RO129650A2

RO129650A2 - Materiale şi metode de realizare în vid a straturilor tribologice graduale şi complexe, pentru acoperirea obiectelor metalice supuse frecării

Info

Publication number: RO129650A2
Application number: ROA201201075A
Authority: RO
Inventors: Alice-Ortansa Mateescu; Gheorghe Mateescu
Original assignee: Aeg Progresiv S.R.L.
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-30
Also published as: RO129650B1

Abstract

Invenţia se referă la materiale şi la metode de realizare a straturilor tribologice graduale complexe, realizate din 2...5 materiale diferite, folosite pentru acoperirea pieselor metalice supuse frecării, respectiv, a cuplelor de frecare, materialele conferind pieselor acoperite o duritate şi o tenacitate mărită, o stabilitate termică şi chimică ridicată, precum şi un coeficient de frecare redus. Materialele conform invenţiei au în componenţă 2, 3, 4 sau 5 materiale după cum urmează: TiN + WS, TiCN + WS, TiAlN + MoS, C + WS, TiN + AlO+ WS, TiCN + BN + WS, TiAlN + C + WS, TiN + AlO+ C + WS, TiAlN + BN + AlO+ WS, TiC + BAM + C +WS, Ti + c/h_BN + AlO+ WS, Al + TiN + BCN + YO+ C + MoS, W + TiCN + WB+ ZrO+ WSşi altele asemenea. Metoda conform invenţiei are un singur ciclu tehnologic şi se realizează într-o instalaţie pentru depunerea straturilor subţiri în vid, prevăzută cu 2...5 surse de depunere în vid a straturilor subţiri ca, de exemplu, magnetroane de tip catozi Penning de pulverizare, catozi de evaporare în arc electric sau ţinte PLD, prin folosirea metodelor nepoluante şi economice de tip "Pulverizare Magnetron standard", "Pulverizare magnetron reactivă", "Pulverizare magnetron în impuls de mare putere", " Evaporare în arc catodic standard", " Depunere cu laser pulsat", "Depunere cu evaporare în arc electric standard" sau altele asemenea, astfel încât permit realizarea unei multitudini de tipuri de acoperiri, iar proprietăţile stratului tribologic depind de variaţia concentraţiei materialelor în compoziţia stratului tribologic.

Description

Materiale si metode de realizare in vid a straturilor tribologice graduale si comp lexe, pentru acoperirea obiectelor metalice supuse frecării

Invenția se refera la materialele si la metodele utilizate pentru realizarea in vid a straturilor subțiri complexe, cu compoziție variabila gradual si cu porozitate scazula, din 2-5 materiale cu proprietăți tribologice complementar-cumulative (1. aaerenta buna la substrat;

2. duritate ridicata; 3. tenacitate ridicata; 4. stabiltate termica si chimica ridicata; 5. coeficient de frecare redus), pentru imbunatatirea proprietăților tribologice a pieselor metalice supuse frecării (a cuplelor de frecare), ce provoacă prin uzura, zgomote si încălzire exagerata, distrugerea înainte de termen a acestora. Acoperirile tribologice realizate conform invenției se adreseaza in primul rând componentelor din industriile auto, aeiospatiala si militară, dar pot fi utilizate si in multe alte domenii ale construcției de mașini.

Sunt cunoscute o multitudine de metode si de materiale pentru realizarea in vid a acoperirilor complexe cu proprietăți tribologice pentru cuplele de frecare, care se diversifica continuu. Piesele mecanice supuse frecării lucrează in medii diferite (atmosfera uscata sau umeda; vacuum; medii lubrifiante lichide, etc.) si pentru imbunatatirea rezistentei la uzura sunt acoperite cu straturi subțiri tribologice care in afara de un coeficient de frecare -CF (static si dinamic) cat mai redus si care sa nu fie influențat negativ de anumiti factori ai mediului de lucru (temperatura; umiditate; presiune; prezenta gazelor corozive; etc.), sau de sarcina de apasare a cuplei de frecare, trebuie sa prezinte si: duritate ridicata si tenacitate/compresibilitate buna (care sa permită sarcini de lucru ridicate); rezistenta la coroziune si la oxidare termica la temperaturi înalte, sau la prezenta umidității in mediul de lucru; aderenta la substrat cat mai ridicata. Sarcina de apasare a cuplei de frecare si factorii de mediu au o mare influenta asupra cuplelor de frecare si reduc drastic durata de utilizare a acestora. Spre exemplu in vid unde coeficientul de frecare al cuplelor de frecare creste sensibil fata de coeficientul de frecare in mediul ambiant, iar utilizarea lubrifiantilor este drastic limitata, s-au dezvoltat acoperirile lubrifiante uscate (dry lubricant coatings), cu un singur strat subțire, sau cu straturi subțiri multiple.

Soluția radicala de reducere a frecării a constituit-o mult timp utilizare lubrifiantilor uscati cu Coeficientul de Frecare in aer fata de otel =CF_static/dinamic< 0,1-0,4, din care fac parte:

- Teflonul (Poli-Tetra-Fluor-Etilena = PTFE) - ca marca comerciala DuPont- cu coeficientul de frecare de 0,05-0,08 si temperatura maxima de lucru de 288 °C.

