BG1464U1

BG1464U1 - Многослойно нанокомпозитно покритие върху металообработващи инструменти

Info

Publication number: BG1464U1
Application number: BG1965U
Authority: BG
Inventors: Лиляна КОЛАКЛИЕВА; Румен КАКАНАКОВ; Христо БАХЧЕДЖИЕВ
Original assignee: "Гбф Консултинг" Оод
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-07-29

Abstract

Многослойното нанокомпозитно покритие е подходящо за нанасяне върху повърхността на металообработващи инструменти. Чрез него се увеличават времето на използване и температурната устойчивост на инструментите, върху които е нанесено. То може да намери приложение както в традиционното, така и в сухото металообработване. Покритието се състои от последователно нанесени буферен слой (1), периодична нанокомпозитна структура (2) и завършващ нанокомпозитен слой (3). Буферният слой се състои от контактен слой Ti и градиентен слой TiN. Периодичната нанокомпозитна структура се състои от градиентни нанокомпозитни слоеве AlxTi1-xN/'Si3N4 0.55?x?0.60 (2.2). AlyTi1-yN/Si3N4 0.68?у?0.7 (2.4) и Al1-zSizN/SiNw 0.12?z?0.18 и 1?w?4 (2.6), които осигуряват висока твърдост и температурна устойчивост на покритието. Преходът между тях се реализира със TiAlSiN слоеве, изменящи градиентно състава си. Завършващият нанокомпозитен слой се състои от AlyTi1-yN/Si3N4 0.68?y?0.7

Description

Област на приложение 5

Полезният модел се отнася до многослойно нанокомпозитно покритие, което може да намери приложение в областта на металообработващата индустрия, по-специално за модифициране по- 10 върхностга на режещи, пробивни и формоващи инструменти, с цел подобряване на тяхната твърдост и износоустойчивост при повишени работни температури. Полезният модел може да намери приложение и в други области на индустрията, 15 например като защитно покритие на повърхности, подложени на износване, триене и натиск.

Предшестващо състояние на техниката

Материалите, използвани за инструменти в индустрията са подложени на различни въздействия, като механични, химични, температурни и други. В резултат от тези въздействия настъпват промени, най-вече в повърхността, воде- 25 щи до промени в свойствата. Един от методите, прилагани за защита на повърхността е нанасянето на подходящо покритие. В зависимост от предназначението покритието може да подобри качествата на работната повърхност (напр., по- 30 голяма твърдост и износоустойчивост) или да придаде нови качества (напр., корозоустойчивост). В редица индустриални приложения е необходимо покритието да притежава комплекс от многофункционални свойства като високотемпе- 3 5 ратурна твърдост, износоустойчивост, корозоустойчивост и намалено триене. Известни са еднослойни повърхностни покрития, изградени на базата на нитриди, карбиди или карбонитриди на преходни метали (Ti, Al, Сг, Zr) (N, С). Такива 40 покрития намират най-широко приложение в индустрията, по-специално при изработване на металорежещи и пробивни инструменти, матрици, преси, поансони и др. Използването на споменатите покрития подобряват твърдостта на изделието, 45 която е в интервала 20-25 GPa, като тя рязко намалява при температури над 500°С. Повишаване на температурната стабилност до 700°С при този вид покрития се постига чрез формирането на състав, в който има градиентно изменение на със- 50 тавящите компоненти.

Известна е патентна публикация № 5330853А - US, в която е описано градиентно покритие на базата на ΤΪΑ1Ν, състоящо се от слой с ниско съдържание на азот Ti_{0 34}А1_{0 37}N_{0 29}, плавно преминаващ в слой с високо съдържание на азот Ti_{0 32}А1_{о 36}N_{0 32}. Тази комбинация се повтаря няколкократно, докато се постигне необходимата дебелина на покритието в интервала 4-12 microm.

Известна е патентна публикация № 7008688В2 - US, отнасяща се до двуфазно покритие, при което е възможно да се постигне повишаване на твърдостта на покритието до 30 GPa. Двуфазните покрития се състоят се от нитриди и карбиди на твърди преходни метали (Ti, Al, Cr, Zr) (N,C). Така например, покритие, състоящо се от смес на двете фази CrN и (Ti^Al,. N) (C_yN_{l y}), където 0.20?х?0.60 и 0?у?0.5, има твърдост 3000 Hv. Въпреки постигнатата по-голяма твърдост, тези покрития са температурно стабилни до 700°С.

