RU2521914C2 - Износостойкое наноструктурное покрытие - Google Patents
Износостойкое наноструктурное покрытие Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521914C2 RU2521914C2 RU2011148576/02A RU2011148576A RU2521914C2 RU 2521914 C2 RU2521914 C2 RU 2521914C2 RU 2011148576/02 A RU2011148576/02 A RU 2011148576/02A RU 2011148576 A RU2011148576 A RU 2011148576A RU 2521914 C2 RU2521914 C2 RU 2521914C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- coating
- phase
- metal phase
- wear
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектронике, альтернативной энергетике и т.д. Износостойкое наноструктурное покрытие выполнено из нанокомпозиционного металл-керамического материала, полученного на ситалловой подложке ионно-лучевым распылением, и имеет структуру, состоящую из гранул металлической фазы со средним диаметром 2-4 нм, изолированных металлической фазой, при этом концентрация металлической фазы составляет 30-56 ат.%. Техническим результатом изобретения является создание наноструктурного металл-керамического покрытия, обладающего высокой износостойкостью и стабильностью параметров. 1 пр., 1 ил.
Description
Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектроники, альтернативной энергетике и т.д.
Исследования последних лет показали, что материалы и покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и наноструктурными упрочняющими элементами обладают улучшенными физико-химическими и механическими свойствами. Поэтому в последние годы во всем мире проводятся работы по разработке способов получения материалов с наноструктурой.
Как правило, получаемые покрытия представляют собой металлические сплавы и поэтому улучшают свойства защищаемой поверхности лишь по одному из параметров, например твердость или прочность, в то время как по другим параметрам обнаруживают значительно более низкие показатели. Традиционные способы формирования упрочняющих покрытий являются различными вариантами методов наплавки, таких как плазменное, электронно-лучевое, лазерное, аргонодуговое, электродуговое, электрошлаковое и др., и это позволяет при наплавлении покрытий использовать присадочные материалы для повышения прочности за счет создания гетерофазной, а не однофазной структуры.
Известны различные методы формирования наноструктурных поверхностных слоев и наноструктурных покрытий, например, методом лазерно-плазменной обработки [В.В.Мелюков, А.В.Частиков, А.А.Чирков, А.М.Чирков, А.В.Окатов. Формирование наноструктурных поверхностных слоев методом лазерно-плазменной обработки при атмосферных условиях. СПб.: Сварка и контроль. - 2005. Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири, 16-18 марта 2005 г.,Челябинск, 2005, с.125-131] или методом абразивной обработки [Zhang Shu-lan, Chen Huai-ning, Lin Quanhong, Liu Gang (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, КНР). Hanjie xuebao=Trans. China Weld. Inst., 2005, 26, №3, c.73-76].
Однако эти методы и покрытия, полученные этими методами, обладают рядом недостатков.
Внешняя поверхность формируемых покрытий характеризуется значительной шероховатостью, что требует последующей дополнительной обработки, уменьшающей толщину покрытия и влияющей на структурное состояние покрытия, что, в свою очередь, снижает его упрочняющие характеристики. Кроме того, размеры зерен в получаемых слоях покрытия составляют сотни и более нанометров, что не является оптимальным для упрочнения получаемого наружного слоя.
Известен способ и материал, получаемый этим способом, получения наплавленного покрытия с применением в качестве присадочного материала смеси порошков исходных компонентов, включающей карбид вольфрама WC [С.Ф.Гнюсов, Д.А.Маков, В.Г.Дураков. Получение износостойких композиционных покрытий с мультимодальным распределением упрочняющей фазы. - СПб.: Сварка и контроль. - Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири, 16-18 марта 2005 г., Челябинск, 2005, с.74-82].
Указанный способ реализуется следующим образом.
При аргонодуговой наплавке неплавящимся электродом по прототипу за один проход формировалось покрытие толщиной 3-4 мм. Размер зерна матрицы составлял 8,0-60,0 мкм, а средний размер частиц упрочняющей фазы составлял 3,3 мкм. При этом в полученных покрытиях находившийся в смеси порошков монокарбид вольфрама в результате воздействия сварочной дуги и значительного перегрева ванны в зоне ее действия в процессе наплавки полностью растворялся в жидкой металлической ванне, а при последующем охлаждении упрочняющая фаза выделялась в виде равноосных зерен или в виде дендритов размерами от 4 до 15 мкм.
Недостатком известного способа и материала является то, что при его использовании невозможно получить металл покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне, т.к. к началу кристаллизации в жидком металле отсутствует необходимое количество центров кристаллизации для получения металла покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне.
Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита «металл-керамика», обеспечивающего повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что предложенное наноструктурное покрытие согласно изобретению выполнено из нанокомпозиционного металл-керамического материала, полученного на ситалловой подложке ионно-лучевым распылением и имеющего структуру, состоящую из гранул металлической фазы со средним диаметром 2-4 нм, при этом концентрация металлической фазы в нанокомпозиционном материале составляет 30-56 ат.%.
Высокая износостойкость предложенных композитов обусловлена наличием в них двух принципиально различных наноструктурированных сред: металлической и диэлектрической, с высокой объемной долей границ раздела фаз, препятствующих как межзеренному скольжению, так и распространению трещин.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из этих соображений.
Экспериментальные работы показали, что, при снижении концентрации металлической фазы в нанокомпонентах менее 30 ат.% также снижается износостойкость, причем в отличие от зоны с максимальной износостойкостью 30…56 ат.% увеличение нагрузки всего лишь в два раза от 2 до 4 Н приводит к разрушению покрытия. По всей видимости, это является следствием изменения морфологии композитов:
для таких низких концентраций металлической фазы основная объемная доля композита приходится на диэлектрик CAF2, являющийся боле хрупким материалом, чем металлический сплав. В этом случае развитие микротрещин керамического материала не блокируется лабиринтной структурой металлических наногранул, и разрушение покрытия идет более активно.
Верхнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из следующих соображений.
Максимум износостойкости обусловлен объемным сочетанием двух фаз, одна из которых более пластичная, а другая более хрупкая. Однако в тех образцах, где содержание металлической фазы составляет 56 ат.%, происходит резкое снижение износостойкости из-за того, что металлическая фаза представляется уже в виде сравнительно больших образований из контактирующих друг с другом гранул - кластеров. С увеличением концентрации металлической фазы происходящий рост гранул до кластеров приводит к невозможности подавления процессов зарождения и развития дислокаций, что вызывает резкое снижение прочности всего покрытия.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показана концентрационная зависимость размерного коэффициента износостойкости k нанокомпозита (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x, полученная экспериментальным путем.
Пример конкретного выполнения.
Композиты (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x получены методом ионно-лучевого распыления составных мишеней в среде аргона. Совместное осаждение компонентов материала производилось на ситалловые подложки СТ-60, на поверхности которых, в результате процессов самоорганизации происходило формирование двухфазной структуры.
Для исследования износостойкости композитов использовались покрытия толщиной 5…6 мкм, нанесенные на ситалловые подложки и содержащие различное количество металлической фазы: 23, 30, 36, 55 и 65 ат.%.
Трибологические исследования композиционных покрытий проводились на автоматизированной машине трения High-Temperature Tribometer, CSM Instruments, Швейцария, по схеме испытания «шарик-диск» в соответствии с международными стандартами ASTM G99-959, DIN50324. Непосредственно в процессе испытаний определялся коэффициент трения трущейся пары. В качестве материала контртела, представляющего собой шарик диаметром 6 мм, использовался оксид алюминия Al2O3. Измерение коэффициентов трения трущейся пары выполнялись на воздухе, при нагрузке на индентор от 2 Н до 7 Н и скорости перемещения контртела 7 см/сек. Результаты испытаний показаны на фиг.1. Из полученных экспериментальных данных следует, что коэффициент износостойкости k имеет оптимальное значение в предложенных пределах концентрации металлической фазы при напылении.
Использование предложенного технического решения позволит создать наноструктурное покрытие из гранулированного композита «металл-керамика», обеспечивающего повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости.