- Compușii metalelor tranzitionale din grupa a 6-a a tabelului periodic al elementelor (Mo/W) cu materialele din grupa a 16-a a tabelului periodic (denumite chalcogenide”), precum: sulful-S; Seleniul-Se si Telurul-Te, cu formula generala: MX2 (M = Mo/W si X— SI SelTe). Cele mai utilizate materiale lubrifiante uscate din aceasta categorie sunt Bisulfura de Molibden (M0S2) cu CF= 0,06 static si 0,15 dinamic si Bisulfura de wolfram (WS2), cu CF_static= 0,03 si CF,jj_namic= 0,07.

- Grafitul sau carbonul de tip diamant (Diamond Like Carbon-DLC), de tipul: a-C (carbon amorf); a-C:H (carbon amorf hidrogenat); ta-C (carbon amorf tetraedal) sau ta-C:H (carbon amorf hidrogenat, tetraedal), cu CF = 0,01 ...0,1/0,5.

- Carburile si nitrurile metalelor tranzitionale, precum: TiN cu CF=0,4; TiCN cu CF=0,3; TiAIN cu CF=0,35; CrN cu CF=0,45.

- Borura de magneziu si aluminiu (AlMgB₁₄), cunoscuta si sub denumirea de BAM este un compus chimic (aliaj ceramic) din aluminiu, magneziu si bor, care depus împreuna cu diborura de titan (T1B2) asigura unul din cei mai scazuti coeficienți de frecare dinamici (CF=0,02), dar si o duritate foarte mare (40-46 GPa), fiind după: diamant; carbonitrura de bor cubica (c-BC?N) si nitrura de bor cubica (c-BN).

Dezavantajele esențiale ale utilizării singulare (fara a fi in combinație cu alte materiale) a materialelor lubrifiante uscate de top, precum WS2, M0S2, C; BAM, ca material tribologic, fata de noua metoda prevăzută in invenție, sunt:

I 0 1? 2012

ΐ. duritatea materialelor lubrifiante <ie top este mu t mai redusa decât a combinației prezentata in invenție si de aceea sarcinile admise la materialele lubrifiante uscate de top sunt limitate la maxim 300.000 ps^;.

2. coeficientul de frecare al materialelor lubrifiante de top deși este foarte scăzut este totuși influențat de condițiile de mediu si in special de temperatura si umiditate.

3. aderenta la toate metalele de interes tehnic, precum si rezistenta la oxidare termica, deși sunt considerate ridicate, acestea pol fi totuși imbunatatite, asa cum este dovedit si in cazul acoperirilor in vid cu produsul comeriai McST (MaS’> + Metal), brevetat de compania Teer Cotings Ltd (vezi brevet 9314773.2 GB din 19.07.1995-Methods for Deposition of Molybdenum Sulphide). sau a cererilor de brevet de invenție depuse la OS1M. cu nr. A/00621/30.06.2011: A/00622/30.06.201 1; A/00623/30.06.2011. de autorii acestei inventi.

De asemenea pentru mediile d.e lucru dure/agresive ale cuplelor de frecare (cu timiditate ridicata, cu temperatura de lucru ridicata: cu continui de gaze coroztve, cu presiuni scăzute, etc.) s-au dezvoltat acoperiri tribologice multistrat, fara insa a se tine cont de toate cerințele esentiale/de baza ale acoperirilor tribologice graduale si complexe: 1- aderenta la substrat ridicata- pentru a se preveni despriderea de pc substrat a stratului tribologic; 2 duritate ridicata si 3- tenacitate/ compresibilitate buna a întregului ansamblu- care sa permită sarcini de lucru ridicate: 4- porozitate redusa si rezistenta: ^;a coroziune, sau la oxidare termica la temperaturi înalte, si la prezenta umidității iii mediul de lucru- pentru a se preveni corodarea si oxidarea termica; 5- coeficient de frecare cat rnai redus- pentru a se preveni încălzirea excesiva si uzura accelerata a cuplelor de frecare. In plus, potrivit invenției, compoziția variabila gradual a stratului tribologic, asigura cumularea sincrgica a caracteristicilor materialelor componente pe întreaga grosime a stratului tribologic.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția o constituie imbunatatirea proprietăților tribologice a pieselor metalice supuse frecării (imbunataiirea rezistentei la itziirci a cuplelor de frecare) prin utilizarea unor metocc de realizare in vid a straturilor tribologice complexe cu compoziție variabila gradual, din 2-5 tipuri de materiale (uzual si optim din 3-4 materiale) simple sau compuse, care asigura cele 5 proprietăți complemcntarcumulative ale materialelor necesare conform invenției pentru realizarea acoperirilor tribologice graduale si complexe (1 -duritate mare: 2-tenacilate/ compresibilitate ridicata: 3siabilitate termica si chimica ridicata: 4-coeficiem de frecare cat mai redus; 5-aderenta la substrat ridicata) si permit realizarea straturilor subțiri tribologice graduale si complexe intr-o marc diversitate cu reducerea uzurii acestora, alai pentru sarcini de apasare ridicate a cuplelor dc frecare cat si pentru cele mai diferite medii de lucru.

Materialele de realizare in vid a straturilor tribologice graduale si complexe pentru acoperirea obiectelor metalice supuse frecării, conform invenției înlătură dezavantajele menționate prin aceea ca folosesc cele mai performante metode dc depunere a straturilor subțiri in vid. de tip Physical Vapor Deposition-PVD (pulverizarea magnetron standard sau reactiva in cc, cc-ptdsal si RF). sau Iomzed PVD“ (evaporarea in arc catodic standard sau fihrata; evaporarea prin ablatie laser; pulverizarea magnetron ionizata, -ca metode de placare ionica cu un grad de ionizare a materialului de depunere de peste 90%) pentru realizarea intr-un singur ciclu tehnologic u unui strai .fibologic complex cu compoziție variabila gradual, din 2-5 materiale cu proprietăți tribologice complcmcntar-cumulative.