Алтернатива на едно- и двуфазните материали са наноструктурираните материали, които биват многослойни наноразмерни и нанокомпозити. Многослойните наноразмерни покрития показват повишаване на твърдостта, когато периодът на кристалната решетка се намали под 20 nm. Практически те се реализират чрез нанасяне на подходящо подбрани комбинации от мултислоеве, за предпочитане с дебелина от няколко нанометра и различен еластичен модул. Ако те се изготвят от нитриди на преходните метали, тяхната твърдост може да надвиши 40 GPa. Твърдостта на тези покрития зависи в голяма степен от периода на повторение, който се определя от скоростта на въртене на подложките, върху които се нанася покритието. По тази причина твърдостта на покритието е в тясна зависимост от геометричните размери на детайла и е различна дори за детайли, обработени в един технологичен процес, но с различни размери.

Нанокомпозитните покрития се състоят от кристални зърна с размери 3-10 nm, внедрени в аморфна матрица на разстояния от 1-3 nm. Нанокристалната фаза може да се състои от нитриди, карбиди, бориди или оксиди, докато аморфната фаза може да включва метали и диамантно подобен въглерод. Поради спецификата на своя състав и структура, нанокомпозитите

1464 Ul се разглеждат като перспективна концепция за създаването на покрития с многофункционални свойства. В подходящо синтезираните нанокомпозитни системи твърдостта надвишава съществено тази на обемните смеси. Така например, твърдостта на nc-M_nN/amJia-Si₃N₄ (M=Ti, W, V...) нанокомпозитите с оптимално съдържание на Si₃N₄ близо до прага на проникване достига 50 GPa, докато твърдостта на индивидуалните нитриди не надвишава 21 GPa в обема.

Включването на Si като заместващ твърд разтвор или самостоятелна аморфна нитридна фаза в пс-М] _χΜ_χΝ матрицата оказва силно влияние върху структурата на кристалитите, в резултат на което се постига по-висока температурно устойчива твърдост (до 800°С) и корозоустойчивост (US 6821919 В2). Въпреки съществено подобрените механични свойства на нанокомпозитите в сравнение с другите покрития, те все още са неприложими в т.нар. “сухо” обработване, при което почти не се използват лубриканти, а температурата на обработка може да достигне 1000-1200°С.

Техническа същност на полезния модел

Като се има предвид изложеното известно ниво на техниката в областта на нанокомпозитните покрития, задача на полезния модел е създаването на свръхтвърдо покритие, което да позволява суха обработка с металообработващи инструменти.

Задачата на полезния модел се решава с многослойно нанокомпозитно покритие, което включва буферен градиентен слой, съдържащ контактен и градиентен слой с дебелина от 50150 nm.

Съгласно полезния модел покритието се състои от три, последователно разположени слоя, съответно буферен, градиентна нанокомпозитна структура и завършващ слой, като буферният слой се състои от най-малко два слоя, а нанокомпозитната структура е съставена от градиентни и нанокомпозитни слоеве на базата на TiAlSiN, с променящо се съдържание на титан от 0 до 45 %, като всеки слой е с различен състав, при което между всеки два слоя от нанокомпозитната структура са положени междинни градиентни слоеве, а завършващият слой се отличава с повишено съдържание на алуминий и дебелина 150-250 nm, като общата дебелина на покритието е от 2.5 до 5 microm.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на покритието буферният градиентен слой се състои от два слоя, положени в последователност контактен слой Ti и градиентен слой TiN.

Градиентната нанокомпозитна структура е с обща дебелина в интервала 350-700 nm и се състои от три нанокомпозитни слоя, два от които с дебелина 100-200 шп и един с дебелина 70-140 шп, и четири междинни градиентни слоя.

За предпочитане е дебелината на междинните слоеве да е в диапазона от 20-40 nm.

Съставът на междинните слоеве се отличава с нарастващо съдържание на алуминий, в диапазона от 0-100 %, като само в последния междинен слой съдържанието на алуминий намалява от 100 до 55 %.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на покритието нанокомпозитният слой е изграден със състав А1_уТ1_1уЬ1/алфа-81₃Н₄ и съдържание на титан в диапазона 0.68<у<0.7, като слоят има дебелина 150-250 nm.

Нанокомпозитните слоеве от градиентната нанокомпозитна структура са разположени з определена последователност и състав както следва: първи нанокомпозитен слон Αζ/Γί^Ν/ Si₃N₄ 0.55<х<0.60, втори нанокомпозитен слой със състав Al_yTi_{l y}N/Si₃N₄ 0.68<у<0.7 (2.4) и трети нанокомпозитен слой със състав AljjSiJ'I/SiN,, и съдържание на силиций в диапазона 0.12<z< 0.18 и l<w<4.