Claims (1)
- Износостойкое наноструктурное покрытие, характеризующееся тем, что оно выполнено из нанокомпозиционного металл-керамического материала, полученного на ситалловой подложке ионно-лучевым распылением и имеющего структуру, состоящую из гранул металлической фазы со средним диаметром 2-4 нм, изолированных сплошной керамической фазой, при этом концентрация металлической фазы в нанокомпозиционном материале составляет 30-56 ат.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011148576/02A RU2521914C2 (ru) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | Износостойкое наноструктурное покрытие |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011148576/02A RU2521914C2 (ru) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | Износостойкое наноструктурное покрытие |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011148576A RU2011148576A (ru) | 2013-06-10 |
RU2521914C2 true RU2521914C2 (ru) | 2014-07-10 |
Family
ID=48784386
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011148576/02A RU2521914C2 (ru) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | Износостойкое наноструктурное покрытие |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2521914C2 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2256724C1 (ru) * | 2003-12-10 | 2005-07-20 | Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева | Способ нанесения композиционных покрытий в вакууме |
US20070284255A1 (en) * | 2006-05-17 | 2007-12-13 | Vladimir Gorokhovsky | Wear resistant vapor deposited coating, method of coating deposition and applications therefor |
CN101624295A (zh) * | 2008-07-10 | 2010-01-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜材料及其制备方法 |
JP2011084804A (ja) * | 2009-09-18 | 2011-04-28 | Kobelco Kaken:Kk | 金属酸化物−金属複合スパッタリングターゲット |
US8034153B2 (en) * | 2005-12-22 | 2011-10-11 | Momentive Performances Materials, Inc. | Wear resistant low friction coating composition, coated components, and method for coating thereof |
-
2011
- 2011-11-29 RU RU2011148576/02A patent/RU2521914C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2256724C1 (ru) * | 2003-12-10 | 2005-07-20 | Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева | Способ нанесения композиционных покрытий в вакууме |
US8034153B2 (en) * | 2005-12-22 | 2011-10-11 | Momentive Performances Materials, Inc. | Wear resistant low friction coating composition, coated components, and method for coating thereof |
US20070284255A1 (en) * | 2006-05-17 | 2007-12-13 | Vladimir Gorokhovsky | Wear resistant vapor deposited coating, method of coating deposition and applications therefor |
CN101624295A (zh) * | 2008-07-10 | 2010-01-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜材料及其制备方法 |
JP2011084804A (ja) * | 2009-09-18 | 2011-04-28 | Kobelco Kaken:Kk | 金属酸化物−金属複合スパッタリングターゲット |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011148576A (ru) | 2013-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Alfonso et al. | Thin film growth through sputtering technique and its applications | |
Hou et al. | Microstructure and wear characteristics of cobalt-based alloy deposited by plasma transferred arc weld surfacing | |
Qu et al. | Fabrication of Ni–CeO2 nanocomposite by electrodeposition | |
Tian et al. | Effect of RE oxides on the microstructure of the coatings fabricated on titanium alloys by laser alloying technique | |
Bai et al. | Porosity evolution in additively manufactured aluminium alloy during high temperature exposure | |
Ren et al. | Wear-resistant NbMoTaWTi high entropy alloy coating prepared by laser cladding on TC4 titanium alloy | |
KR20140146203A (ko) | 특히 건식 가공 작업에 의해 감소된 크레이터 마모를 나타내는 고성능 공구 | |
JP2014532117A (ja) | 機械加工における耐摩耗性の増大のための適合化された形態を有する窒化アルミニウムチタンコーティングおよびその方法 | |
Yuan et al. | A novel approach of in-situ synthesis of WC particulate-reinforced Fe-30Ni ceramic metal coating | |
Goupil et al. | Cold sprayed Cu–Ni–Fe anode for Al production | |
RU2515600C2 (ru) | Способ получения наноструктурного покрытия | |
Li et al. | Mechanically strong, stiff, and yet ductile AlSi7Mg/graphene composites by laser metal deposition additive manufacturing | |
Lu et al. | Plasma sprayed Al2O3–40% TiO2 coating by laser remelting: Structural evolution, tribological properties and DFT calculation | |
Latushkina et al. | Formation of wear-resistant nanostructured TiN/Cu coatings | |
RU2521914C2 (ru) | Износостойкое наноструктурное покрытие | |
RU2506347C2 (ru) | Способ повышения износостойкости наноструктурного покрытия из гранулированного композита | |
Luo et al. | Sputtering pressure influence on growth morphology, surface roughness, and electrical resistivity for strong anisotropy beryllium film | |
RU2506346C2 (ru) | Наноструктурное покрытие из гранулированного композита | |
RU2511645C2 (ru) | Способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита | |
Adeleke et al. | Tungsten inert gas surface alloying of commercial purity titanium (CP-Ti) with Fe-C-Si ternary mixtures | |
RU2515733C2 (ru) | Наноструктурное покрытие | |
Buytoz et al. | Microstructure of NiCrBSi/WC composite coating deposited on AISI316 stainless steel by TIG coating process | |
Sakiru et al. | Thin surface layers of iron-based alloys deposited by TIG hardfacing | |
Zhang et al. | Performance characterization on a novel intermetallic layer produced by interdiffusion between Ti film and 5083 Al alloy | |
Wu et al. | Growth mechanism of polycrystalline Ir coating by double glow plasma technology |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141130 |