Potrivit invenției, metodele fizice utilizate pentru depunerea in vid a straturilor subțiri graduale si complexe cu proprietăți tribologice imbunatatite, precum: Pulverizarea Magnetron Standard/ Reactiva in cc; cc-pulsat: sau Rh. ca metode lip PVD” si: Pulverizarea Magnetron iu impuls dc Mare Putere (High Power Impui se Magnetron Sputtering); Evaporarea in Arc Catodic Standard sau Filtrata (Filtered Catodic Arc Evaporation) si Depunerea cu Laser Pulsat (Pidscd Laser Deposition-PLD). ca. metode tip lonized PVD” asigura îndeplinirea a 3 condiții dc baza impuse straturilor tribologice graduale si complexe: 1 -aderenta buna la substrat: 2-porozilate cat mai scăzută si 3-cornpozitic variabila

Ο 1 2 - Ο 1 ? 7 5 - 2 8 12- 201?

Potrivit invenției, materialele din compoziția straturilor tribologice complexe si graduale trebuie sa aibe, sau sa asigure, parțial sau in totalitate, următoarele 5 proprietăți complementar-cumulative maximale, esențiale si distincte ale straturilor tribologice graduale si complexe: 1. aderenta buna la substrat; 2. tenacitate/ compresibilitate ridicata; 3. duritate mare; 4. stabiltate termica si chimica ridicata; 5. coeficient de frecare redus.

Cele 5 proprietăți tribologice esențiale si complementar-cumulative, pe care trebuie sa le îndeplinească sau sa le asigure materialele utilizate pentru realizarea acoperirilor tribologice graduale si complexe, pot fi îndeplinite potrivit invenției: teoretic de grupuri de 5 materiale, care îndeplinesc individual cele 5 proprietăți complementar-cumulative maximale, dar practic si optim (din punct de vedere tehnologic si de costuri de realizare) de grupuri de 3 sau 4 materiale, deoarece anumite materiale asigura/ îndeplinesc mai multe cerințe din cele 5 cerințe de baza ale materialelor tribologice prezentate anterior (de exemplu: materialele metalice cu structura metalica asigura atat aderenta huna la substraturile metalice cat si duritate si tenacitate ridicata; materialele cu structura ionica sau cu structura de tip diamant duritate mare, dar si stabiltate chimica si termica buna, asa după cum se vede si din figura 1), iar aderenta la substrat se imbunatateste prin utilizarea metodelor PVD si IPVD utilizate.

Materialele care au proprietățile de mai sus pot fi materialele chimice simple, (din Tabelul Periodic al elementelor), dar pot fi si materiale complexe, ale căror proprietăți sunt strict legate de tipul de legătură chimica dintre componentele constituente ale acestora, asa cum se prezintă in Figura 1-Triunghiul legaturilor chimice si al proprietăților complementarcumulative, pentru principalele materiale cu utilizări in realizarea acoperirilor tribologice.

Prin efectul sinergie cumulativ al proprietăților pentru materialele alese pentru cele 2-5 materiale constituente din compoziția stratului tribologic gradual si complex (cu concentrații variabile gradual in grosimea stratului tribologic), se asigura imbunatatirea proprietăților tribologice ale cuplelor de frecare in diferite medii de lucru si la diferite sarcini de apasare.

Alegerea numărului de materiale (2; 3; 4 sau 5 materiale) din compoziția straturilor tribologice graduale si complexe se face potrivit invenției pe baza complementarității proprietăților acestora (prezentata in Fig. 7) si al costurilor de realizare, dar ținând cont si de:

1- condițiile de mediu ale cuplei de frecare (temperatura, presiune, umiditate, etc.),

2- sarcina de apasare a cuplei de frecare.

Avantajele esențiale ale utilizării straturilor tribologice graduale si complexe, din 2-5 materiale cu proprietăți complementar-cumulative conform invenției sunt:

1. realizarea de multistraturi tribologice cu proprietăți imbunatatite, ce sunt obținute prin cumularea sinergica a proprietăților materialelor componente (2-5 materiale): duritate ridicata, tenacitate si compresibilitate buna, rezistenta la coroziune si la oxidare termica ridicata, coeficient de frecare cat mai redus,

2. realizarea intr-un singur ciclu de lucru a straturilor tribologice din 2-5 materiale cu variație graduala, folosind metodele nepoluante si eficiente economic de tip PVD sau IPVD si o instalație dotata cu 2-5 surse de depunere a straturilor subțiri in vid (catozi Penning de pulverizare; Catozi de evaporare in arc electric sau tinte de pulverizare in PLD), ce permit realizarea de straturi tribologice complexe, lipsite de porozitate, cu o buna aderenta si de compoziția dorita,

3. realizarea de acoperiri tribologice cu coeficient de frecare ultrascazut (CF < 0,05)

4. realizarea de acoperiri tribologice cu un domeniu funcțional foarte larg de temperaturi de lucru: de la -188 °C pana la 1316 °C

5. realizarea de straturi tribologice cu proprietăți imbunatatite la: uzura; condiții de mediu dure (temperatura, umiditate, presiune) si sarcini de apasare ridicate.

