RO130355A2 - Straturi subţiri din carburi ale aliajelor de înaltă entropie pentru aplicaţii tribologice şi anticorozive - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la materiale de acoperire nanocompozite, depuse în straturi subţiri dure, utilizate pentru creşterea duratei de exploatare a pieselor şi componentelor industriale supuse la uzură şi coroziune. Materialele conform invenţiei sunt formate din carburi cvasistoechiometrice (conform formulei) sau din carburi suprastoechiometrice (conform formulei) ale aliajelor de înaltă entropie, descrise prin formula generală (E, E, ...E)C, unde E...Esunt elementele metalice şi nemetalice Cu, Si, Nb, Y şi Zr, aflate în concentraţii atomice aproximativ egale, straturile subţiri fiind obţinute printr-o metodă de depunere din fază fizică de vapori, cum sunt pulverizarea magnetron sau arcul catodic, într-o plasmă reactivă care conţine atomi şi ioni metalici şi nemetalici cu aderenţă ridicată la substrat, forţele normale critice măsurate la testul de aderenţă prin zgâriere fiind de 32...45 N, au o duritate cuprinsă în intervalul 20...32 GPa, o rugozitate medie < 10 nm, în mediul uscat prezentând coeficienţi de frecare în domeniul 0,1...0,4 şi rate de uzare ≤ 1,2 x 10mmNm, iar în soluţie salină normală 0,9% NaCl, coeficienţi de frecare în domeniul 0,07...0,15, rate de uzare ≤ 3 x 10, cu curenţi de coroziune < 0,8 μA/cmşi rezistenţe de polarizare mai mari de 95 kΩ.

Description

STRATURI SUBȚIRI DIN CARBURI ALE ALIAJELOR DE ÎNALTĂ ENTROPIE PENTRU APLICAȚII TRIBOLOGICE ȘI ANTICOROZIVE

DESCRIERE

Invenția se referă la materiale din straturi subțiri din carburi cvasistoechiometrice sau suprastoechiometrice ale aliajelor de înaltă entropie [1], care includ în afară de carbon, cinci elemente aflate în concentrații atomice aproximativ egale: niobiu, zirconiu, cupru, ytriu și siliciu, straturile obținute printr-o tehnologie de depunere fizică din fază de vapori având duritate ridicată, aderență bună la substrat, rezistență superioară la uzură și coroziune, frecare redusă, fiind utilizabile pentru protecția reperelor din oțel ce funcționează în condiții severe de uzură și coroziune.

In prezent se cunosc carburi ale elementelor de tranziție, în sisteme binare - de exemplu TiC și ZrC; ternare - de exemplu TiZrC, care au fost extensiv analizate din punct de vedere al proprietăților lor microchimice, microstructurale, mecanice și tribologice, fiind considerate ca având un potențial aplicativ deosebit pentru acoperirea diverselor componente utilizate în industriile constructoare de mașini, chimică, electrotehnică, electronică, optică etc. Performanțele superioare din punct de vedere al caracteristicilor mecanice și de rezistență la oxidare și la coroziune ale aliajelor de înaltă entropie [1 - 3] au dus la dezvoltarea straturilor subțiri metalice [4, 5], de nitruri [6 - 9] și, mai recent, de carburi ale acestora [10, II], în momentul de față, se cunosc diferite procedee de îmbunătățire a performanțelor straturilor proiective dure din nitruri, carburi sau carbonitruri ale metalelor de tranziție. Astfel, adăugarea unor cantități relativ mici, cuprinse între 2 și 15% at., de siliciu sau alte metale în compoziția straturilor s-a dovedit a fi o metodă eficientă de creștere a durității, a performanțelor tribologice [12-23] și a rezistenței la coroziune.

îmbunătățirea proprietățile straturilor subțiri de carburi cvasistoechiometrice sau suprastoechiometrice ale aliajelor de înaltă entropie, care fac obiectul invenției, comparativ cu a celor care au in compoziție un singur element metalic principal și unu sau două elemente metalice in concentrații inferioare elementului metalic principal, sunt determinate de formarea unor soluții solide în stare de echilibru, care formează structuri nanocompozite având o structură amorfa, ceea ce determină valori înalte ale durității, aderenței și rezistenței la coroziune, valori scăzute ale coeficientului de frecare și a ratei de uzare, precum și creșterea rezistenței la coroziune în soluții saline normale (0,9% NaCl).

pagina -12 Ο 1 3 Ο ο 7 2 1 - Ο 3 -10- 2013

Problema tehnică pe care își propune să o rezolve invenția constă în creșterea performanțelor in exploatare și a duratei de viață a pieselor și componentelor industriale supuse la procese concomitente de uzură și coroziune, cum ar fi pinioanele și roțile de lanț de la pompele de apă, inelele de etanșare din industria chimică, supapele utilizate în industria extractivă și cea a construcțiilor de mașini etc.

Materialele din straturi subțiri, conform invenției, rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că prezintă durități superioare și rezistență sporită la coroziune și uzură, fiind constituite din carburi cvasistoechiometrice sau suprastoechiometrice a aliajelor de înaltă entropie, descrise prin formula generală (EiE₂E₃E₄E₅)C, unde raportul dintre concentrația de carbon (ce) și suma concentrațiilor elementelor E, (Σ^=ι^ε£ί) poate varia între 0,9 și 1,5, iar elementele Ei=Cu, E₂=Si, E₃=Nb, E₄=Y și E_s=Zr au concentrații atomice aproximativ egale cu o valoarea ideală de (Σί=ι ^ceî)/5, abaterea de la aceasta fiind de maximum 10%.

Materialele de acoperire, conform invenției, prezintă următoarele avantaje: duritate ridicată; aderență bună la substratul din oțel; nu modifică tipodimensiunea reperelor acoperite; nu afectează caracteristicile structurale ale materialului substrat; prezintă atât in mediu uscat cât și în soluție salină normală un comportament bun la frecare și o bună rezistență la uzură și coroziune.

Materialul, conform invenției, este obținut printr-o metodă de tip depunere din fază fizică de vapori (pulverizare magnetron, arc catodic) într-o plasmă reactivă care conține atomi și ioni metalici (cupru, niobiu, ytriu și zirconiu) și nemetalici (carbon și siliciu). Temperaturile substratului pe care se face depunerea sunt cuprinse între 100° și 400° C, ceea ce nu determină modificări structurale ale acestuia, iar timpul de depunere fiind cuprins între 90 și 240 min.

Invenția este prezentată în continuare în mod detaliat.

Materialele, conform invenției, au o grosime cuprinsă între 1 și 4 pm și sunt realizate din carburile a 5 elemente E, (Cu, Si, Nb, Y și Zr) prezente în concentrații atomice aproximativ egale, cu un interval larg de stoechiometrie, având rapoartele intre concentrațiile carbonului și ale celorlalte elemente Ej, atât cvasistoechiometrice - 0,9<θ(Τ(Σ^=ι Ceî)^<1,1, cât și suprastoechiometrice - 1, 1< cc /(ΣΡ=ι C£t)-L5. Materialele sunt aderente la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 32 - 45 N, prezintă o duritate cuprinsă între 20 - 32 GPa și o rugozitate medie < 10 nm. Materialele prezintă un coeficient de frecare in mediu uscat cuprins în domeniul 0,1.....0,4, și în domeniul

0,07.......0,25 pentru frecare în soluție salină normală. Materialele prezintă o rată de uzare în

pagina -2<\“2O13 ^0721-ο 3 -10- 2013 mediu uscat în domeniul 1,2x10 ⁵.....5^10 ⁷ mm³N 'm ’, iar în soluție salină în domeniul

3x IO ⁵.....9χ IO^-7 mm’N 'm¹. Materialele prezintă valori ale curenților de coroziune i_COr [24] și rezistentelor de polarizare R_p [24] în soluție salină normală cuprinse între 0,4.....0,8 pA/cm²și respectiv, 95.....248 kQ.

Un exemplu de realizare a materialului, conform invenției, este cel constituit dintr-un strat de (CuSiNbYZr)C, cvasistoechiometric - cc/(cc_u+csi+cNb+cY+cz_r)⁼0,92, cu o grosime a stratului de 4 pm, forța normală critică măsurată la testul de aderență prin zgariere (“scratch test”) de 45 N, microduritate de 21 GPa, rugozitate medie de 9 nm, coeficient de frecare în mediu uscat de 0,4, coeficient de frecare în soluție salină normală de 0,25, rată de uzare în mediu uscat de 1,2^χ10 ³ mm³N^_lm rată de uzare în soluție salină normală de 3^χ10”⁵ mmVm¹, curent de coroziune i_cor și rezistență de polarizare R_p în soluție salină normală de 0,8 μΑ/cm² și respectiv de 98 kQ.

Materialul de acoperire, în altă variantă, este constituit dintr-un strat de (CuSiNbYZr)C, suprastoechiometric - Cc/(cc_u+csi+cNb+cY+czr)⁼l,3, cu o grosime a stratului de 3 pm, forța normală critica măsurată la testul de aderență prin zgariere (“scratch test”) de 33 N, duritate de 30 GPa, rugozitate medie de 4 nm, coeficient de frecare în mediu uscat de 0,15, coeficient de frecare în soluție salină normală de 0,08, rată de uzare în mediu uscat de 8 x|0 mm N m , rată de uzare în soluție salină normală de 10 mm N m , prezentând în soluție salină normală un curent de coroziune icor = 0,5 μΑ/cm² și o rezistență de polarizare Rp = 234 kQ.

Claims (4)

1. Materiale din straturi subțiri dure, obținute printr-o tehnologie de depunere din fază fizică de vapori, caracterizate prin aceea că reprezintă carburi ale aliajelor de înaltă entropie, fiind descrise prin formula generală (Ε,Ε?Es)C, unde C reprezintă carbonul iar Ei E₅ sunt elemente metalice și nemetalice - Cu, Si, Nb, Y, Zr, Si, în concentrații atomice Ceî aproximativ egale, carburile prezentând un interval larg de stoechiometrie 0,9<ec/(Ej=iⁿCEi)<l ,5.

2. Materiale, conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că au o grosime totală a stratului cuprinsă între I și 4 pm, o rugozitate medie mai mică de 10 nm, prezintă o duritate cuprinsă în domeniul 20......32 GPa și sunt aderente la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 32 -45 N.

3. Materiale, conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că prezintă în mediu uscat un coeficient de frecare cuprins în domeniul 0,1.....0,4 și o rată de uzare cuprinsă în domeniul l,2*10^-5.....5x10 ⁷ mm³N^_lm^_1, iar în mediu coroziv de soluție salină normală un coeficient de frecare cuprins în domeniul 0,07......0,15 și o rată de uzare cuprinsă în domeniul 3x10 ⁵.....9x10 ⁷ mm³N ’m

4. Materiale, conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că prezintă în soluție salină normală curenți de coroziune și rezistențe de polarizare cuprinse în domeniul

0,4.....0,8 pA/cm²și respectiv, 95.....248 kQ.