RU2712661C1 - Method for formation of tribological coating - Google Patents

Method for formation of tribological coating Download PDF

Info

Publication number
RU2712661C1
RU2712661C1 RU2018147535A RU2018147535A RU2712661C1 RU 2712661 C1 RU2712661 C1 RU 2712661C1 RU 2018147535 A RU2018147535 A RU 2018147535A RU 2018147535 A RU2018147535 A RU 2018147535A RU 2712661 C1 RU2712661 C1 RU 2712661C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
metal
articles
magnetron
coating
Prior art date
Application number
RU2018147535A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Васильевич Сидоров
Геннадий Викторович Качалин
Константин Сергеевич Медведев
Артем Вячеславович Рыженков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority to RU2018147535A priority Critical patent/RU2712661C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2712661C1 publication Critical patent/RU2712661C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/14Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by a layer differing constitutionally or physically in different parts, e.g. denser near its faces
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25Diamond
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/223Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating specially adapted for coating particles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: invention can be used in machine building and micromechanics to reduce friction and wear in friction bearings. First, working surface of articles 1 is prepared by polishing, degreasing in an ultrasonic bath, treatment with a petrol-alcohol mixture and thermal treatment in a drying cabinet. Prepared articles 1 are placed in vacuum chamber 2, insulated from its housing and connected to pulse negative voltage source (bias voltage). Simultaneously with evacuation of vacuum chamber 2 it is heated by heaters 5 for intensification of degassing process. After supply of plasma-forming gas - argon into vacuum chamber 2, metal surface of articles 1 is subjected to ion etching, for this purpose magnetron 4 is switched on. Then nitrogen is added and simultaneous nitriding at heating of articles 1 surface is performed up to 200÷500 °C. Then, surface of articles 1 is coated with transition layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride at varying negative bias voltage and flow of reaction gas, the flow rate of which is increased simultaneously with reduction of bias voltage. After formation of transition layer, magnetron 4 is switched off, negative voltage is supplied to articles 1 and magnetron 3 is applied to apply main coating layer by means of high-power pulse magnetron sputtering after heating of target from Al0.75Mg0.75B14.
EFFECT: higher quality and service life of coating due to increased allowable contact loads and reduced coefficient of friction.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к трибологии в машиностроении, микромеханике и может быть использовано для уменьшения трения и износа в нагруженных парах трения, таких как, например, подшипниках скольжения.The invention relates to tribology in mechanical engineering, micromechanics and can be used to reduce friction and wear in loaded friction pairs, such as, for example, plain bearings.

Известно трибологическое покрытие (патент US 80390966 МПК B05D3/00, опубл. 18.10.2011), в котором предлагается на поверхности металлической детали проводить ионную очистку, затем наносить распылением промежуточный слой хрома или нитрида хрома, слой Al0,75Mg0,75B14 (далее ВАМ), формировать переходную область и наносить второй слой на основе углерода, задача которого выравнивать неровности поверхности и обеспечить низкую шероховатость поверхности Ra.A tribological coating is known (patent US 80390966 IPC B05D3 / 00, published October 18, 2011), in which it is proposed to conduct ion cleaning on the surface of a metal part, then spray the intermediate layer of chromium or chromium nitride, an Al layer of 0.75 Mg 0.75 B 14 (hereinafter referred to as BAM), to form a transition region and apply a second layer based on carbon, the task of which is to smooth out surface irregularities and provide a low surface roughness R a .

Недостатками данного технического решения являются деформация приповерхностной области более мягкой металлической основы при значительной механической нагрузке на пару трения, что вызывает растрескивание и отслоение покрытия, а так же высокая шероховатость поверхности Ra ввиду незначительной толщины выравнивающего слоя.The disadvantages of this technical solution are the deformation of the surface region of a softer metal base with significant mechanical stress on the friction pair, which causes cracking and delamination of the coating, as well as high surface roughness R a due to the small thickness of the leveling layer.

Наиболее близким по технической сущности к предлогаемому изобретению является изобретение (патент №US 6331332 В1, МПК С 14/06, опубл. 18.12.2001), в котором предлагается способ формирования трибологического покрытия алмазоподобного углерода (Diamond-like carbon - DLC) методом катодного дугового распыления. Он включает в себя ионное травление поверхности изделия, нанесение переходного слоя покрытия из по меньшей мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла, формирование основного слоя покрытия (DLC) путем электрохимического разложения углеродсодержашего газа (ацетилена) посредством электродугового разряда с сепорацией в вакуумной камере.The closest in technical essence to the proposed invention is the invention (patent No. US 6331332 B1, IPC C 14/06, publ. 12/18/2001), which proposes a method of forming a tribological coating of diamond-like carbon (Diamond-like carbon - DLC) by the cathode arc method spraying. It includes ion etching of the surface of the product, applying a transition coating layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride, the formation of the main coating layer (DLC) by electrochemical decomposition of carbon-containing gas (acetylene) by means of an electric arc discharge with separation in a vacuum chamber .