Potrivit invenției, pentru relizarea straturilor subțiri graduale si complexe, cu proprietăți tribologice imbunatatite se utilizează:

- metode fizice de depunere a straturilor subțiri in vid, precum: Pulverizarea Magnetron Standard/ Reactiva in cc; cc-pulsat; sau RF, ca metode tip “PVD” si: Pulverizarea Magnetron in Impuls de Mare Putere (High Power Impulse Magnetron Sputteringf, PLD sau î 8 '12- 2012

Evaporarea in Arc Catodic Standard/ Filtrat (Standard! Fittered Catodic Arc Evaporation). ca metode tip ‘ionized PVD, ce asigura îndeplinirea a 3 condiții de baza impuse acestor straturi: I-aderenta buna la substrat; 2-porozitate ca*, mai scăzută; 3- compoziție variabila,

- materiale care indeplinesc/asigura lOtai___sau____parțial următoarele proprietăți complementar-cumulative maximale: 1. aderenta buna *< substrat; 2. tenacitate ridicata; 3. duritate ridicata: 4. stabiltate termica si chimica ridicai a; 5. coeficient de frecare redus.

Potrivit invenției, alegerea materiaicioi cu proprietățile complementar-cumulative enumerate anterior pentru realizarea acoperirilor tribologice graduale si complexe se face:

1. pentru materialele simple (metale sau nemetale). din Tabelul Periodic al elementelor (precum Al, Ti, W, Mo, C, Si, etc.), pe baza proprietăților fizice si chimice ale acestora

2. pentru materialele complexe/compuse. pe baza legaturilor chimice si a proprietăților predominante ale acestora, prezentate schematic si sintetic in Figura-1 (Triunghiul legaturilor chimice si al proprietăților complemetHar-cumulative pentru principalele materiale complexe, cu utilizări in realizarea acoperirilor tribologice).

Alegerea materialelor pentru realizarea acoperirilor tribologice multiple (simple sau compuse) potrivit invenției se face pe baza proprietăților complementar-cumulative. prezentate anterior, dar ținând cont si de:

a) condițiile de mediu ale cuplei de frecare: temperatura; umiditate; presiune; prezenta gaze corozive, etc..

b; sarcina de apasare a cuplei de frecare.

c) prețul dc cost al materialului utilizat si al metodei de realizare a acoperirii.

Potrivit invenției, aderenta la substrat, porozitatca cal mai redusa si compoziția variabila a stratului tribologic gradual si ccmpiex este asigurata prin utilizarea metodelor tip PVD. dar mai ales a celor tip IPVD, care prin energia ridicata a particulelor in timpul depunerii asigura pelicule foarte dense (lineite de porozitate) si cu o foarte buna aderenta

Pulverizarea de tip magnetron este metoda cca mai potrivita pentru depunera simultana sau succesiva, in concentrațiile si compozițiile dorite si cu e buna aderenta la substrat a straturilor tribologice subțiri, graduaie si complexe, ce fac obiectul prezentei invenții.

Pulverizarea magnetron cu ionizare (lonized Magnetron Sputtering) este o metoda noua de pulverizare magnetron ce utilizează pentru producerea materialului ionizat un magnetron clasic (Catod de pulverizare Penning) si o sursa de putere in impuls. (High Power Jtnpulse Magnetron Sputtering) si datorita gradului foarte înalt de ionizare al materialului dc depunere (peste 90%) asigura fata de pulverizarea magnetron standard, realizarea de pelicule dense ffara porozitate) si cu aderenta îmbunătățită îa substrat.

Metoda si materialele de realizare in vid a straturilor subțiri complexe, cu proprietăți tribologice pentru acoperirea obiectelor mctaiicc supuse frecării, conform invenției înlătură dezavantajele menționate prin aceea ca foioseste metodele clasice de depunere a straturilor subțiri in vid, tip “Physical Vapor Deposition-pVD (pulverizarea magnetron standard sau reactiva; evaporarea termica, etc.), sau lonized PVD (evaporarea in arc catodic-CAE; pulverizarea magnetron ionizata_HPlMS, evaporarea prin ablatie iaser-PLD, etc.) pentru realizarea intr-un singur ciclu tehnologic a unu. strai tribologic complex, din toate cele 2-5 tipuri de materiale cu proprietăți tribologice complementar-cumulative, in concentrație variabila in mod gradual (crescător susan descrescător), pentru a se asigura duritate si tenacitate ridicata cu o buna aderenta la substrat, combinata cu o tenacitate si duritate ridicata in prima parte a stratului tribologic si o stabil ilare termica si chimica ridicata combinata cu un coeficient de frecare cat mai scăzut către partea exterioara a stratului tribologic

Prin efectul sinergie cumulativ al preprietatiier pentru materialele alese se asigura imbunalatirca proprietăților tribologice aie cuplelor dc frecare in diferite medii dc lucru si la diferite sarcini de apasare.

Alegerea materialelor complexe cu proprietare complementar-cumulative enumerate anterior pentru realizarea acoperirilor tribologice. sau care se. asigure aceste proprietăți se face

α-1 Ο 1 2 - 0 1 0 7 5 -2'9 12 2012 potrivit invenției pe baza legaturilor chimice, respectiv a proprietăților tribologice ale acestora, prezentata schematic in Figura 1, denumita Triunghiul legaturilor chimice si al proprietăților complementar-cumulative, pentru principalele materiale compuse, cu utilizări in realizarea acoperirilor tribologice.