Подходящо е всеки от нанокомпозитните слоеве, изграждащи нанокомпозитната градиентна структура да е разположен между два междинни градиентни слоя, със състав съответно A^Tij_,SiN, със съдържание на алуминий 0<а<0.55, Al_bTij _bSiN със съдържание на алуминий 0.55<Ь<0.68 и AlJ^SiN със съдържание на алуминий 0.68<с<1, и завършващ структурата градиентен слой Al_dTi₁₄₎SiN 1 ?d?0.55 /2.7/.

Многослойното нанокомпозитно покритие съгласно полезният модел се отличава с това, че градиентната нанокомпозитна структура се нанася от 3 до 7 пъти, за да се получи обща дебелина на покритието от 2.5 до 5 microm.

Предимството на многослойното нанокомпозитно покритие, съгласно полезния модел се изразява в това, че той притежава висока твърдост на покритието, съчетана с устойчивост при

1464 Ul температури, не по-ниски от 800°С. Тези свойства позволяват покритието да бъде приложено за нанасяне върху инструменти за високотемпературно (сухо) обработване на метали. Това структурно подреждане на нанокомпозитните слоеве позволява едновременно постигане на необходимите параметри, а именно - твърдост не по-малка от 40 GPa и устойчивост при температури не по-ниски от 800°С. Многослойната нанокомпозитна структура осигурява по-голяма здравина на покритието, доколкото подреждането на слоевете тип “сандвич” позволява пукнатините да се абсорбират от субслоевете. Покритие с такава структура е подходящо за използване в инструменти, подложени на високи динамични натоварвания, като всеки от слоевете придава различни качества на покритието. Така например в случай, че първият слой бъде използван самостоятелно, той е подходящ за изграждането на покрития на металообработващи инструменти като свредла, фрези, райберовъчни и струговащи инструменти. Вторият слой се характеризира с повишено съдържание на А1, благодарение на което се постига повишаване на твърдостта и износоустойчивостта на покритието. Съчетаването на тези нанокомпозити с третия нанесен слой, повишава стабилността на покритието при високи температури.

Пояснение на приложените фигури

По-нататък в описанието е представено примерно изпълнение на многослойно нанокомпозитно покритие, обект на полезния модел, онагледено с помощта на придружаващите описанието фигури, където:

фигура 1 представлява схематично представяне на многослойното нанокомпозитно покритие;

фигура 2 - схематично представяне на периодичната градиентна нанокомпозитна структура.

Примерно изпълнение на полезния модел

По-нататък в описанието е представен пример за изпълнение на многослойното нанокомпозитно покритие, който се отнася до приложение на покритието върху металообработващи инструменти, подложени на различни температурни режими, при което дебелината на отделни те слоеве, както и разполагането на междинни слоеве между нанокомпозитните градиентни слоеве, с определена структура и дебелина се определя в зависимост от инструмента, върху който се полага покритието, което не ограничава използването и на еквивалентни структури на покритие, които осигуряват необходимата твърдост на покритието върху металообработващи инструменти или в други области. Многослойното нанокомпозитно покритие се състои от буферен градиентен слой 1, периодична градиентна нанокомпозитна структура 2 и завършващ нанокомпозитен слой 3. Буферният слой 1 се състои от два слоя, положени в последователност контактен слой Ti и градиентен слой TiN, като контактният слой е с дебелина в интервала 50-150 пт. Градиентният слой TiN 1.2 е съставен от нестехиометричен, градиентен нестехиометричен, стехиометричен и градиентен стехиометричен слой, всеки един с дебелина 10-30 пт. Общата дебелина на градиентния слой TiN е от 100 до 120 пт. Този слой осигурява плавен преход към периодично повтарящата се нанокомпозитна структура.

