398C2 (en) | Method of ion-plasma coating and arc vapour source with composite cathode | |
| JP2004323883A (en) | Physical vapor deposition apparatus | |
| JP5153439B2 (en) | Hard film, method for forming the same, and hard film coated member |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190407 |