Potrivit invenției, cele 5 proprietăți tribologice complementar-cumulative maximale ale materialelelor utilizate pentru realizarea acoperirilor tribologice graduale si complexe, pot fi îndeplinite:

parțial, potrivit invenției de grupuri de 2 sau 3 materiale la costuri tehnologice mai reduse, dar pentru condiții de mediu mai puțin dure si sarcini de lucru mai reduse, in totalitate si in mod optim (din punct de vedere: al condițiilor de mediu si al sarcinii de apasare a cuplei de frecare, precum si al costurilor pentru materiale si de realizare tehnolgica) de grupuri de cate 4 materiale, sau la costuri mult mai ridicate de grupuri de cate 5 materiale, astfel:

1. Aderenta buna la substraturile metalice este asigurata de:

a) materialele metalice precum Ti, W. Al, etc.

b) materialele compuse cu legătură metalica, precum: TiN, TiC, TiCN, WC, CrN, etc.

2. Tenacitate si compresibilitate ridicata poate fi asigura potrivit invenției de:

a) materialele compuse cu legătură metalica, precum: TiN, TiC, TiCN, WC, CrN, etc.

b) PTFE, C, etc.

c) materialele compuse cu legătură metalica, dopate cu PTFE

3. Duritatea ridicata poate fi asigurata de:

a) materiale compuse cu legătură covalenta si structura de tip diamant, pe baza de bor: carbonitrura de bor cubica_c-BC2N (76 GPa), nitrura de bor cubica_c-BN (45-50 GPa), diborura de magneziu si aluminiu, cunoscuta si sub numele de materialul BAM_AlMgBi4+ TiB? (40-46 GPa), carbura de bor_B₄C (30 GPa), tetraborura de wolfram_WB4 (36-40 GPa)·, diborura de osmiu_OsB2 (37 GPa)·, diborura de titan_TiB₂ (30-33 GPa)·, etc.

b) alte materiale covalente dure cu structura de tip diamant: SiC; CN; A1N, etc.

c) nanocompozitele (nc) de tipul: nc-MeN/a-SÎ3N₄ (Me - Ti, V); nc-TiN/a-BN/a-TiB2, sau nc-(Ti]._xAl_xfNIa-Si3N₄ ce asigura microduritati H > 50 GP.

d) carburile si nitrurile materialelor tranzitionale (TiN, TiC, TiCN, etc.), ce asigura microduritati Vikers: 20 GPa <HV< 35 GPa.

4. Stabilitatea termica si chimica ridicata la temperaturi înalte poate fi asigurata de:

a) materialele cu legătură chimica ionica, precum: AI2O3, ZrOi, Y2O3; etc.

b) porozitatea redusa a peliculelor depuse prin metodele recomandate, tip PVD/ 1PVD.

5. Coeficientul de frecare redus este asigurat de:

a) Compușii metalelor tranzitionale din grupa a 6-a a Tabelului Periodic al elementelor (Mo/W) cu materialele din grupa a 16-a a Tabelului Periodic (denumite chalcogenide ’j, precum: sulful-S; Seleniul-Se si Telurul-Te, cu formula generala: MX2 (M = Mo/W si X= S/ e/Te), precum: M0S2 cu CF= 0,06 static si 0,15 dinamic si WS₂, cu CF_static= 0,03 si CF_dinanilc= 0,07, etc.

b) Compușii MX?+Me; MX₂+C; MX2+C+M (conform cererilor de brevet ale autorilor acestui articol înregistrate la OSIM cu numerele: A/00621; 00622; 00623 in 30.06.2011.

c) Grafitul sau carbonul de tip diamant (Diamond Like Carbon-DLC), de tipul: a-C (carbon amorf)·, a-C:H (carbon amorf hidrogenat)·, ta-C (carbon amorf tetr aedul) sau ta-C:H (carbon amorf hidrogenat, tetraedal), cu CF = 0,01 ...0.1/0,5

d) Carburile si nitrurile metalelor tranzitionale, precum: TiN cu CF=0,4; TiCN cu CF=0,3; TiAIN cu CF=0,35; etc.

e) Borura de magneziu si aluminiu (AlMgBip, cunoscuta si sub denumirea de BAM este un compus chimic (aliaj ceramic) din aluminiu, magneziu si bor, care depus împreuna cu diborura de titan (T1B2) asigura unul din cei mai scazuti coeficienți de

? 8 -12- 2012 frecare dinamici (CF-0,02). dar s o duritate foarte mare (40-46 GPa;· intre materialele cunoscute, după diamant, carbonitrura de bor cubica (c-BCțN) si nitrura de bor cubica (c-BN)

f) Tcflonul (Poli-Tetra-Fluor-Etilena = PTFE; - ca marca comerciala DuPont- cu coeficientul de frecare de 0,05-0,08 si temperatura maxima de lucru de 288 ^,JC.

Pentru straturile tribologice graduale si complexe din 2-5 materiale cu proprietăți complementar-cumulative si concentrație variabila, potrivi! invenției cele 2-5 materiale se depun intr-un singur ciclu tehnologic prin depuneri simultane, intr-o instalație dotata cu minim 2-5 surse de pulverizare de tip magnetron. sau 2-5 surse de evaporare de tip arc catodic (eventual filtrat), sau ablatie laser-PLD. ce utilizează metode tip “Physical Vapor Deposition (pulverizare magnetron standard/ de tip reactiv. in ce. RF, sau cc pulsat) sau metode tip “lonised Physical Vapor Deposition (pulverizarea rnagnetron standard sau de tip reactiv, in impuls de mare putere, evaporarea in arc catodic filtrai- care suni in fapt metode de placare ionica, datorita gradului ridicat de ionizare a materialului de depunere de peste 90%).

