close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15938

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.06.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15938
(13) C1
(19)
C 23C 14/06
C 23C 8/26
C 23C 28/00
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
ИЗНОСОСТОЙКОЕ НАНОСТРУКТУРНОЕ ПОКРЫТИЕ НА
ИЗДЕЛИИ ИЗ СТАЛИ Р6М5
(21) Номер заявки: a 20091799
(22) 2009.12.16
(43) 2011.08.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(72) Авторы: Кузнецова Татьяна Анатольевна; Маркова Людмила Владимировна; Андреев Михаил Анатольевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(56) BY 10786 C1, 2008.
JP 11347427 A, 1999.
SU 1680799 A1, 1991.
SU 1669247 A1, 1996.
JP 62260047 A, 1987.
JP 08296030 A, 1996.
BY 15938 C1 2012.06.30
(57)
Износостойкое наноструктурное покрытие на изделии из стали Р6М5, включающее
последовательно сформированные переходную диффузионную зону тугоплавкого металла
в сталь Р6М5 с карбидами толщиной не более 500 нм, переходной слой тугоплавкого металла толщиной 20-50 нм, слой тугоплавкого металла толщиной около 1 мкм и полученные азотированием нитридный слой равномерно распределенных дисперсных частиц
размером 20-30 нм и слой нитрида тугоплавкого металла.
Фиг. 1
BY 15938 C1 2012.06.30
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для создания
функциональных покрытий, стойких к износу, а именно наноструктурных покрытий.
Преимущественная область применения - изготовление деталей пар трения, нанесение
износостойкого покрытия на режущий инструмент и штамповую оснастку.
Известно защитное покрытие рабочей поверхности измерительных инструментов толщиной 2,0-5,0 мкм [1], содержащее слой композиционного материала толщиной
0,1-0,2 мкм, состоящего из 60-90 % аморфного углерода с алмазным типом связи между
атомами и 10-40 % карбида металла, чередующиеся со слоями аморфного углерода толщиной 0,5-1,0 мкм, при этом толщина слоя карбидообразующего металла составляет
0,1-0,3 мкм, суммарная толщина покрытия - 2,0-5,0 мкм, а в качестве наружного слоя использован слой из аморфного углерода. Недостатком данного защитного покрытия является невысокая адгезионная прочность слоя композиционного материала к подложке.
Известно износостойкое ионно-плазменное покрытие на поверхности пар трения [2].
Покрытие состоит из азотированного подслоя глубиной более 50 мкм и верхнего слоя из
нитрида циркония толщиной 5-10 мкм. Недостатком данного покрытия является невысокая износостойкость.
В качестве прототипа выбрано износостойкое комбинированное покрытие, нанесенное
на поверхности пар трения или режущий инструмент, состоящее из азотированного слоя
подложки и верхнего слоя из нитрида металла, отличающееся тем, что азотированным
слоем является подслой сплава циркония-гафния толщиной 1 мкм, а в качестве верхнего
слоя оно содержит нитрид циркония-гафния толщиной 3 мкм, состоящий из наноразмерных зерен [3]. Недостатком данного покрытия является нестабильность наноразмерной
структуры покрытия и, как следствие, недостаточное повышение износостойкости.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в высоком комплексе свойств поверхности (износостойкости, твердости, пластичности, адгезионной прочности) за счет образования стабильной наноразмерной структуры всех слоев
покрытия.
Поставленная задача достигается следующим образом: износостойкое покрытие на
изделии из стали Р6М5, включающее последовательно сформированные переходную диффузионную зону тугоплавкого металла в сталь Р6М5 с карбидами толщиной не более
500 нм, переходный слой тугоплавкого металла толщиной 20-50 нм, слой тугоплавкого
металла толщиной около 1 мкм и полученные азотированием нитридный слой равномерно
распределенных дисперсных частиц размером 20-30 нм и слой нитрида тугоплавкого металла.
Правильная и развитая ячеистая структура поверхности материала определяется порядком наноразмерных зерен нижележащих слоев. Границы каждого нижележащего слоя
являются дополнительными центрами кристаллизации для зерен последующего слоя. Отсюда в структурообразовании износостойкого наноструктурного покрытия важна роль нанесения подслоя из одного из тугоплавких металлов - Ti, Cr или Mo - и его последующего
азотирования.
Механизм формирования наноструктурного покрытия состоит в том, что при формировании покрытия зерна тугоплавких металлов, образующиеся на поверхности быстрорежущей стали под действием локального разогрева, выстраиваются в шестиугольники.