Недостатками данного способа являются деформация приповерхностной области более мягкой металлической основы при значительной механической нагрузке на пару трения и наличие дефектов покрытия повышающих шероховатости поверхности изделия и ухудшающих эксплуатационные свойства покрытия.The disadvantages of this method are the deformation of the surface region of a softer metal base with significant mechanical stress on a couple of friction and the presence of coating defects that increase the surface roughness of the product and worsen the performance properties of the coating.

Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение деформации приповерхностной области металлической основы изделия и снижение шероховатости поверхности покрытия.The technical task of the invention is to reduce the deformation of the surface region of the metal base of the product and reduce the surface roughness of the coating.

Технический результат заключается в повышении качества и срока службы покрытия благодаря увеличению допустимых контактных нагрузок и уменьшению коэффициента трения.The technical result consists in improving the quality and service life of the coating by increasing the allowable contact loads and reducing the coefficient of friction.

Это достигается тем, что в известном способе нанесения трибологического покрытия, включающем в себя ионное травление поверхности изделия, нанесение переходного слоя покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла, нанесение основного слоя покрытия (DLC) путем электрохимического разложения углеродсодержашего газа (ацетилена) посредством электродугового разряда с сепорацией в вакуумной камере, дополнительно вводится операция ионно-плазменного азотирования совмещенного с травлением металлической поверхности изделия, наносится переходной слой из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла с изменяющимся во времени напряжением смещения и потоком реакционного газа, основной слой покрытия наносится высокомощным импульсным магнетронным распылением материала Al0,75Mg0,75B14.This is achieved by the fact that in the known method of applying a tribological coating, including ion etching of the surface of the product, applying a transition coating layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride, applying the main coating layer (DLC) by electrochemical decomposition of carbon-containing gas (acetylene) by means of an electric arc discharge with separation in a vacuum chamber, an operation of ion-plasma nitriding combined with etching of a metal erhnosti product applied transition layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride with time-varying offset voltage and the flow of the reaction gas, the primary coating layer is applied to high-power pulsed magnetron sputtering Al 0,75 Mg 0,75 B 14 material.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для реализации способа, на фиг.2 изображена структура формируемого покрытия.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a device for implementing the method, figure 2 shows the structure of the formed coating.

Устройство для реализации способа содержит в себе изделия 1, вакуумную камеру 2, магнетрон 3 с мишенью из Al0,75Mg0,75B14, магнетрон 4 с металлической мишенью и нагреватели 5.A device for implementing the method comprises articles 1, a vacuum chamber 2, a magnetron 3 with a target of Al 0.75 Mg 0.75 B 14 , a magnetron 4 with a metal target, and heaters 5.

Структура формируемого покрытия содержит основной материал изделия 6, модифицированный (азотированный) слой 7, переходной слой покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8 и основной слой 9 из Al0,75Mg0,75B14.The structure of the formed coating contains the main material of the product 6, a modified (nitrided) layer 7, a transition coating layer of at least one metal layer, metal carbide or metal nitride 8 and the main layer 9 of Al 0.75 Mg 0.75 B 14 .

Способ нанесения трибологического износостойкого покрытия осуществляется следующим образом.The method of applying tribological wear-resistant coating is as follows.

Подготовка поверхности изделий 1 осуществляется следующим образом: рабочую поверхность изделий 1 полируют, обезжиривают в ультразвуковой ванне, обрабатывают бензино-спиртовой смесью, подвергают термообработке в сушильном шкафу. Подготовленные таким образом изделия 1 размещают в вакуумной камере 2. Изделия 1 изолируют от корпуса вакуумной камеры 2 и подключают к источнику импульсного отрицательного напряжения (напряжение смещения).The surface preparation of the products 1 is as follows: the working surface of the products 1 is polished, degreased in an ultrasonic bath, treated with a gasoline-alcohol mixture, and subjected to heat treatment in an oven. Thus prepared products 1 are placed in a vacuum chamber 2. Products 1 are isolated from the housing of the vacuum chamber 2 and connected to a source of pulse negative voltage (bias voltage).