Variația concentrației celor 2-5 materiale in raport cu grosimea stratului tribologic se alege astfel incat sistemul in ansamblu sa îndeplinească total sau parțial cele 5 proprietăți complementar-cumulative maximale ale straturilor tribologice prezentate anterior, la diferite costuri tehnologice de realizare.

Din multitudinea de combinații gc materiale care satislac total sau parțial proprietățile complementar-cumulative necesare pentm realizarea straturilor tribologice graduale si complexe din 2-5 materiale, pentru diferite medii cie lucru si sarcini de apasare si la diferite costuri tehnologice de realizare, se dau mai jos cateva exemple semnificative:

a) grupuri de cate 5 materiale care satisfac in totalitate cele 5 proprietăți complementarcumulative maximale: Ti+c/h_BN +AI2CȚ.+C+WS2; Al+TiN+BCN-t^Oi+C+MoS;; W+TiCN+WB₄+ZrO2+WS2; etc. pentru realizarea straturilor tribologice pentru sarcini de lucru mari si condiții de mediii dure, la costuri tehnologice foarte ridicate,

b) grupuri de cate 4 materiale care satisfac in totalitate cele 5 proprietăți complementarcumulative maximale: TiN+AbCȚ+C+WSet TiA:N+BN+A12O3+WS2; TÎC+BAM+C+ WS2; etc. - pentru realizarea straturilor tribologice pentru sarcini de lucru mari si condiții de mediu dure la costuri tehnologice ridicate.

c) grupuri de cate 3 materiale care satisfac parțial sau chiar total cele 5 proprietăți complementar-cumulative maximaie: TiN+AfO.i+WSi: T1CN+BN+WS2: TiAlN+G-tWS;, ele.- pentru realizarea straturilor tribologice pentru sarcini de lucru medii si condiții de mediu mai puțin dure ia costuri tehnologice optime/acceptabile,

d) grupuri de cale 2 materiale care satisfac parțial cele 5 proprietăți complementarcumulative maximale: TiN+WS;! TiCN-’-WS;: TiAIN+MoS?: C+WS2; etc. - pentru realizare de straturi tribologice pentru sarcini de lucru mai reduse si condiții de mediu mai blânde cu costuri reduse.

Din multitudinea de combinații posibile de: număr si lip de materiale utilizabile (simple sau complexe); metode de depunere a straturilor subțiri in vid (lip PVD sau ÎPVD): tipuri de variație a concentrației celor 2 -5 materiale pe întreaga grosime a stratului tribologic gradual si complex, se dau mai jos 22 de exemple semnificative de realizare potrivit invenției a acestor straturi tribologice graduale si complexe care satisfac parțial sau in totalitate cele 5 cerințe complementar-cumulative maximale (vezi Fig. 2; 3: 4 si 5) si care folosesc:

1. Pulverizarea Magnetron Standard/'Reactiva - ca metoda de depunere a straturilor subțiri in vid si care asigura: porozitate redusa a peliculei depuse: aderenta buna la substrat si concentrația dorita pentru materialele utilizate:

2. Grupuri de cate: 2 materiale (TiCN + WS2)- cu diferite tipuri de variație a concentratieivezi Figura 2-a; b) 3 materiale (TiN+AljCE-t-WS.:) - cu diferite tipuri de variație a concentratiei-vezi Fig. 3-a: b; c; d); 4 materiale (TiN + C+AlOi+WSț)- cu un singur pachet din 4 materiale - vezi Fig. 4 . _{(· ... f. sau cu 2 pachete a cale 2 materiale fiecare vezi Fig. 4-g: h) si 5 materiale (Ti-i-BN+Ai_·)WSj-cti diferite tipuri de variație a

? Ο ¹ 2 - ^{π π} 7 ' —

2'8 -12- 2ίΠ2 concentrației - vezi Fig. 5-a... f, sau ci. 2 pachete a 2-3 materiale fiecare-vezi Fig. 5-g;h), ce îndeplinesc total sau parțial cele 5 proprietăți complementar-cumulative maximale, necesare materialelor utilizate pentru realizarea straturilor tribologice graduale si complexe, la diferite costuri tehnologice si pentru diferite medii sau sarcini de lucru.

Potrivit invenției, alegerea numărului de materiale si a tipului de variație a concentrației acestora (din cele 22 de tipuri prezentate ca exemple in Figurile 2-5, sau si din alte tipuri de variație de concentrație ce se pot realiza tehnologic) pentru realiza rea straturilor tribologice graduale si complexe se face funcție de: costurile materialelor si de realizare tehnologica; condițiile de mediu (temperatura, presiune, umiditate, prezenta gaze corozive) si de presiune in care lucrează cupla de frecare.

Cele 22 de tipuri reprezentative de straturi tribologice graduale si complexe, prezentate ca exemple in Figurile 2; 3; 4 si 5 si realizate din 2; 3; 4 sau 5 materiale, utilizează variații liniare a concentrației materialelor in compoziția, respectiv in adancimea acestora (din motive de costuri tehnologice si de evitare a dificultăților tehnologice de realizare a altor tipuri de variații) si pot fi grupate in 6 categorii:

1. Straturile tribologice cu compoziție graduala si complexa din 2 materiale, prezentate in Fig. 2-a; b, care potrivit invenției utilizează 2 materiale din categoriile prezentate anterior si care asigura cel puțin 2 din cele 5 proprietăți complementar-cumulative impuse acestora: a.coeficient de frecare redus (WS?; M0S2; C; PTFE, BAM, etc.) si b. aderenta buna la substrat (Ti, Al, etc), sau duritate si tenacitate ridicata (TiN; TiC; TiCN; TiAIN, etc),

2. Straturile tribologice cu compoziție graduala si complexa din 3 materiale, prezentate in Fig. 3-a ... d, care potrivit invenției utilizează 3 materiale din categoriile prezentate anterior si care asigura cel puțin 3 din cele 5 proprietăți complementar-cumulative impuse: a. coeficient de frecare redus (WS₂; M0S2; C; PTFE, BAM, etc.); b. aderenta buna la substrat si tenacitate ridicata (TiN; TiC; TiCN; TiAIN, etc) c. duritate ridicata (BN; TiCN, etc.)