Последующие слои зерен тугоплавкого подслоя образуют кольца, далее при азотировании
в выступающие области кольцевых образований встраиваются частицы нитридной фазы,
образуя ребра ячеек и создавая равноосный, равномерно распределенный по поверхности
"каркас" центров кристаллизации для верхнего нитридного слоя. В этом заключается роль
нанесения тугоплавкого подслоя и последующего азотирования в структурообразовании
износостойкого наноструктурного покрытия (ИНП). В процессе формирования ИНП границы зерен предыдущего слоя являются дополнительными центрами кристаллизации для
последующего слоя, что повышает плотность зародышеобразования и уменьшает размер
2
BY 15938 C1 2012.06.30
зерна от слоя к слою. Правильность и развитость структурных элементов верхнего слоя
ИНП определяется порядком зерен нижележащих слоев. Отличие структуры поверхности
ИНП от нитридных покрытий заключается в стабильном распределении по поверхности
наноразмерных зерен и упорядоченной равноосной микроструктуре с развитыми ячейками. На фиг. 1 представлено схематическое изображение износостойкого наноструктурного
покрытия.
ИНП включает мартенситно-карбидную основу - стали Р6М5; переходную диффузионную зону тугоплавкого металла в Р6М5 толщиной не более 500 нм с карбидами основы;
переходный слой тугоплавкого металла толщиной 20-50 нм; подслой тугоплавкого металла толщиной около 1 мкм; нитридный слой, состоящий из равномерно распределенных
дисперсных частиц, получаемых азотированием, размером 20-30 нм; нитридного слоя
(TiN, CrN или Mo2N) толщиной порядка 3 мкм. Все слои ИНП состоят из наноразмерных
зерен диаметром от 20 до 150 нм. Для поверхности ИНП характерно упорядоченное ячеистое строение с размером ячеек 0,6-0,9 мкм и равномерное распределение микрокапельной фазы диаметром около 1-2 мкм в количестве 2-12 % от площади поверхности (фиг. 1).
Реализация изобретения поясняется следующим примером. На подложку из стали
Р6М5 наносили комбинированное покрытие на основе Cr. На фиг. 2-11 изображена структура поверхности комбинированного покрытия на основе Cr на различных этапах формирования покрытия, полученная методом атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Исследования методом АСМ выполняли на модели НТ-206 (Беларусь) с использованием
стандартных кремниевых кантилеверов с радиусом закругления 10 нм согласно паспорту.
На фиг. 2 приведено АСМ-изображение переходного слоя Cr толщиной около 50 нм,
сформированного на поверхности стали Р6М5, размер поля сканирования составляет
500 х 500 нм. На фиг. 3 показана гистограмма распределения зерен по размерам переходного слоя Cr толщиной около 50 нм. Размер зерен в слое составил около 20 нм. На
фиг. 4 приведено АСМ-изображение подслоя Cr толщиной 1 мкм, размер поля сканирования составляет 3,5 х 3,5 мкм. На фиг. 5 показана гистограмма распределения зерен по размерам одномикронного подслоя Cr. На фиг. 6 приведено АСМ-изображение подслоя Cr
толщиной 1 мкм после азотирования, размер поля сканирования составляет 3,3 х 3,3 мкм.
На поверхности подслоя после азотирования равномерно распределяется дисперсная нитридная фаза CrN с размером частиц 20-35 нм. На фиг. 7 показана гистограмма распределения зерен по размерам одномикронного подслоя Cr после азотирования. На
фиг. 8 приведено АСМ-изображение слоя CrN толщиной 3 мкм, на котором топография
совмещена с режимом латеральных сил "Torsion", размер поля сканирования составляет
2,5 х 2,5 мкм. Кристаллиты нитридного слоя состоят из зерен размером 20-80 нм и их границы образуют ячейки на поверхности покрытия. На фиг. 9 изображен профиль поперечного сечения наноразмерной структуры слоя с отмеченной маркерами величиной частиц.
На фиг. 10 показана гистограмма распределения зерен слоя CrN по размерам.
На фиг. 11 показана поперечная структура комбинированного покрытия на основе Cr,
полученная с использованием сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения "Mira" (Чехия) с энергодисперсионным спектрометром " Inca 350" фирмы "Oxford
Instruments" (Великобритания). На ней четко различаются все зоны покрытия: нитридный
слой CrN, подслой Cr, переходная зона столбчатого строения, сформированная за счет
диффузии Cr в основу, зона из карбидов стали Р6М5. Толщина диффузионной зоны определяется по концентрационным кривым элементов Cr, Fe и N, совмещенным с микроструктурой покрытия. Она составила 500 нм.