След буферния слой 1 се нанася периодична нанокомпозитна структура 2, която има градиентен характер и се състои от три нанокомпозитни слоя, със състав съответно Al_xTi_lxN/Si₃N₄, Al_yTi] _yN/Si₃N₄ и Al_lzSi_zN/SiN_w. Индексите х, у, z и w дефинират процентното съдържание на съответния елемент в съединението. За препоръчване е съдържанието на алуминий в първия нанокомпозитен слой ΑζΊΊ^Ν/βί,^ (2.2) да е в интервала 0.55<х<0.60. Дебелината на градиентния нанокомпозитен слой е подходящо да бъде от 100 до 200 пт. Вторият нанокомпозитен слой (2.4) Al_yTi_lyN/Si₃N₄ се характеризира с повишено съдържание на алуминий, 0.68<у<0.7, като дебелината му е сходна на първия нанокомпозитен слой. Третият нанокомпозитен слой (2.6) Ali__zSi_zN/SiN_w се характеризира със съдържание на силиций в диапазона 0.12<z<0.18 и съдържание на азот в SiN в диапазона l<w<4, като общата дебелина на слоя (2.6) е в границите от 70 до 140 пт, като затваря периодичната нанокомпозитна структура. Градиентното изменение на състава на периодичната нанокомпозитна структура се осъществява чрез междинни градиентни слоеве със състав AlTiSiN. Дебелината на всеки от междинните слоеве е в интервала

20-40 nm, а съставът им се определя от местоположението спрямо нанокомпозитните слоеве. Междинният градиентен слой (2.1) има състав Al_aTi_laSiN със съдържание 0<а<0.55 и по своя характер представлява преходен слой между вторият TiN слой (1.2) от буферния слой и първия нанокомпозитен слой (2.2) на периодичната структура Al_xTi_lxN/Si₃N₄. Вторият градиентен слой (2.3) е със състав Al_bTij._bSiN и е разположен между първия (2.2) и втория (2.4) нанокомпозитен слой, като съдържанието на титан в този слой е в диапазона 0.55<Ь<0.68. Преходът между втория (2.4) и третия (2.6) нанокомпозитен слой се осъществява чрез градиентен слой (2.5) Al_cTi_l4.SiN, в който съдържанието на алуминий е в диапазона 0.68<с<1. Върху третия нанокомпозитен слой (2.6) е разположен четвъртият градиентен слой (2.7) Al_dTi₁₄₁SiN, характеризиращ се със съдържание на алуминий в диапазона 1 <d<0.55. Индексите а, Ь, с и d дефинират процентното съдържание на съответния елемент в градиентния слой.

След споменатите буферен слой 1 и периодична нанокомпозитна структура 2 се нанася нанокомпозитен слой 3, Al_yTi_{I y}N/Si₃N₄ 0.68<у< 0.7, отличаващ се с повишено съдържание на алуминий и дебелина 150-250 шп.

Използване на полезния модел

Многослойното градиентно нанокомпозитно покритие, обект на полезния модел е приложимо към режещи и пробивни металообработващи инструменти, включително твърдосплавни инструменти (свредла, фрези и др.), режещи поансони, матрици. Нанасянето на многослойното нанокомпозитно покритие се извършва в следната последователност: първоначално повърхността на инструментите се почиства в среда на органични разтворители. Покритието върху металообработващите инструменти се нанася във вакуумна камера, в среда на аргон и азот, при използване на метод на физично отлагане от газова фаза, като за целта се използват източници от титан и сплав алуминий-силиций. Налягането във вакуумната камера се изменя от 9 х ΙΟ ³ до 5 х IO’² mbar в зависимост от нанасяния слой. В началото, непосредствено върху повърхността на инструмента се нанася буферният слой 1, като се нанася Ti слой, с дебелина 50100 nm. След това се добавя азот и се нанася градиентният слой TiN, чиято дебелина е в интервала 100-120 пш. Върху буферния слой се нанася първият градиентен слой от периодичната градиентна нанокомпозитна структура, чийто състав се изменя от TiN до А1_{о 55}Ti_{0 45}SiN, а дебелината му е 20-40 nm. На базата на този слой се нанася градиентен нанокомпозит ΑζΤί, ,_xN/Si₃N₄с дебелина 100-200 пш, като съставът на нанокомпозитните зърна се изменя от Al_{0 55}Ti_{0 45}N до Al₀₆₀Ti₀₄₀N. След този нанокомпозитен слой се нанася 20-40 шп слой с градиентно изменение на състава от Al_{0 55}Ti_{0 45}SiN до Al_{0 68}Ti_{0 32}SiN. Следва вторият нанокомпозитен слой A lTiN/Si₃N₄, чиято дебелина е също 100-200 nm, а съдържанието на алуминий е от Al_{0 68}Ti_{0 32}N/Si₃N₄ до Al_{0 70}Ti_{0 30}N/Si₃N₄. Преходът към третия нанокомпозитен слой се постига с последващо нанасяне на 20-40 пш градиентен слой с променящ се състав от А1_{о 6g}Ti_{0 32}SiN до AlSiN. Върху този слой се нанася последният нанокомпозитен слой А1_{3 z}Si_zN/SiN_w, който е с дебелина 70-140 пш и градиентно изменящ се състав на алуминий от 12 до 18%, l<w<4. Върху третия нанокомпозитен слой се нанася четвъртият градиентен слой AlTiSiN с дебелина 20-40 пш, при който съдържанието на А1 намалява от 100 до 55%.

