RU2409703C1 - Способ нанесения покрытий в вакууме на изделия из электропроводных материалов и диэлектриков - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способу нанесения покрытий в вакууме на изделия из электропроводных материалов или диэлектриков. Способ включает очистку и активацию поверхности изделий перед нанесением покрытия газовыми ионами, получаемыми в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, электродуговое распыление катодной мишени и осаждение получаемого потока на изделия в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом. После очистки и активации на поверхность изделий осаждают связующий подслой магнетронным распылением катодной мишени из материала задаваемого компонентного состава. Затем формируют промежуточный переходной слой одновременным магнетронным и электродуговым распылением катодных мишеней и осаждением получаемого смешанного потока на связующий подслой в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе, при постепенном снижении тока магнетронного разряда до ноля. В результате обеспечивают получение изделия с покрытием, обладающего улучшенной работоспособностью в жестких условиях эксплуатации. 1 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в технологиях нанесения разнообразных функциональных покрытий (декоративных, защитных, антифрикционных, износостойких) на изделия из электропроводных материалов и диэлектриков.

Для получения высоких эксплуатационных характеристик функциональных покрытий необходимо обеспечить ряд требований, важнейшими из которых являются: достаточно плавный переход твердости и коэффициента термического расширения от основы к покрытию, химическое сродство подложки и осаждаемого материала покрытия, хорошая адгезия (сцепление) покрытия с подложкой, отсутствие выраженных неоднородностей и дефектов в покрытии. Распространенным методом решения указанной задачи является формирование связующих переходных подслоев и многослойной структуры покрытия.

Известен способ нанесения коррозионностойких покрытий на нержавеющие марки сталей (авторское свидетельство СССР 1400137, С23С 14/40, 1985.04.08, ДСП), включающий нанесение высокотвердых износостойких покрытий из нитридов или карбидов тугоплавких металлов в вакуумном дуговом разряде. В известном способе перед нанесением износостойкого покрытия формируют подслой переходной твердости вакуумно-дуговым распылением нержавеющей стали в среде азота и углерода при общем давлении (5,3-6,65)×10^-2 Па и температуре 500-550°С. Достоинством подслоя из азотированной и науглероженной стали является его повышенная твердость по отношению к покрываемой подложке, а наличие переходной твердости подслоя позволяет повысить общую пластичность всего упрочненного слоя.

Недостатком известного способа является то, что при вакуумном дуговом формировании подслоя в рабочем потоке испаряемого материала (нержавеющая сталь) неизбежно присутствует капельная фаза, а наличие микрокапель в осаждаемом материале снижает прочность сцепления подслоя с подложкой и эффективность защитного действия всей композиции подслой-покрытие.

Известен способ химического или физического осаждения из пара покрытия из карбида титана (TiC) на стальную подложку (заявка Японии 61-213369, С23С 14/06, публ. 1986.09.22), включающий предварительную имплантацию в стальную основу ионов Ti дозой 5×10¹⁶ ион/см² при ускоряющем напряжении 40 кВ. Предварительная имплантация ионов титана перед осаждением карбида титана способствует повышению адгезии осаждаемого покрытия к подложке.

Недостатками известного способа являются направленность ионного пучка при имплантации и малая площадь обрабатываемой поверхности в используемом методе предварительной ионно-лучевой модифицирующей обработки. Эти факторы препятствуют обработке изделий со сложно-разветвленными полузакрытыми поверхностями и ограничивают производительность процесса.

Известен способ нанесения металлических покрытий на диэлектрики (заявка 2007126920/02, С23С 14/35, публ. 2009.01.20), включающий предварительную обработку и активацию поверхности диэлектрика бомбардировкой ионами аргона, нанесение проводящего слоя меди толщиной 1 мкм путем магнетронного напыления и последующее нанесение слоя серебра толщиной 4 мкм магнетронным напылением или гальваническим осаждением. Предварительная активация поверхности ионной бомбардировкой способствует увеличению сцепления медного подслоя с диэлектрической подложкой.

Недостатками известного способа являются низкая скорость осаждения слоя серебра выраженной толщины (4 мкм) при магнетронном напылении или необходимость разрыва процесса между вакуумно-магнетронным напылением подслоя меди и последующим гальваническим осаждением серебра, что ограничивает производительность предлагаемого способа.

Известен способ нанесения композиционных покрытий на изделия из металла, стекла и керамики (патент РФ №2146724, С23С 14/06, 14/35, публ. 2000.03.20), выбранный в качестве прототипа. Известный способ включает высокопроизводительное электродуговое распыление катодной мишени и осаждение получаемого потока на изделия в атмосфере реакционноспособного газа, предварительного ионизированного в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом при давлении от 0,01 Па до 5 Па и токе разряда от 10 А до 300 А. Перед нанесением покрытия поверхность изделий очищают и активируют газовыми ионами плазмы несамостоятельного дугового разряда с током от 10 А до 300 А.

Использование для очистки и активации поверхности подложки плазмы несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, характеризуемого высокой концентрацией ионов в пристеночном слое пространственного заряда у поверхности и высокой степенью однородности распределения (не хуже 20% от среднего значения), позволяет осуществлять более эффективную, по сравнению с лучевыми методами, предварительную обработку изделий сложной формы. А осуществляемая в процессе осаждения покрытия обработка поверхности плотной низкотемпературной газоразрядной плазмой препятствует формированию высокоэнергетического структурного состояния, снижает плотность дефектов по типу дислокации, дисклинаций и уровень внутренних напряжений в растущем покрытии. При этом повышается вероятность протекания плазмохимических реакций синтеза требуемых соединений в материале покрытия.

Недостатком способа-прототипа является неизбежное ослабление адгезии (сцепления) покрытия с подложкой вследствие наличия капельной фазы в рабочем потоке вещества при электродуговом распылении катодной мишени. Осаждение капель на поверхности подложки особенно отрицательно сказывается на первоначальном этапе формирования покрытия, т.к. капли представляют собой, по существу, локальные макродефекты структуры, характеризуемые ослабленной связью с материалом основы, а наращиваемый в дальнейшем слой покрытия повторяет морфологию этого дефектного подслоя. К тому же в способе-прототипе не предусмотрены технологические операции, обеспечивающие относительно плавный переход состава и физико-механических свойств от подложки к покрытию, что снижает эффективность защитно-упрочняющего действия покрытий в жестких условиях эксплуатации изделий, в частности, при ударных механических нагрузках и термоциклировании.

Задачей настоящего изобретения является разработка вакуумного способа нанесения функциональных покрытий различного назначения на изделия из материалов разной степени электропроводности (металлов, сплавов, керамики, стекла, капролона и т.д.), обеспечивающего высокую адгезию покрытия с подложкой, задаваемое изменение состава и физико-механических свойств от основы к покрытию и, в конечном счете, повышение эффективности защитно-упрочняющего действия покрытий в разнообразных условиях эксплуатации изделий.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый способ, как и способ-прототип, включает предварительную очистку и активацию поверхности изделия газовыми ионами, получаемыми в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, и высокопроизводительное осаждение покрытия путем электродугового распыления катодной мишени в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе этого же типа, но отличается от прототипа тем, что после очистки и активации поверхности, перед электродуговым осаждением покрытия, на изделие наносят связующий подслой магнетронным распылением мишени из материала целенаправленно задаваемого компонентного состава в атмосфере газа, также предварительно ионизированного в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом.

Другими отличиями от прототипа является то, что:

- на нанесенный связующий подслой осаждают промежуточный переходной слой одновременным магнетронным и электродуговым распылением соответствующих (методу распыления) катодных мишеней в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе; при этом осаждение получаемого смешанного магнетронно-дугового потока на связующий подслой проводят при постепенном снижении тока магнетронного разряда до ноля;

- магнетронное распыление и нанесение связующего подслоя на поверхности изделий из электропроводных материалов проводят при понижении ускоряющего потенциала на изделии от значений, используемых при очистке и активации поверхности, до величины, используемой затем при формировании промежуточного переходного слоя покрытия.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. В рабочей камере промышленной установки электродугового нанесения покрытий ННВ 6.6-И1 на посадочное место, расположенное в верхней крышке камеры, устанавливают газовый плазмогенератор на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, а взамен одного из трех электродуговых испарителей, расположенных на боковых стенках камеры, устанавливают магнетронный источник плазмы с планарной мишенью. Для повышения производительности и расширения технологических возможностей установки на это посадочное место может быть установлен магнетрон с двумя распыляемыми мишенями (дуомагнетрон). В соответствие с решаемой технологической задачей и с учетом вида наносимого покрытия на электродуговые испарители и магнетрон устанавливают соответствующие катодные мишени. В камере установки создают предварительный вакуум порядка 5×10^-5 мм рт.ст.(6,6×10^-3 Па). Затем через газовый плазмогенератор в камеру вводят аргон до давления 1×10^-3-2×10^-3 мм рт.ст.(1,33×10^-1-2,66×10^-1 Па); изменением тока накала катода от 0 до 200 А регулируют ток разряда плазмогенератора и плотность газоразрядной плазмы. Обрабатываемому изделию придают вращение и проводят ионную очистку и активацию поверхности. При этом интенсивность ионной очистки и температуру нагрева изделия регулируют током разряда газового плазмогенератора, т.е. плотностью тока ионов аргона - от 0 до 5 мА/см². Если изделие изготовлено из электропроводящего материала, на него подают отрицательный потенциал смещения, изменяя его значение в пределах 50В - 1500В, также в зависимости от чистоты обрабатываемой поверхности и требуемой температуры нагрева подложки.

По окончании процесса очистки с активацией поверхности и достижении требуемой температуры изделия, не выключая газового плазмогенератора и только, при необходимости, меняя рабочий газ (например, переходя на смесь аргона и азота для ионно-плазменного синтеза нитридов) и давление в камере, поджигают магнетронный разряд, с помощью которого формируют рабочий поток, содержащий ионы и атомы распыляемого материала магнетронной мишени-катода. Получаемый поток, в отличие от способа-прототипа, характеризуется отсутствием капельной фазы, что способствует повышению адгезии осаждаемого подслоя к подложке и однородности его структуры. Совмещение магнетронного осаждения с предварительной ионизацией атомов рабочего газа, осуществляемой плазмогенератором с накаленным катодом, позволяет за счет дополнительной ионной бомбардировки газовыми ионами интенсифицировать процессы диффузии, регулировать температуру подложки в более широких пределах и повысить вероятность протекания плазмохимических реакций синтеза, что, в конечном счете, также способствует повышению адгезии покрытия и его качества. В случае нанесения покрытия на подложку из электропроводящего материала формирование связующего подслоя магнетронным распылением, совмещенным с предварительной ионизацией рабочего газа в плазмогенераторе, осуществляют, не снимая отрицательного потенциала смещения на подложке. При этом в начальной стадии процесса формирования подслоя используют значение ускоряющего потенциала смещения, равного максимальному значению на предшествующей стадии очистки и активации поверхности. Это обеспечивает интенсивное энергетическое воздействие за счет ионной бомбардировки, эффекты ионного перемешивания (миксинга) на границе раздела подложка - осаждаемый материал, размытие этой границы по компонентному составу и дополнительное увеличение степени сцепления связующего подслоя с подложкой. Далее потенциал смещения при магнетронном осаждении подслоя на электропроводящей подложке снижают до значений, характерных для последующей стадии формирования переходного магнетронно-дугового слоя покрытия.

По окончании процесса осаждения связующего подслоя поджигают электродуговой разряд и, не выключая магнетронного источника и газового плазмогенератора, формируют переходной слой покрытия осаждением смешанного магнетронно-дугового потока вещества. Перемешивание осаждаемых атомов и обработка поверхности плотной газоразрядной плазмой способствует размытию структурной границы между магнетронным и электродуговым слоями, а также границы по компонентному составу в случае использования разных по составу катодных мишеней для магнетронного и электродугового распыления. Для обеспечения более плавного изменения структуры и компонентного состава от связующего подслоя к внешнему слою покрытия, при формировании переходного слоя значение тока магнетронного разряда постепенно снижают до ноля. Если позволяют технические возможности используемого оборудования, ток электродугового разряда, наоборот, можно постепенно увеличивать от минимального значения, обеспечивающего стабильность горения этого разряда, до рабочего значения, используемого на финишной стадии осаждения внешнего слоя.

Осаждение внешнего слоя покрытия проводят, как и в способе-прототипе, электродуговым распылением катодной мишени в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом. При этом можно использовать один или два электродуговых испарителя - для повышения производительности процесса. По окончании процесса осаждения плазменные источники выключают, а изделия остужают в вакуумированной камере до температуры порядка 50-100°С.

Сформированная по вышеописанному технологическому алгоритму в условиях ассистирующего воздействия газоразрядной плазмы квазимонолитная композиция основа - связующий магнетронный подслой, переходный магнетронно-дуговой слой и внешний электродуговой слой выраженной толщины обеспечивает лучшую работоспособность изделия в жестких условиях эксплуатации.

Реализация способа может быть иллюстрирована следующими примерами.

Пример 1.

В качестве подложки использовали цилиндрические образцы нержавеющих сталей Х13 и 12Х18Н10Т диаметром 30 мм и толщиной 4 мм. Образцы предварительно пришлифовывали и полировали алмазной пастой зернистостью 1/0. После предварительной химической очистки в бензине и ректификационном спирте образцы загружали в вакуумную камеру от установки ННВ-6.6-И1. В этой установке вместо одного электродугового испарителя, расположенного на дверце камеры (загрузочном люке), был смонтирован дуомагнетрон с двумя распыляемыми планарными мишенями, а на верху, на посадочном месте крышки камеры, смонтирован газовый плазмогенератор на основе несамостоятельного разряда с накаленным катодом. На магнетрон были установлены две составные мишени, каждая из которых представляет собой дискообразное основание диаметром 120 мм и толщиной 7 мм, выполненное из титанового сплава ВТ-5, в центре которого, на заглубленном на 5 мм месте, закреплен диск из хрома диаметром 70 мм. Выбор диаметра хромового диска-вставки обусловлен заранее выявленным значением диаметра зоны эффективного распыления в используемой магнетронной системе. На два электродуговых испарителя, расположенных на боковых стенках камеры, заранее были установлены катодные мишени из титанового сплава ВТ-1-0. Камеру вакуумировали до давления 5×10^-5 мм рт.ст. (6,65×10^-3 Па), затем через газовый плазмогенератор напускали аргон до давления 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па), поджигали газовый разряд и, регулируя ток накала вольфрамового катода, устанавливали ток газового разряда 20 А. Образцам, закрепленным в центре поворотного стола камеры, задавалось вращение с угловой скоростью 5 об/мин. На поворотный стол с образцами подавали первоначальное отрицательное напряжение (потенциал смещения) 50 В, которое в течение 10 минут повышали до 600 В и далее поддерживали 20 минут при этом значении, обеспечивая очистку и активацию поверхности образцов. После этого, не выключая газового плазмогенератора и при том же значении напряжения смещения (600 В), зажигали разряд на обеих мишенях дуомагнетрона с током разряда 2,5 А на каждой. В течение 5 минут напряжение смещения постепенно понижали от 600 В до 200 В, а далее проводили магнетронное осаждение хрома на образцы при напряжении 200 В в течение 10 минут при одновременном ассистирующем воздействии газового плазмогенератора. Ток разряда газового плазмогенератора при этом увеличивали до 50 А с целью поддержания температуры образцов не ниже 350-400°С. По окончании процесса осаждения хромового подслоя заменяли подаваемый в плазмогенератор аргон на азот, включали вначале один электродуговой испаритель, а затем второй с распыляемыми титановыми мишенями и, не выключая дуомагнетрон, формировали переходной слой осаждением смешанного титано-хромового потока на образцы-подложки. При этом ток газового разряда понижали до 20-10 А, а напряжение смещения до 150-100 В с целью предупреждения нагрева образцов свыше 400°С. В течение 5 минут ток магнетронного разряда на обеих мишенях постепенно уменьшали с 2,5 А до ноля и выключали дуомагнетрон. После этого на переходной слой осаждали электродуговой слой покрытия TiN при токе разряда на обоих электродуговых испарителях 80 А с ассистирующим воздействием газового плазмогенератора с током разряда 20 А при напряжении смещения 100 В. Время осаждения электродугового внешнего слоя составляло 10 минут. Далее выключали электродуговые испарители и газовый плазмогенератор, и при работающем диффузионном насосе осуществлялось охлаждение образцов до температуры порядка 100°С. Образцы извлекали из камеры установки и исследовали свойства полученного композиционного покрытия. Сравнительные исследования методом травления в плавиковой кислоте показали, что на образцах обеих марок нержавеющих сталей при выдержке в кислоте в течение 10 минут следов разрушения покрытия (визуальным контролем при увеличении оптической лупы х4) не обнаруживается. В то же время при такой выдержке в плавиковой кислоте поверхность покрытия TiN, полученного традиционным методом КИБ без хромового магнетронного подслоя и ассистирующего воздействия газового плазмогенератора, носит следы явного травления и локального отслоения. Такое покрытие после травления легко снимается полировкой алмазной пастой, чего не наблюдается в случае полировки покрытия, полученного по заявляемому способу. Испытания на адгезионную прочность полученного по заявляемому способу покрытия (методом на отрыв) показали значение адгезии в пределах 200 кг/см², что не уступает адгезии покрытий, полученных по способу-прототипу. Сравнительные исследования отпечатков индентора Роквелловского прибора при нагрузке 150 кг показали, что площадь микросколов вокруг отпечатка покрытия, нанесенного по заявляемому способу, на 30-40% меньше площади сколов покрытия, получаемого по способу-прототипу при идентичных режимах предварительной очистки и электродугового осаждения нитрида титана, что свидетельствует о более высокой общей пластичности первого варианта многослойного покрытия. Полученные результаты исследований подтвердили высокую эффективность заявляемого способа по повышению химической стойкости и механической прочности получаемых композиционных покрытий, что послужило основанием для использования нового способа при нанесении покрытий Cr-TiN на зубопротезные изделия (коронки, мосты, кламеры) в ОАО «Организация «Технотрон».

Пример 2.

На установке, описанной в примере 1, на образцы стали 40Х в виде дисков диаметром 40 мм и толщиной 4 мм, термообработанных на твердость HRC 43-45, были нанесены антифрикционные покрытия системы TiC-MoS₂, осажденные по способу-прототипу и нанесенные по заявляемому способу с магнетронным подслоем из титана и переходным слоем Ti+TiCMoS₂. Осаждение покрытий осуществляли в обоих случаях в амосфере ионизированного в плазмогенераторе аргона при рабочем давлении в камере 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па). Электродуговое осаждение с ассистирующим воздействием газового плазмогенератора в обоих случаях проводили при одинаковых параметрах процесса: два работающих испарителя с током разряда 90 А на каждом, ток разряда газового плазмогенератора 10 А, напряжение смещения 100-50 В (варьировали для поддержания температуры образцов не выше 350-370°С с целью предотвращения отпуска закаленной стали 40Х ниже HRC 40), время осаждения 30 минут. В обоих случаях использовали одни и те же катодные мишени, представляющие собой многофазный материал системы TiC-MoS₂, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с одновременным компактированием. Режимы процесса предварительной ионной очистки и активации поверхности образцов с помощью газового плазмогенератора также были идентичными для обоих примененных способов: рабочее давление аргона составляло 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па), ток разряда повышался с 10 до 40 А, напряжение смещения - с 50 до 900 В, время очистки составляло 30 минут. В обоих случаях на этой стадии процесса температуру образцов поддерживали не превышающей 350-370°С. В отличие от способа-прототипа, во втором случае, по заявляемому способу, после ионной очистки осуществляли процесс формирования связующего подслоя магнетронным распылением двух мишеней из титанового сплава ВТ-1-0 с током разряда 3 А на каждой. Общее время формирования подслоя составляло 15 минут, из которых 10 минут проводили процесс при постепенном понижении напряжения смещения с 900 В до 200 В, а 5 минут проводили осаждение при постоянном напряжении 200 В. Ток ассистирующего газового разряда при этом оставался прежним - 40 А. По истечении 5 минут, после стадии магнетронного осаждения связующего подслоя формировали переходной слой. Не выключая дуомагнетрон, зажигали разряд вначале на одном электродуговом испарителе, а затем на втором с катодными мишенями состава TiC-MoS₂. Общее время формирования переходного слоя составляло 10 минут. В течение этих 10 минут ток разряда обеих магнетронных мишеней постепенно понижали с 3 А до ноля, ток ассистирующего газового разряда с 40 А до 10-5 А, а напряжение смещения до 100-50 В. Одновременное варьирование тока разряда газового плазмогенератора и напряжения смещения обеспечивало поддержание температуры в пределах 350-370°С. После формирования переходного слоя осаждался внешний электродуговой слой покрытия по режимам, указанным выше. Образцы, на которые были нанесены покрытия по способу-прототипу и по заявляемому способу были первоначально исследованы методом оже-спектроскопии. Проведенный оже-спектральный анализ на приборе «Шхуна-2» подтвердил наличие титанового подслоя толщиной около 150 нм и факт диффузии титана в поверхностный слой основы образца, обработанного по заявляемому способу, на расстояние порядка 350 нм от границы раздела основа-покрытие. Несомненно, что это способствовало повышению адгезии (сцепления) сформированного подслоя с основой образца стали 40Х. Оже-спектральный анализ подтвердил и более плавное изменение концентрации титана за счет сформированного переходного слоя покрытия толщиной порядка 400 нм, нанесенного по заявляемому способу, по сравнению с покрытием, нанесенным по способу-прототипу. Сравнительные визуальные исследования Роквелловских отпечатков индентора, полученных при нагрузке 150 кг, также подтвердили преимущества заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом. На покрытии, полученном по заявляемому способу, не были зафиксированы следы отслоения или выкрашивания приграничной к границе отпечатка области (при увеличении лупы х4), в то время как на покрытии, осажденном по способу-прототипу, такие отслоения наблюдались, и их площадь составляла 20-30% от площади основного отпечатка. Проведенные сравнительные исследования изменения коэффициента трения со временем испытаний по схеме неподвижный индентор (шарик из закаленной на HRC 62 стали ШХ-15) - вращающийся диск из стали 40Х с покрытием показали следующее. При нагрузке на индентор 10 г коэффициент трения для покрытия, осажденного по способу-прототипу, в течение 10 минут испытания повышается от 0,08 до 0,1, в то время как для покрытия, нанесенного по заявляемому способу, коэффициент трения за это же время испытаний остается постоянным и составляет 0,08. Еще большая разница между триботехническими свойствами указанных покрытий обнаруживается при увеличении нагрузки на индентор до 100 г. За 30 минут испытаний коэффициент трения покрытия, сформированного по заявляемому способу, увеличился с 0,15 до 0,18, в то время как на покрытии, полученном по способу-прототипу, коэффициент трения уже изначально составлял 0,18, а через три минуты испытаний проявились признаки схватывания испытуемого образца с индентором, проявляющиеся в характерном звуке визжащего характера, периодическом радиальном перемещении индентора относительно дорожки износа покрытия и периодическом увеличении коэффициента трения до 0,23-0,25. Такие эффекты, очевидно, обусловлены циклически-ударными воздействиями индентора на покрытие, связанными с шероховатостью поверхности, и, как следствие, большей вероятностью разрушения покрытия, осажденного по способу-прототипу вследствие его худшей адгезии с основой и меньшей пластичностью.

Высокие функциональные свойства антифрикционного комбинированного покрытия, полученного по заявляемому способу, были подтверждены в ООО «НПП ТЭК» на стендовых испытаниях редуктора РКЦ-300 с конической передачей, в которой обе сопрягаемые шестерни были изготовлены из стали 40Х и закалены приблизительно на одинаковую твердость - HRC 43-45 для шестерни большего диаметра и HRC 45-47 для шестерни меньшего диаметра. Производственной проблемой являлось то, что после 5000 циклов испытаний, в условиях недостаточного объема смазки (согласно применяемой методике испытаний), зубья шестерни малого диаметра изнашивались практически до самого основания, что не удовлетворяло требованиям «Заказчика». После нанесения антифрикционного покрытия по заявляемому способу малая шестерня в процессе испытаний на 5000 циклов практически не износилась.

Пример 3.

На установке, описанной в примерах 1 и 2, на фрезы ФКЦ 4134 диаметром 8 мм, изготовленные из импортного твердого сплава группы К30 (отечественные аналоги - сплавы ВК-8, ВК-4), были нанесены износостойкие покрытия по способу-прототипу и по заявленному способу. Перед размещением в вакуумной камере фрезы промывали в бензине и протирали спиртом. Фрезы устанавливали в гнезда поворотного стола, расположенные по окружности. В обоих случаях камеру предварительно вакуумировали до давления 5×10^-5 мм рт.ст. (6,65×10^-3 Па), затем через газовый плазмогенератор с накаленным катодом напускали аргон до давления 2×l0^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па), поджигали разряд и устанавливали ток газового разряда 50 А. На поворотный стол с установленными фрезами подавали первоначальное отрицательное напряжение смещения (ускоряющий потенциал) 50 В, которое в течение 10 минут повышали до 1000 В и далее поддерживали 20 минут при этом значении, обеспечивая очистку и активацию поверхности инструментов. В обоих случаях, в процессе очистки поверхности и при дальнейшем нанесении покрытий, фрезам задавали вращательные перемещения относительно плазменных источников (5 об/мин) и собственной оси.

По способу-прототипу, после ионной очистки, осаждали покрытия из нитрида титана (TiN) электродуговым распылением двух катодных мишеней из титанового сплава ВТ-1-0 при токах дуговых испарителей 80 А и с предварительной ионизацией азота в газовом плазмогенераторе при токе газового разряда 20 А. Напряжение смещения составляло 200 В, рабочее давление азота 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па), время осаждения 30 минут. По заявляемому способу наносили покрытия с внешним слоем также из нитрида титана по указанным выше режимам. Но перед электродуговым осаждением нитрида титана наносили связующий подслой Ti-C-B-N магнетронным распылением двух мишеней из синтезированного материала Ti-C-B в атмосфере газовой смеси Ar+N₂ (25% N₂). Формирование подслоя осуществляли с предварительной ионизацией Ar+N₂ в газовом плазмогенераторе с накаленным катодом при токе разряда 50 А и давлении в рабочей камере 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па). Ток магнетронного разряда на каждой из мишеней составлял 2,5 А. В течение первых 5 минут формирования подслоя напряжение смещения снижали с 1000 В до 200 В, а далее осаждение осуществляли в течение 10 минут при 200 вольтах. По истечении этого времени, при этом же напряжении смещения, за 5 минут формировали переходной слой покрытия одновременным магнетронным распылением мишеней Ti-C-B и электродуговым распылением титановой мишени на одном из испарителей, снижая ток магнетронного разряда до ноля и переходя от газовой смеси Ar+N₂ к азоту. Ток газового разряда после формирования переходного слоя снижали с 50 А до 20 А и включали второй испаритель.

Испытания фрез с нанесенными покрытиями проводили в сравнении с исходными (без покрытий) в специализированной лаборатории ОАО «Томский инструментальный завод» на универсальном горизонтально-фрезерном станке модели 6Т83Г. Фрезы испытывались методом фрезерования уступа в образцах закаленной стали 45 (52-56 HRC) по ГОСТ 1050-88 в соответствии с методикой №2-2006 г. КТО ООО «ТИЗ». При испытаниях применялись СОЖ ПОА-1 и следующие режимы резания: число оборотов - 1600 об/мин, подача - 125 мм/мин, глубина фрезерования - 1 мм. Результаты испытаний оценивались по фактической длине фрезерования до износа фрезы. Коэффициент повышения износостойкости k рассчитывался по отношению k=L_покр./L_исх., где L_покр. - фактическая длина фрезерования инструментом с покрытием, L_иcx. - длина фрезерования инструментом без покрытия. Для фрез с покрытиями, нанесенными по способу-прототипу, усредненное значение коэффициента повышения износостойкости составило 1,9, в то время как для фрез с покрытиями, нанесенными по заявляемому способу, - 2,7. Такое различие в эффективности двух сравниваемых способов обусловлено лучшими показателями адгезии магнетронного карбидосодержащего подслоя к твердому сплаву (основой которого также является карбид) и более высокой твердостью этого подслоя (30-35 ГПа) по сравнению с нитридом титана (20-25 ГПа).

Пример 4.