Наноразмерное строение слоев покрытия с четко выделяющимися границами субзерен
размером 30-80 нм объясняет высокие триботехнические свойства покрытия.
Предлагаемое износостойкое комбинированное покрытие, нанесенное на поверхности
пар трения, может использоваться в качестве финишной операции при изготовлении деталей взамен традиционного процесса азотирования и снижает износ деталей и пар трения.
3
BY 15938 C1 2012.06.30
Определение коэффициента трения (Ктр) поверхности проводили на трибометре ТАУ1М (БГУ). В качестве характеристики износостойкости применяли удельный объемный
износ ω при P = 5 H и ν = 10 мм/с. Ктр и ω определяли в режиме сухого трения скольжения.
Величину износа из-за ее малой величины оценивали по площади профилограммы дорожки износа. Методом СЭМ исследовали структуру поверхности комбинированного наноструктурного покрытия на основе Cr, формирующуюся при трении под действием
различных нагрузок, что позволило установить механизм его разрушения.
На фиг. 12 представлены профили дорожек износа на поверхности покрытий на основе Cr при нагрузке в пятне контакта 70 МПа. Анализ площади поперечного сечения канавок износа по профилограммам показал, что наименьший удельный износ зафиксирован у
хромовых комбинированных покрытий. При этом значения износа покрытий с одномикронным и четырехмикронным подслоем очень близки (фиг. 12). Таблица представляет
данные по удельному объемному износу ИНП на основе Cr и нитридных покрытий CrN и
изменение их шероховатости в дорожке трения. Износ нитридного покрытия на азотированной подложке из Р6М5 в 4,8 раза выше, чем комбинированных покрытий на основе
хрома (таблица), что объясняется разрушением нитридного слоя
Материал слоя,
технологический этап
Износостойкое наноструктурное покрытие на основе
Cr с подслоем толщиной
1 мкм
CrN
CrN на азотированной подложке
Шероховатость Rа, мкм
Исходная
Дорожка треповерхность ния
Объем изношен- Удельный
ного материала объемный
∆V, м3
износ ω,
м3/Н⋅м
0,192
0,137
2,1⋅10-13
2,1⋅10-15
0,117
0,041
0,074
0,137
4,0⋅10-13
1,92⋅10-12
4,0⋅10-15
1,92⋅10-14
Малые значения удельного объемного износа определяются низким значением коэффициента трения комбинированных покрытий по сравнению с CrN. На фиг. 13 показана
зависимость коэффициента трения от длины пути для комбинированного покрытия на основе Cr и покрытия CrN. Для комбинированных покрытий на основе Cr Ктр составил 0,30
(фиг. 13). У CrN покрытия Ктр в тех же условиях составил 0,50. Комбинированное покрытие на основе Cr выдержало 40 м испытаний без изменения Ктр, что свидетельствует о том,
что разрушения рабочего слоя и перехода процесса трения в основу не произошло. В
структуре дорожки трения комбинированного покрытия на основе хрома присутствует
пластичный слой. У нитридного CrN покрытия его нет. Способность к образованию пластичного слоя у комбинированного покрытия на основе Cr объясняется структурой его
нитридного слоя.
Определены триботехнические характеристики тонких ИНП на основе хрома. Удельный объемный износ составил 1,9-2,1⋅10-15 м3/Н⋅м. Низкий коэффициент сухого динамического трения (0,3 по сравнению с 0,5 для CrN) и малый износ определяются способностью
структуры предлагаемых покрытий образовывать под действием истирающей нагрузки
защитный пластичный слой, состоящий из наноразмерных ламелей, которые являются результатом деформации наноразмерных зерен поверхностного слоя.
Разработанные комбинированные ИНП на основе хрома рекомендуются для упрочнения рабочих поверхностей режущего инструмента: для сверления отверстий в бронзовых
вкладышах и подшипниках скольжения, сверления и нарезания резьбы во фланцах титановых патрубков авиакосмической техники, сверления отверстий в деталях с декоративными и коррозионностойкими покрытиями.
4
BY 15938 C1 2012.06.30
Источники информации:
1. RU 2026412 C 1 , 1995.
2. RU 2211880 C2, 2003.
3. BY 10786 C 1 , 2008.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
5
BY 15938 C1 2012.06.30
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
6
BY 15938 C1 2012.06.30
Фиг. 8
Фиг. 9
Фиг. 10
Фиг. 11
7
BY 15938 C1 2012.06.30
Фиг. 12
Фиг. 13
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
660 Кб
Теги
by15938, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа