RO130254B1 - Material tip multistrat, pentru aplicaţii tribologice la temperaturi înalte - Google Patents

Description

Invenția se referă la un material tip multistrat, pentru aplicații tribologice la temperaturi înalte, sub formă de multistraturi subțiri, dure, rezistente la eroziune uscată, aderente la suportul pe care au fost depuse, și care sunt utilizate pentru matrițele de injecție a materialelor termoplastice care lucrează în condiții adverse de mediu, caracterizate prin frecare la temperaturi înalte.

Dezvoltarea industriei de prelucrare a materialelor termoplastice și în special a celei de prelucrare prin tehnologia de injectare a condus la apariția de piese injectate, cu forme geometrice complexe, astfel că, pentru obținerea unei calități superioare a produselorfinale, matrițele utilizate sunt supuse unor solicitări crescute. Concomitent, a apărut și un progres însemnat în calitatea și diversitatea materialelor termoplastice, fiind necesară creșterea temperaturii de lucru a matrițelor în procesul de injectare a termoplasticelor. Matrițele de injecție a termoplasticelor sunt întrebuințate într-o serie largă de aplicații, cum ar fi: producția de piese pentru industria auto, producția de piese pentru uz casnic, producția de piese pentru industria electronică și electrotehnică.

Pentru realizarea matrițelor pentru injecția termoplasticelor se folosesc materiale ușor prelucrabile mecanic, cum ar fi oțelurile aliate, cu prelucrare la rece, de tip: W 1.2311 (40CrMnMo7), W 1.2312 (40CrMnMoS86), sau cu prelucrare la cald: W 1.2343 (X38CrMoV51), W1.2344 (X40CrMoV51).

Este cunoscut faptul că uzura matrițelor care trebuie să aibă un timp de funcționare îndelungat, în condițiile în care temperatura de funcționare depășește 350°C, este determinată în principal de procesele de frecare abrazivă. Având în vedere prețul mare al matrițelor, precum și costurile legate de oprirea instalațiilor pentru înlocuirea lor în liniile de producție, pentru creșterea timpului de viață a matrițelor s-au folosit diverse soluții pentru creșterea rezistenței acestora, folosind materiale scumpe pentru execuție.

Din documentul RO 2012 00833 este cunoscut un material din straturi subțiri, biocompatibile, de carburi cvasistoichiometrice sau suprastoichiometrice ale aliajelor de înaltă entropie, care includ, pe lângă carbon, un număr de 5...11 elemente biocompatibile, aflate în concentrații atomice aproximativ egale, materialul fiind folosit pentru realizarea endoprotezelor articulare, monostraturile de carburi cvasistoichiometrice sau suprastoichiometrice ale aliajelor de înaltă entropie fiind descrise prin formula generală (E_1; E₂,...E_n)C, unde Ε^...Ε_η sunt elementele metalice și nemetalice: Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, V, Mo, Ag, Pt, Al și Si, aflate în concentrații atomice aproximativ egale, numărul de elemente n fiind cuprins în intervalul 5...11, straturile subțiri fiind obținute printr-o metodă de depunere fizică din vapori, cum este pulverizarea magnetron sau arcul catodic, într-o plasmă reactivă care conține ioni metalici și nemetalici, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere fiind de 30...50 N, microduritățile fiind cuprinse în domeniul 18...32 GPa, rugozitatea medie fiind <10 nm, coeficienți de frecare fiind cuprinși în domeniul 0,15...0,3, rata de uzură fiind <5x10^-7 mm³N'¹m'¹, cu viteze de coroziune în soluție Ringer la 37°C cuprinse în domeniul 10^-3... 10^-2 mm/an, valorile factorilor de viabilitate celulară la testul de toxicitate fiind cuprinse în domeniul 87...95%.

De asemenea, documentul GB 894593 A/1962 prezintă un corp din carbură de Si, (SiC), acoperit cu două straturi, dintre care primul strat este o carbură sau un amestec de carburi ale elementelor: Ti, Cr, Mo, Si, Zr.