За стандартно покритие с дебелина от порядъка на 2.5 microm тази градиентна нанокомпозитна структура се нанася повторно между 35 пъти, след което се нанася последен нанокомпозитен слой Al₀₆₈Ti₀₃₂N/Si₃N₄.

След нанасяне на покритието не е необходима допълнителна обработка на повърхността и инструментите са готови за използване в индустрията. В резултат на нанесеното покритие, се увеличава с повече от 20% времето на използване на съответния инструмент. Поради високата твърдост (> 40 Gpa) и температурна стабилност (над 800°С) на покритието, то е особено актуално за инструменти, използвани във високооборотни процеси и в сухото металообработване, при което в резултат на липсата или силно намаленото количество на лубриканта се достигат високи температури на обработка. След износване, остатъкът от покритието подлежи на отстраняване в специални разтвори и може да бъде нанесено ново покритие.

Claims

1. Многослойно нанокомпозитно покритие, състоящо се от покритие, включващо буферен градиентен слой, на базата на TiN, характеризи- 5 ращо се с това, че покритието се състои от три, последователно разположени слоя, съответно буферен (1), градиентна нанокомпозитна структура (2) и завършващ (3), като буферният слой (1) се състои от най-малко два слоя, а нанокомпозитната структура (2) е съставена от градиентни и нанокомпозитни слоеве на базата на TiAlSiN, с променящо се съдържание на титан от 0 до 45 %, като всеки слой е с различен състав, при което между всеки два слоя от нанокомпозитната структура (2) са положени междинни градиентни слоеве (2.1, 2.3, 2.5, 2.7), а завършващият слой се отличава с повишено съдържание на алуминий и дебелина 150-250 nm, като общата дебелина на покритието е от 2,5 до 5 microm.

2. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че буферният градиентен слой (1) се състои от два слоя, положени в последователност контактен слой Ti (1.1) и градиентен слой TiN (1.2).

3. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че градиентната нанокомпозитна структура (2) е с обща дебелина в интервала 350-700 nm и се състои от три нанокомпозитни слоя, два от които с дебелина 100-200 nm и един с дебелина 70-140 nm, и четири междинни градиентни слоя.

4. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че дебелината на междинните слоеве (2.1, 2.3, 2.5 и 2.7), е в диапазона от 20-40 nm.

5. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че съставът на междинните слоеве (2.1,2.3,2.5), е с нарастващо съдържание на алуминий, в диапазона от 0-100 %, а в последния междинен слой (2.7) съдържанието на алуминий намалява от 100 до 55 %.

6. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че нанокомпозитният слой (3) е изграден със състав Al_yTi] .^/алфа-БцН, и съдържание на титан в диапазона 0.68<у<0,7, като слоят има дебелина 150-250 nm.

7. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенции 1 и 3, характеризиращо се с това, че нанокомпозитните слоеве от градиентната нанокомпозитна структура (2) са разположени в определена последователност и състав както следва: първи нанокомпозитен слой Al/Ti^N/Si^ 0.55<х<0.60 (2.2), втори нанокомпозитен слой (2.4) със състав Al Ti, N/Sig^ 0.68<у<0.7 (2.4) и трети нанокомпозитен слой (2.6) със състав Al^S^N/SiN,, 0.12<z<0.18 и l<w<4.

8. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенции 1,3 и 4, характеризиращо се с това, че всеки от нанокомпозитните слоеве (2.2,2.4 и 2.6) от нанокомпозитната градиентна структура (2) е разположен между два междинни градиентни слоя, със състав съответно Al Ti,.,SiN 0?а?0.55 (2.1), Al_bTi,._bSiN 0.555b<0.68 (2.3) и AlJi^SiN 0.68<с<1 (2.5), и завършващ структурата градиентен слой Al_dTi_MSiN 1 <d<0.55 (2.7).

9. Многослойно нанокомпозитно покритие съгласно претенции 1,3,4 и 5, характеризиращо се с това, че градиентната нанокомпозитна структура (2) се нанася от 3 до 7 пъти, за да се получи обща дебелина на покритието от 2.5 до 5 microm.