CS199186B1

CS199186B1 - Forming smooth surfaces from metal carbides and nitriles

Info

Publication number: CS199186B1
Application number: CS655278A
Authority: CS
Inventors: Jiri Bures; Jan Tomka; Jaroslav Prochazka
Original assignee: Jiri Bures; Jan Tomka; Jaroslav Prochazka
Priority date: 1978-10-09
Filing date: 1978-10-09
Publication date: 1980-07-31

Description

Vynález se týká způsobu modifikování hladkých povlaků z karbidů a nitridů kovů, zejména Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, popřípadě Cr, Mo, W za účelem dosažení mosaikové struktury.The invention relates to a process for modifying smooth coatings of metal carbides and nitrides, in particular Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si and Cr, Mo, W, respectively, in order to achieve a mosaic structure.

Plochy součástí, které jsou vystaveny při jejich funkci tření za podmínek zvyšujících hodnoty opotřebení a pracující za zvýšeného měrného tlaku, se všeobecně vytváří z velmi tvrdých a opotřebeni odolávajících materiálů, přičemž se přihlíží i k jejich působeni na protisoučást. V řadě případů se vytváří na funkčních plochách použe povrchové vrstvy o tloušťkách, majících vztah ještě k povoleným funkčním vůlím nebo k hodnotám dovoleného namáháni povrchu. V technické praxi se například osvědčilo p.ovlékání slinutých karbidů vrstvou karbidu titanu a potom vrstvou nitridu titanu. Podobné převrstvování je techniky použitelné i pro jiné materiály, jako oceli a litiny, avšak v těchto případech nedošlo k žádnému rozšíření, zřejmě s ohledem na těžkosti, vznikající při povlékání.The surfaces of the components which are subjected to their friction function under conditions increasing wear values and operating at increased specific pressure are generally formed from very hard and wear resistant materials, taking into account their action on the counterpart. In many cases, use is made of functional layers on the functional surfaces with thicknesses which are still related to the permitted functional clearance or to the permissible surface stress values. For example, sintered carbide coatings with a layer of titanium carbide and then a layer of titanium nitride have proven useful in technical practice. Similar coating is a technique applicable to other materials, such as steel and cast iron, but there has been no expansion in these cases, probably due to the difficulty of coating.

Povlaky z nitridů anebo karbidů Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, popřípadě Cr, Mo, W, používané ke zhotovení vodicích ploch, se doposud vytváří na ocelích a litinách z halogenidů těchto kovů ve, vodíkové, popřípadě inertní atmosféře s příměsí reakce schopné složky, jako dusíku, metanu, při zvýšené teplotě. Přitom dochází k difusi kovu a reakce schopných složek do oceli a ke vzniku reakčního produktu, to je nitridů, popřípadě karbidů. Reakční produkt se vylučuje za běžně známých technologických podmínek, jako stejnorodá legující vrstva, poměrně rovnoměrně pokrývající zpracovaný, povrch ocelových nebo litinových sou/ stí. Drsnost povrchů tétč krycí vrstvy závisí jednak Aa výchozí drsnosti ocelového nebo litinového povrchu, jednak na tloušťce vytvářené krycí vrstvy. Se zvětšující se tloušťkou vytvářené krycí vrstvy roste vždy i drsnost povťchu této krycí vrstvy. Vzrůst drsnosti, nepříznivě ovlivňuje mechanické vlastnosti krycí vrstvy, čímž-se stává lámavéjší, křehčí a ' méně otěruvzdorná. Svými nepříznivými vlastnostmi, zejména tvorbou abrazivního prachu, zvyšuje otěr i u pohyblivých protisoufiástí. V praxi še nežádoucí,vlivy tlustších vrstev omezují tím, že se krycí vrstvy vytváří buá o tloušťce asi 10 μα až'20 jim nebo na tenké vrstvě oduhličeného materiálu.The nitride and / or carbide coatings of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, or Cr, Mo, W used to form the guide surfaces have so far been formed on steels and cast irons of these metal halides in a hydrogen or inert atmosphere admixed with a reaction-capable component, such as nitrogen, methane, at elevated temperature. This leads to the diffusion of the metal and the reaction of the capable components into the steel and the formation of a reaction product, i.e. nitrides or carbides. The reaction product is deposited under commonly known process conditions, such as a homogeneous alloy layer, relatively uniformly covering the treated, surface of the steel or cast iron parts. The roughness of the surfaces of this cover layer depends, on the one hand, on the initial roughness of the steel or cast iron surface and on the thickness of the cover layer to be formed. As the thickness of the covering layer increases, the surface roughness of the covering layer increases. The increase in roughness adversely affects the mechanical properties of the coating, making it more brittle, brittle and less abrasion resistant. Due to its unfavorable properties, especially the formation of abrasive dust, it increases the abrasion of moving counter-parts. In practice, the effects of thicker layers are undesirable in that the cover layers are formed either with a thickness of about 10 μα to 20 μm or on a thin layer of decarburized material.