Problema pe care o rezolvă invenția este realizarea unui material sub formă de straturi subțiri, cu mare stabilitate termică, și aderente la substrat metalic, material care să poată fi folosit pentru îmbunătățirea calității matrițelor fără utilizarea de materiale scumpe pentru execuția lor, prin protejarea suprafeței matriței cu materialul tip multistrat, astfel încât să crească durata medie de exploatare a matriței cu peste 50%.

RO 130254 Β1

Materialul de acoperire, conform invenției, rezolvă această problemă tehnică prin 1 aceea că este realizat sub forma unor multistraturi de carburi, formate din repetarea a două straturi, unul fiind un strat de carburi cvasistoichiometrice ale aliajelor cu înaltă entropie, 3 descrise prin formula generală (E₁E₂...E₅)C, unde E^.Eg sunt elemente metalice din seria Cr, Hf, Mo, Nb, Ni, Ta, Ti, Zr, Y, fiecare dintre elementele componente E_k aflându-se în 5 concentrații atomice c_Ek aproximativ egale (c_Ek/(Z_i=1 ⁵c_Ei) ~ 1/5), în acord cu definiția aliajelor cu înaltă entropie, iar celălalt strat fiind unul de carbură de siliciu - SiC. Materialul are o 7 grosime totală cuprinsă între 2 și 5 pm, o duritate Vickers cuprinsă în domeniul 32...38 GPa și o bună aderență la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin 9 zgâriere fiind de 42...50 N, și prezintă în mediu uscat un coeficient de frecare mai mic de 0,15, și o rată de uzare mai mică de 10'⁷mm³N'¹m·¹. 11

Materialul multistrat pentru acoperirea matrițelor utilizate în injecția termoplasticelor, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:13

- este stabil și inert chimic;

- nu modifică tipodimensiunea matrițelor, și nu induce modificări funcționale ale 15 acestora;

- are proprietăți mecanice și tribologice stabile în timp.17

Invenția este prezentată pe larg în continuare, prin două exemple de realizare a acesteia.19

Materialul tip multistrat, conform invenției, este format din dispunerea alternativă, repetată, a două carburi cvasi-stoichiometrice, unul dintre straturi fiind carbura unui aliaj cu 21 înaltă entropie, cu formula generală (E.,E₂...E₅)C, elementele (E^-.Eg) fiind din seria: Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, Cr, Ni și/sau Y, iar al doilea strat fiind carbura de siliciu, SiC. 23

Materialul multistrat, conform invenției, este obținut printr-o metodă de depunere din fază fizică de vapori (pulverizare magnetron, arc catodic). Proprietățile superioare ale 25 materialului care face obiectul invenției sunt generate de structura de tip multistrat, care împiedică propagarea fisurilor, crăpăturilor și spărturilor în adâncimea straturilor, rezultate 27 în urma uzării, sporind astfel durabilitatea și performanțele materialelor acoperite.

Materialul de acoperire multistrat care face obiectul invenției prezintă, comparativ cu 29 monostraturile, tensiuni mecanice reduse datorită alternării straturilor individuale din structura depunerii, o aderență sporită la substrat, duritate superioară și rezistență la uzură. Existența 31 stratului de SiC determină creșterea rezistenței la oxidare și stabilitatea caracteristicilor tribologice la temperaturi înalte, specifice funcționării matrițelor de injecție a termoplasticelor. 33 Materialul multistrat de carburi, conform invenției, este realizat din straturi subțiri individuale, alternate, cu grosimi totale cuprinse între 2 și 5 pm. Grosimile perechilor de straturi subțiri 35 sunt cuprinse între 10 și 30 nm, având raportul grosimilor straturilor individuale (E₁E₂...E₅)C/SiC cuprins între 1 și 4. 37

Straturile subțiri alternate sunt cvasistoichiometrice, astfel încât concentrația de carbon c_c și cea a metalelor (E, ₌₁ ⁵-cEi), respectiv, a siliciului cSi sunt cele din relațiile: 39 0,9 < cc/(Zj =1⁵cEi) <1,1, respectiv: 0,9 < c_c/c_Si <1,1.