Откачка вакуумной камеры 2 происходит одновременно с ее нагревом нагревателями 5 для интенсификации процесса дегазации камеры 2 и изделий 1. Затем в вакуумную камеру 2 напускают инертный газ аргон.Pumping of the vacuum chamber 2 occurs simultaneously with its heating by the heaters 5 to intensify the degassing process of the chamber 2 and products 1. Then, inert gas argon is introduced into the vacuum chamber 2.

Совмещенное ионное травление и ионно-плазменное азотирование (модификацию поверхности) очищенной поверхности изделий 1 проводится с увеличенной плотностью потока ионов на изделии 1 при одновременном нагреве их поверхности до температуры 200÷500°С. Для этого включают источники питания магнетрона 4 и напряжения смещения, устанавливают ток магнетронного разряда на магнетронах, напряжение смещения и подают в вакуумную камеру 2 смесь газов аргона и азота.Combined ion etching and ion-plasma nitriding (surface modification) of the cleaned surface of the products 1 is carried out with an increased ion flux density on the product 1 while heating their surface to a temperature of 200 ÷ 500 ° C. To do this, turn on the magnetron 4 power sources and bias voltages, set the magnetron discharge current on the magnetrons, bias voltage and supply a mixture of argon and nitrogen gases to the vacuum chamber 2.

За счет бомбардировки поверхности изделий 1 ускоренными напряжением смещения ионами аргона она нагревается до температуры проведения азотирования - 200÷500°С, а также происходит ее травление.Due to the bombardment of the surface of products 1 with accelerated bias voltage by argon ions, it is heated to the temperature of nitriding - 200 ÷ 500 ° C, and also etching occurs.

Ионно-плазменное азотирование поверхности заключается в диффузионном насыщении атомарным азотом приповерхностного слоя металла 6, в результате чего образуется раствор азота в металле 6. Атомарный азот образуется в плазме магнетронного разряда. Твердость азотированной поверхности 7 может возрасти до шести раз от исходной величины, уменьшаясь с глубиной до твердости исходного материала 6.Ion-plasma nitriding of the surface consists in the diffusion saturation of the surface layer of metal 6 with atomic nitrogen, resulting in the formation of a solution of nitrogen in metal 6. Atomic nitrogen is formed in a magnetron discharge plasma. The hardness of the nitrided surface 7 can increase up to six times from the original value, decreasing with depth to the hardness of the starting material 6.

Проведение ионно-плазменного азотирования обеспечивает глубину модифицированного слоя 7 более 70 мкм. За счет совмещения ионно-плазменного азотирования и ионного травления поверхность изделия остается светлого цвета, свободной от нитридных соединений с элементами, входящими в состав металла. Шероховатость азотированной поверхности не превышает 0,6 мкм для предварительно полированных образцов. Формирование азотированного слоя 7 с максимальной твердостью в приповерхностной области образца позволяет значительно уменьшить механические напряжения и исключить резкое изменение твердости на границе раздела покрытие 8 - основное покрытие 9. Таким образом, создается твердый приповерхностный слой 7 способный выдержать значительные механические нагрузки.Carrying out ion-plasma nitriding provides a depth of the modified layer 7 of more than 70 microns. Due to the combination of ion-plasma nitriding and ion etching, the surface of the product remains light in color, free from nitride compounds with elements that make up the metal. The roughness of the nitrided surface does not exceed 0.6 μm for pre-polished samples. The formation of a nitrided layer 7 with maximum hardness in the surface region of the sample can significantly reduce mechanical stresses and prevent a sharp change in hardness at the interface between coating 8 and the main coating 9. Thus, a solid surface layer 7 is able to withstand significant mechanical stresses.

На этапе совмещенного ионного травления и ионно-плазменного азотирования магнетрон 4 используется в качестве источников аргоновой плазмы.At the stage of combined ion etching and ion-plasma nitriding, magnetron 4 is used as sources of argon plasma.

Непосредственно после формирования азотированного слоя 7 производят нанесение покрытия. При этом магнетроны 3 и 4 работают в режиме Hi-Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) - высокомощного импульсного магнетронного распыление мишени в плазме инертного газа или смеси инертного и реакционного газов. Первым наносят на азотированную поверхность 7 переходной слой покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8 магнетроном 4. Поскольку поверхность после азотирования имеет шероховатость, то переходной слой покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8 наносится таким образом, чтобы выровнять поверхность перед нанесением основного слоя 9 и обеспечить его твердость. Для этого слой покрытия 8 наносится с изменяющимся напряжением смещения и изменяющимся потоком реакционного газа - азота или углеродсодержащего газа. В начале нанесения слоя 8 отрицательное напряжение смещения составляет 500÷600 В, а поток реакционного газа - ноль,Immediately after the formation of the nitrided layer 7, a coating is applied. In this case, the magnetrons 3 and 4 operate in the Hi-Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) mode - a high-power pulsed magnetron sputtering of a target in an inert gas plasma or a mixture of inert and reaction gases. The transition coating layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride 8 is magnetically coated onto the nitrided surface 7 by magnetron 4. Since the surface is roughened after nitriding, the transition coating layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride 8 is applied in such a way as to smooth the surface before applying the base layer 9 and ensure its hardness. For this, the coating layer 8 is applied with a varying bias voltage and a varying flow of the reaction gas — nitrogen or carbon-containing gas. At the beginning of applying layer 8, the negative bias voltage is 500–600 V, and the reaction gas flow is zero,