Jedno ze známých řešení, kterým se krycí vrstvy získávají na tenké vrstvě oduhličeňého podkladového materiálu pro vytvoření vodicích ploch součástí spočívá v tom, že krycí vrstvy jsou tvořeny vnější částí tvrdé vrstvy, jejíž tloušťka odpovídá až 30ti násobku povrchové drsnosti vodicí plochy. Přitom tvrdá vrstva spočívá na měkké mezivrstvě vzniklé oduhličením materiálu. Tloušťka této mezivrstvy je až 50ti' násobek povrchové drsnosti vodicí plochy, přičemž tvrdost tvrdé vrstvy převyšuje tvrďost materiálu jí vedené součásti.One known solution by which the cover layers are obtained on a thin layer of decarburized backing material to form the guide surfaces of the parts is that the cover layers are formed by the outer part of the hard layer, the thickness of which corresponds to up to 30 times the surface roughness of the guide surface. The hard layer is based on the soft interlayer resulting from the decarburization of the material. The thickness of the intermediate layer is up to 50 times the surface roughness of the guide surface, the hardness of the hard layer exceeding the hardness of the material guided by it.

Technologické zpracování krycích vrstev se u tohoto řešeni vytváří tak, že součást, na které mají být vytvořeny, se vloží do reaktivní atmosféry při barometrickém tlaku o teplotě kolem 1150 °C s obsahem Hg v rozmezí 50 % až 99,5 % hmotnostních, 49 % až 0,45 % hmotnostních obsahu Mg a z 0,0001 % až 0,1 % hmotnostních obsahu halogenidů Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, popřípadě Cr, Mo, W. Usnadnění tvorby tvrdé vrstvy se pak provádí při podtlaku a při vložení Součásti do ionizujícího napětí nad 250 V nebo odpovídajícího koronárního výboje. Součást je přitom připojena ke katodě zařízení.Technological treatment of the coating layers in this solution is formed by placing the component to be formed in a reactive atmosphere at a barometric pressure of about 1150 ° C with a Hg content of 50% to 99.5% by weight, 49% up to 0.45% by weight of Mg and from 0.0001% to 0.1% by weight of halides of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si and Cr, Mo, W respectively. vacuum and upon insertion of the component into an ionizing voltage above 250 V or a coronary discharge. The component is connected to the cathode of the device.

Všech těchto procesů, v praxi prováděných v rozmezí teplot 400 až 1500 °C, se běžně používá, přičemž každý proces sám o sobě je vhodný pro zoela určitou oblast použití. K vytváření Vrstev nitridu titanu jsou zejména vhodné oceli s nižším obsahem uhlíku, u oceli s vyšším obsahem uhlíku se vytváří obvykle mezivrstvy s karbidy.titanu. Nárůst povrchové drsnosti je menší u povlaků z nitridů titanu. Vytvářeni hladkých vrstev s mosaikovou strukturou doposud není známo.All of these processes, in practice carried out in the temperature range of 400 to 1500 ° C, are commonly used, and each process itself is suitable for a particular field of application. Low carbon steels are particularly suitable for forming titanium nitride layers, with higher carbon steels usually forming interlayers with titanium carbides. The increase in surface roughness is less for titanium nitride coatings. The formation of smooth layers with a mosaic structure is not yet known.