Un exemplu de realizare a materialul multistrat este cel constituit din 200 de straturi 41 alternate de carburi cvasistoichiometrice de (MoNbTaTiZr)C și de SiC, primul strat de (MoNbTaTiZr)C fiind depus direct pe suportul metalic, iar ultimul strat depus fiind cel de SiC. 43 Toate straturile individuale din componența multistratului sunt cvasistoichiometrice (0,9<c_c/(c_Mo+c_Nb+c_Ta+c_Ti+c_Zr)<1,1), respectiv, 0,9<c_c/c_Si< 1,1, având aproximativ aceeași 45 grosime, grosimea totală a materialului multistrat fiind de 3 pm. Materialul multistrat prezintă o aderență la substratul metalic de 44 N, determinată prin testul de aderență prin zgâriere 47 (scratch test), o microduritate Vickers de 34 GPa, un coeficient de frecare în mediu uscat de 0,1 și o rată de uzare în mediu uscat de 6-10^-8 mm³N'¹m'¹. 49

RO 130254 Β1

Un alt exemplu de realizare este cel constituit din 150 de straturi alternate de carburi cvasistoichiometrice de (TiNbNiZrY)C și de SiC, primul strat de (TiNbNiZrY)C fiind depus direct pe suportul metalic, iar ultimul strat depus fiind cel de SiC. Toate straturile individuale din componența multistratului sunt cvasistoichiometrice (0,9<c_c/(c_Ti+C_Nb+C_Ni+C_Zr+C_Y) < 1,1), respectiv: 0,9<c_c/c_Si< 1,1, având raportul grosimilor (TiNbNiZrY)C/SiC de 3, grosimea totală a materialului multistrat fiind de 3,6 pm. Materialul multistrat prezintă o aderență la substratul metalic de 48 N, determinată prin testul de aderență prin zgâriere (scratch test), o microduritate Vickers de 36 GPa, un coeficient de frecare în mediu uscat de 0,12 și o rată de uzare în mediu uscat de 10^_7mm³N'¹m·¹.

Materialul multistrat este obținut într-o plasmă reactivă care conține atomi și ioni de metale, siliciu și carbon, la presiuni cuprinse între 5x10^-2 și 1 Pa, la temperaturi ale substratului pe care se face depunerea cuprinse între 80° și 150°C, ceea ce nu determină modificări structurale ale acestuia, timpul de depunere fiind cuprins în intervalul: 180...360 min.

Materialul multistrat prezintă aderență ridicată la substrat, forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere (scratch test) fiind de 42...50 N. Materialul multistrat conform invenției are microdurități Vickers cuprinse în intervalul 32...38 GPa, coeficienți de frecare în mediu uscat mai mici de 0,15, și rate de uzare în mediu uscat mai mici de 2x10'⁷mm³ N’¹m’¹.

Claims (3)

1. Revendicări 1

   1. Material tip multistrat, pentru aplicații tribologice la temperaturi înalte, format din 3 dispunerea alternativă, repetată, a două straturi subțiri dure, obținute prin metoda depunerii din stare de vapori, formate din carburi cvasi-stoichiometrice, unul dintre straturi fiind carbura 5 unui aliaj cu înaltă entropie, cu formula generală (E₁E₂...E₅)C, elementele (Ε_ή...E₅) fiind din seria: Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, caracterizat prin aceea că stratul format din carbura unui aliaj 7 cu înaltă entropie mai poate conține și Cr, Ni și/sau Y, iar al doilea strat este carbura de siliciu, SiC. 9
2. 2. Material tip multistrat, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că are o grosime totală cuprinsă între 2 și 5 pm, o duritate Vickers cuprinsă în domeniul 32...38 GPa 11 și o bună aderență la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere fiind de 42...50 N. 13
3. 3. Material tip multistrat, conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că prezintă în mediu uscat un coeficient de frecare mai mic de 0,15, și o rată de uzare mai mică 15 de 10'⁷mm³N^_1m·¹.