От предприятия ООО «Стеклотех» поступил заказ на нанесение медного покрытия выраженной толщины (не менее 2-3 мкм) на образцы из ситалла и капролона. Медные покрытия наносили по способу-прототипу и по заявляемому способу на установке, использованной в примерах 1, 2, 3. Перед загрузкой в вакуумную камеру образцы промывали в бензине типа «Калоша» и протирали ректифицированным спиртом. В обоих случаях камеру предварительно вакуумировали до давления 5×10^-5 мм рт.ст. (6,65×10^-3 Па); образцам, закрепленным в центре поворотного стола камеры, задавали вращение с угловой скоростью 5 об/мин, через газовый плазмогенератор напускали аргон до давления 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па), поджигали газовый разряд и проводили очистку и активацию поверхности образцов ионами аргоновой плазмы при токе разряда 20 А. Так как образцы были изготовлены из диэлектрических материалов, напряжение смещения на поворотный стол не подавалось.

В случае использования способа-прототипа, после ионной очистки, не отключая газового плазмогенератора и при тех же значениях давления аргона и тока газового разряда, включали два электродуговых испарителя с медными катодными мишенями и проводили осаждение покрытия в течение 15 минут при разрядном токе испарителей 60 А. Напряжение смещения на поворотный стол при осаждении покрытия не подавалось. При использовании заявляемого способа, после ионной очистки образцов, так же не отключая газового плазмогенератора, при давлении аргона 2×10^-3 мм рт.ст. (2,66×10^-1 Па) и токе газового разряда 20 А, включали дуомагнетрон с двумя медными распыляемыми мишенями и в течение 10 минут проводили осаждение магнетронного подслоя при токе разряда 5 А на каждой мишени. Далее включали два электродуговых испарителя с медными катодными мишенями и током разряда на каждом 60 А, ток разряда магнетронных мишеней понижали до ноля в течение 1 минуты и проводили электродуговое осаждение в течение 10 минут. Режим работы газового плазмогенератора оставался прежним. Напряжение смещения на поворотный стол с закрепленными образцами не подавалось.

На образцах с нанесенными по способу-прототипу и по заявляемому способу медными покрытиями оценивалось качество сцепления (адгезии) покрытия с основой методом царапания с использованием прибора ПМТ-3 и индентора - алмазной пирамиды с квадратным основанием. В качестве показателя величины адгезии принята нагрузка на индентор, при которой его перемещение приводит к отслоению покрытия и появлению чистого следа основы образца. Сравнительные исследования показали, что на образцах капролона и ситалла с покрытием, нанесенным по способу-прототипу, отслоение начинает происходить уже при минимальной нагрузке 10 г. Причем в отдельных местах отслоения носят «чешуйчатый» характер, в виде отделившихся макрочастиц даже на некотором расстоянии от следа царапания. На образцах с покрытием, нанесенным по заявляемому способу, отслоения наблюдаются при нагрузках порядка 20-30 г. При этом фиксируется гораздо меньшее количество отделившихся макрочастиц-чешуек. Полученные результаты позволили начать апробацию нового заявляемого способа в ООО «Стеклотех» для решения задачи снятия статического электричества с поверхности изделий из капролона путем нанесения токопроводящего покрытия.

Таким образом, приведенные примеры конкретного выполнения подтверждают, что предлагаемый способ характеризуется широкими технологическими возможностями, позволяет улучшить качество наносимых покрытий самого различного функционального назначения и применим к изделиям, изготовленным из разных материалов - электропроводящих и диэлектрических.

Claims (2)

1. Способ нанесения покрытия в вакууме на изделия из электропроводных материалов или диэлектриков, включающий очистку и активацию поверхности изделий газовыми ионами, получаемыми в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, электродуговое распыление катодной мишени и осаждение получаемого потока на изделия в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, отличающийся тем, что после очистки и активации, не выключая газового плазмогенератора, на поверхность изделий магнетронным распылением катодной мишени из материала заданного компонентного состава осаждают связующий подслой в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе на основе несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом, затем формируют промежуточный переходной слой одновременным магнетронным и электродуговым распылением катодных мишеней и осаждением получаемого смешанного потока на связующий подслой в атмосфере газа, предварительно ионизированного в плазмогенераторе, постепенно снижают ток магнетронного разряда до ноля и осуществляют электродуговое распыление катодной мишени на полученный переходный слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнетронное распыление и осаждение связующего подслоя на поверхности изделий из электропроводных материалов проводят при понижении ускоряющего потенциала на изделии от значения, при котором проводят очистку и активацию поверхности, до величины, при которой формируют промежуточный переходный слой покрытия.