Uvedené nevýhody stávajících řešeni a technologických postupů a další zdokonalení př: náší způsob vytváření hladkých povlaků z karbidů a nitridů kovů podle vynálezu, jehož podstata spočívú v tom, že se na vyhlazený povrch z karbidů á nitridů kovů dále působí reakt: ní atmosférou o složení 90 až 99 % objemových vodíku, 0,1 až 10 % objemových dusíku a 0,0<The above-mentioned disadvantages of existing solutions and technological processes and further improvements are provided by the method of forming smooth coatings of carbides and metal nitrides according to the invention, which consists in that the smoothed surface of carbides and metal nitrides is further treated with a reactive atmosphere of composition 90. up to 99% by volume of hydrogen, 0.1 to 10% by volume of nitrogen and 0.0 to 10% by volume of nitrogen;

až 1 % objemové halogenidů titanu, zirkonu, hafnia, vanadu, niobu, tantalu, křemíku, popř pádě chrómu, molybdenu nebo wolframu ža teplot 800 až 1400 C, popřípadě se působí touto reaktivní atmosférou při tlaku v rozmezí od 0,1 P'á až 1000 Píy a_z za teploty 400 až $>50 ®C s přídavnou radikálovou, iontovou, elektricky potenciálovou nebo plazmovou aktivací.up to 1% by volume of halides of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, silicon or chromium, molybdenum or tungsten at a temperature of 800 to 1400 ° C, or reacted with this reactive atmosphere at a pressure of 0,1 Pa up to 1000 P i and _z at a temperature of 400 to $> 50 ® C with additional radical, ionic, electrically potential or plasma activation.

Mosaiková struktura, vytvořená z vrstev nitridů kovů, žejména Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, popřípadě Cr, Mo, W Způsobem podle vynálezu má řadu technických výhod. Povlaky jsou hladké až lesklé, přilnavé na každém ocelovém, litinovém nebo jiném povrchu. Přitom jsou v konečné fázi zakotveny do.velmi tvrdých a únosných podkladů. Velmi příznivé odolnosti ' proti opotřebení se dosahuje nestejnými vlastnostmi části, vytvářejících mosaikovou r .Mosaic structure formed from layers of metal nitrides, in particular Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si or Cr, Mo, W The process according to the invention has a number of technical advantages. The coatings are smooth to glossy, adhering to any steel, cast iron or other surface. At the same time, they are anchored to very hard and load-bearing substrates in the final phase. Very favorable wear resistance is achieved by the unequal properties of the mosaic forming part.

strukturu, neboí mřížoví má vždy zcela odlišné, i když z hlediska fyzikálně chemických vlastností někdy i podobné vlastnosti. Těchto výhodných vlastností se právě dosáhlo tím, že se na povlak z nitridů a karbidů kovů, vytvořený na oduhličené vrstvě podkladového materiálu znovu působí reaktivní atmosférou, vytvářející povlak z nitridů stejného nebo i jiného kovu. V důsledku toho ae na povrchu vytvoří buď mřížoví so stejným nebo podobným složením jako bylo složení povlakové vrstvy nebo se mřížoví vytvoří z nitridů jiného kovu a vzniklá část povrchové vrstvy nlá i jiné složení a vlastnosti. Tloušíka takových vrstev může být i kolísavá od místa k místu.structure, because lattice has always completely different, although in terms of physico-chemical properties sometimes similar properties. These advantageous properties have just been achieved by reacting the coating of the nitrides and metal carbides formed on the decarburized layer of the backing material with a reactive atmosphere forming the coating of nitrides of the same or even another metal. As a result, either the lattice forms either a lattice having the same or similar composition as the coating layer composition, or the lattice is formed from other metal nitrides, and the resulting surface layer portion has no other composition and properties. The thickness of such layers may also vary from place to place.