3. Straturile tribologice cu compoziție graduala si complexa din 4 materiale intrun singur pachet, prezentate in Fig. 4-a ... f, care potrivit invenției utilizează 4 materiale diferite ce asigura cel puțin 4 din cele 5 proprietăți complementar-cumulative impuse: a. coeficient de frecare redus (WS₂; M0S2; C; PTFE, BAM, etc.); b. aderenta buna la substrat si tenacitate ridicata (TiN; TiC; TiCN; TiAIN, etc); c. duritate ridicata (BN; TICN, etc.); d. rezistenta la oxidare la temperaturi inlte si la coroziune (AI2O3; Y2O3, ZrO₂; hBN, etc.)

4. Straturile tribologice cu compoziție graduala si complexa din 4 materiale in doua pchete a cate 2 materiale diferite, prezentate in Fig. 4-g; h. care potrivit invenției utilizează 4 materiale in 2 pachete a cate 2 materiale diferite, ce asigura cel puțin 4 din cele 5 proprietăți complementar-cumulative impuse: a. coeficient de frecare redus (WS₂; MoS₂; C; PTFE, BAM, etc.); b. aderenta buna la substrat si tenacitate ridicata (TiN; TiC; TiCN; TiAIN, etc); c. duritate ridicata (BN; TiCN, etc..); d. rezistenta la oxidare la temperaturi inlte si la coroziune (AI2O3; Y2O3, ZrCh; hBN, etc.)

5. Straturile tribologice cu compoziție graduala si complexa din 5 materiale intrun singur pachet, prezentate in Fig. 5-a ... f, care potrivit invenției utilizează 5 materiale diferite ce asigura toate cele 5 proprietăți complementar-cumulative impuse: a. coeficient de frecare redus (WS₂; M0S2; C; PTFE, BAM, etc.); b. aderenta buna la substrat; c. tenacitate ridicata (TiN; TiC; TiCN; TiAIN, etc); d. duritate ridicata (BN; TiCN, etc.); e. rezistenta la oxidare la temperaturi inlte si la coroziune (AEO3; Y2O3, ZrCE; hBN, etc.)

6. Straturile tribologice cu compoziție graduala si complexa din 5 materiale in doua pchete a cate 3 materiale (2 diferite si unul comun), prezentate in Fig. 5-g; h, care potrivit invenției utilizează 5 materiale in 2 pachete a cate 2 sau 3 materiale diferite, ce asigura toate cele 5 proprietăți complementar-cumulative impuse: a. coeficient de frecare redus (WS2; MoS₂; C; PTFE, BAM, etc.); b. aderenta buna la substrat; c. tenacitate ridicata (TiN; TiC; TiCN; TiAIN, etc); d. duritate ridicata (BN; TiCN, etc.); e. rezistenta la oxidare la temperaturi inlate si la coroziune (AI2O3; Y2O3, ZrO₂; hBN, etc.)

Claims

REVENDICĂRILE INVENȚIEI

Materiale si metode de realizare in vid a straturilor tribologice graduale si complexe, pentru acoperirea obiectelor metalice supuse frecării

1. Materiale de realizare a straturilor tribologice graduale si complexe, caracterizate prin aceea ca sunt realizate din 2 ... 5 materiale diferite cu o variație graduala liniar a concentrației acestora pe întreaga grisime a stratului subțire sau pachetului din componenta acestuia, asa cum se prezintă ca exemplu in Figurile 2; 3; 4 si 5.
2. Materiale de realizare a straturilor tribologice graduale si complexe, caracterizate prin aceea ca asigura/indeplinesc parțial sau in întregime cele 5 caracteristici/proprietati esențiale ale straturilor tribologice graduale si complexe: 1. aderenta buna la substrat; 2. tenacitate/ compresibilitate ridicata; 3. duritate mare; 4. stabiltate termica si chimica ridicata; 5. coeficient de frecare redus.
3. Materiale de realizare a straturilor tribologice graduale si complexe, caracterizate prin aceea ca pot fi materiale simple (metale sau nemetale) din Tabelul Periodic al elementelor (precum Al, Ti, W, Mo, Cr, C, Si, etc.), sau materiale compuse cu legaturi chimice metalice, ionice sau covalente, asa cum sunt cele prezentate in Figura 1 si care sunt disponibile comercial ca tinte de pulverizare/evaporare, sau care sunt obținute ca materiale compuse in procese reactive de depunere a straturilor subțiri in vid prin metode tip PVDreactiv sau IPVD-reactiv (Pulverizare Magnetron de tip reactiv in: cc, cc-pulsat, sau RF, sau Pulverizare Magnetron de tip reactiv in impuls de mare putere; Depunere cu laser pulsat, etc.) din elementele chimice simple ale Tabelulului Periodic al elementelor.
4. Materiale de realizare a straturilor tribologice graduale si complexe, conform revendicărilor 1; 2 si 3, caracterizate prin aceea ca alegerea celor 2-5 materiale constituente ale stratului tribologic gradual si complex se face astfel incat acestea sa satisfaca parțial sau total proprietățile complementar-cumulative ale materialelor componente, prezentate in revendicarea 2, ținând cont de:

a. condițiile de mediu ale cuplei de frecare: temperatura; umiditate; presiune; prezenta gaze corozive, etc.,

b. sarcina de apasare a cuplei de frecare,

c. prețul de cost impus pentru realizarea stratului tribologic multiplu (costurile materialelor si de realizare tehnologica a stratului tribologic).
5. Materiale de realizare a straturilor tribologice graduale si complexe, conform revendicării

4, caracterizate prin aceea ca au in componenta acestora grupuri de materiale cu: 2 componente, precum: TiN+WS₂; TiCN+WS₂; TiAlN+MoS₂; C+WS₂, etc. - pentru realizarea de straturi tribologice pentru sarcini de lucru mai reduse si condiții de mediu mai blânde, la costuri tehnologice reduse ; 3 componente, precum: TiN+Al₂O₃+WS₂; TiCN+BN+WS₂; TÎA1N+C+ WS₂, etc. - pentru realizarea straturilor tribologice pentru sarcini de lucru medii si condiții de mediu mai puțin dure, la costuri tehnologice optime/ acceptabile; 4 componente, precum: TiN+AFCh+C+WS?; T1AIN+BN+AI2O3+WS2; T1C+BAM+C+ WS₂; etc. - pentru realizarea straturilor tribologice pentru sarcini de lucru mari si condiții de mediu dure la costuri tehnologice ridicate, sau 5 componente, precum: Ti+c/h_BN+Al₂O₃+C+WS₂; Al+TiN+BCN+Y₂O₃+C+MoS₂; W+TÎCN+ WB₄+ZrO₂+ WS₂; etc. - pentru realizarea straturilor tribologice pentru sarcini de lucru mari si condiții de mediu dure, la costuri tehnologice foarte ridicate, care satisfac parțial sau total cele 5 proprietăți complementar cumulative prezentate in revendicarea 2.
6. Metoda de realizarea in vid a straturilor subțiri tribologice graduale si complexe din 2-5 materiale, conform revendicărilor 1 -6, caracterizata prin aceea ca stratul tribologic gradual si complex este realizat intr-un singur ciclu tehnologic, intr-o instalație pentru depuneri de straturi subțiri in vid, prevăzută cu 2-5 surse de depunere in vid a straturilor subțiri (Magnetroane/Catozi Penning de Pulverizare, Catozi de evaporare in arc electric, Tinte PLD), prin folosirea metodelor nepoluante si eficiente economic de tip: “Physical Vapor

- ? Ο Π - - - Π ⁷ ' Î 6 -12

Deposition-PVD” (Pulverizare Magnetron Standard > Pwacti a ir cc, cc pulsat sau RE), sau mai ales “Ionized PVD” (Pulverizare Magtierron m Impuls de mare putere - High Power Impuls Magnetron Sputtering: Depu-nereu ·.·<< Laser Pulsat - Pulsed Laser Deposit'on si Evaporare in Arc Electr: standard scit i ϊhratc-EdteredlStandard Cathodic Arc Evaporation - ca mtode de placare ioîvcu). ce asigura îndeplinirea a 3 condiții dc baza impuse potrivit invenției straturilor tribologice multiple: 1- aderenta buna la substrat; 2- porozitate cat mai scăzută a stratului depus; 3-concentratie variabila a materialelor componente in compoziția straiului tribologic.
7. Metoda de realizarea in vid a straturilor tribologice graduale si complexe, conform revendicărilor 1-5 si caracterizata prin aceea ca procrictatiie stratului tribologic depind dc variația concentrației materialelor in compoziția stratului tribologic si sunt obținute prin cumularea sinergica a proprietăților complenicntar-curnulative ale materialelor utilizate.
8. Metoda dc realizare in vid a straturilor tribologice graduale si complexe conform revendicării 6 si carcterizata prin aceea ca materialele lubrifiante de top (cu CP<0,05. precum MoSțt WS?,·' C; BAM, etc.), sau compuși as acestor materiale cu metalele (precum: Al. Ti, Ag, etc) sau combinații intre materialele lubrifiante de top au întotdeauna concentrații maxime către exteriorul stratului tribologic si cu o descreștere liniara către substrat sau către mijlocul grosimii stratului tribo'ogic.
9. Metoda de realizare in vid a straturilor tribologice graduale si complexe conform revendicărilor 1-5, caracterizata prin aceea ca prin multitudinea de: număr si tipuri dc materiale; variația compoziționala a straturile dimiT de variație a concentrației celor 2-5 materiale pe întreaga grosime a stratului, tribologic predicai si complex) si dc metode dc depunere a straturilor subțiri in vid ce pot fi utilizate. permite realizarea unei multitudini de tipuri de acoperiri tribologice, pentru tffcrtc mucii dc lucru, sarcini de apasare ale cuplelor de frecare si cu diferite costuri tehnologice de “calizarc.
10. Metoda de realizare in vid a stmturiior triboiegiec graduale si complexe conform revendicărilor 1-5 si carcterizata prin aceea ca multitudinea combinațiilor posibile permite realizarea de acoperiri tribologice pentru medii de lucru ale cuplelor de frecare foarte diverse si dure, precum: atmosfera uscata- umeda: medii lubrifiante lichide cu temperaturi extreme, vacuum, etc.