Při postupu se nejdříve vytvoří povlak z nitridů Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, popřípadě Gr, Mo, W, stejně jako u známého postupu výše popsaného. Vzrůst drsnosti povrchu, vzniklý při tvorbě tvrdé vrstvy, se mechanickým zatlačením, například válečkováním nebo kalibrováním, vyhladl. Vyhlazením se tvrdé substance zamáčknou do měkké oduhličené vrstvy nacházející se pod nitridovou vrstvou. Toto vyhlazení se provede pohybem kalibračního trnu v jednom směru, čímž se vytvoří jednosměrně orientované zárodky pro další růst krystalů. Na to se za účelem výrazného zlepšení technických vlastností působí na takto upravený povroh reaktivní atmosférou, vytvářející povlak z nitridů stejného nebo i jiného kovu, tvořícího složku reaktivní atmosféry.The process first forms a coating of the nitrides Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Si, optionally Gr, Mo, W, as in the known process described above. The increase in surface roughness resulting from the formation of a hard layer has been smoothed by mechanical pressing, for example by roller or calibrating. By smoothing, the hard substances are squeezed into the soft decarburized layer below the nitride layer. This smoothing is accomplished by moving the calibration mandrel in one direction, thereby creating unidirectional seeds for further crystal growth. For this purpose, in order to significantly improve the technical properties, the surface treated with the reactive atmosphere is treated, forming a coating of nitrides of the same or even another metal, forming a component of the reactive atmosphere.

Příklad:Example:

Zpracování povrchu uhlíkové oceli, obsahující 0,60 % hmotnostních uhlíku při 800 až 1100 °C v atmosféře složenéz 99,5 % hmotnostních vodíku, 0,5 % hmotnostních dusíku s příměsí 0,1 % hmotnostních TiCl^. Po šesti hodinách se vytvoří vrstva TiN tlouštky 3 až 25 (im na oduhličené vrstvě oceli, tlusté do 100 (im. D«jiost povrchu vrstev tlustších více jak 5 (im vzroste z původních 0,8 až 1 Hra podle tloušfky vytvořené vrstvy i přes 6 HRa. Zatlačením vytvořených nerovností do měkké podložní vrstvy oceli se d&iost sníží postupně až na 0,5 HRa. Takto upravená součást se poznovu vloží do reaktivní atmosféry při teplotě 800 až 1100 °C buď o výchozím složení nebo do atmosféry, kde TiCl^ je nahrazen 0,05 % objemových NbClg. Vytvořená vrstva je hladká, korozně odolná, s vynikající přilnavostí a velmi otěruvzdorná.Treatment of the carbon steel surface, containing 0.60% by weight of carbon at 800 to 1100 ° C in an atmosphere composed of 99.5% by weight of hydrogen, 0.5% by weight of nitrogen with 0.1% by weight of TiCl 2. After six hours, a TiN layer of 3 to 25 (im on the decarburized steel layer, up to 100 (im. D) of the surface thickness of more than 5 (im) grows from the original 0.8 to 1. By pressing the formed unevenness into the soft undercoat of steel, the grade is gradually reduced to as much as 0.5 HRa, and the treated component is reinserted into a reactive atmosphere at 800 to 1100 ° C with either the initial composition or the atmosphere where TiCl 2 is The resulting layer is smooth, corrosion resistant, with excellent adhesion and very abrasion resistant.

Claims

Process for forming smooth coatings of metal carbide and nitride layers, in particular titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, silicon or chromium, molybdenum, tungsten deposited on a decarburized surface of steel or cast iron and subsequently treated by smoothing, e.g. applying a pressure, characterized in that the smoothed surface of carbides and metal nitrides is further treated with _a reactive atmosphere of 90 to 99% by volume of hydrogen,

0.1 to 10% by volume of nitrogen and 0.005. up to 1% by volume of halides of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, silicon, or chromium, molybdenum or tungsten at temperatures of 800 to 1400 ° C, or treated with this reactive atmosphere at a pressure of 0.1 Pa to 1000 Pa At a temperature of 400 to 950 ° C with additional radical, ionic, electrically potential or plasma activation.