наносится подслой чистого металла. Постепенно, отрицательное напряжение смещения снижают до 60÷130 В, а поток реакционного газа увеличивают, чтобы образовывался твердый нитрид или карбид металла, например хрома. Нанесение покрытия с высоким напряжением смещения позволяет на начальном этапе заполнить впадины шероховатой поверхности распыленным металлом, практически не нанося покрытие на вершины рельефа. Происходит выравнивание (планаризация) поверхности. Толщина слоя 8 составляет 2÷5 величин шероховатости (Ra, мкм) и зависит от характера рельефа шероховатостей. Увеличение потока реакционного газа во время осаждения позволяет получить слой покрытия 8 градиентной твердости, на который распылением наносится основной слой ВАМ 9.a sublayer of pure metal is applied. Gradually, the negative bias voltage is reduced to 60-130 V, and the flow of the reaction gas is increased to form solid nitride or metal carbide, for example chromium. The application of a coating with a high bias voltage makes it possible at the initial stage to fill the hollows of a rough surface with sprayed metal, practically without coating the tops of the relief. Alignment (planarization) of the surface. The thickness of the layer 8 is 2 ÷ 5 roughness values (R a , μm) and depends on the nature of the roughness relief. The increase in the flow of reaction gas during deposition allows you to get a coating layer 8 of gradient hardness, on which the main layer of BAM 9 is sprayed.

После формирования переходного слоя покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8 магнетрон 4 выключают и включают магнетрон 3, наносится основной слой ВАМ 9. Материал ВАМ является полупроводником с удельным сопротивлением порядка 104 Ом⋅см. Для стабильного магнетронного разряда мишень из Al0,75Mg0,75B14 требует предварительного разогрева.After the formation of the transition coating layer from at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride 8, the magnetron 4 is turned off and the magnetron 3 is turned on, the main layer of BAM 9 is applied. The BAM material is a semiconductor with a resistivity of the order of 10 4 Ohm⋅cm. For a stable magnetron discharge, a target of Al 0.75 Mg 0.75 B 14 requires preliminary heating.

Предварительный разогрев мишени осуществляется в нераспыляющем импульсном магнетронном разряде с частотой 20 кГц и пиковым напряжением -1250 В. После подогрева мишени становится возможным использование распыляющего магнетронного разряда. Нанесение основного слоя ВАМ 9 осуществляется при импульсном напряжении смещения, подаваемого на изделия 1, со следующими параметрами: частота импульсов варьируется в пределах от 10 до 100 кГц, отрицательное напряжение в импульсе составляет 60-450 В. Магнетронное распыление мишени ВАМ происходит в режиме HiPIMS, что позволяет повысить ионную компоненту в потоке распыляемого материала мишени. Распыление происходит при следующих параметрах: частота следования импульсов 200÷400 Гц; плотностью мощности, подводимой к мишени в импульсе, от 40 до 100 Вт/см2. Повышение плотности мощности может привести к деформации мишени и, как следствие, ее растрескиванию.Preliminary heating of the target is carried out in a non-spraying pulsed magnetron discharge with a frequency of 20 kHz and a peak voltage of -1250 V. After heating the target, it becomes possible to use a spraying magnetron discharge. The main layer of VAM 9 is applied at a pulsed bias voltage applied to products 1 with the following parameters: the frequency of pulses varies from 10 to 100 kHz, the negative voltage in a pulse is 60–450 V. The magnetron sputtering of the VAM target occurs in HiPIMS mode, which allows to increase the ionic component in the stream of the sprayed target material. Spraying occurs with the following parameters: pulse repetition rate 200 ÷ 400 Hz; the power density supplied to the target in the pulse is from 40 to 100 W / cm 2 . An increase in power density can lead to deformation of the target and, as a consequence, to its cracking.

Толщина наносимого слоя 9 составляет 1÷2 мкм. При увеличении толщины слоя ВАМ 9 возникают сильные внутренние сжимающие напряжения, что может привести к его частичному отслоению. Суммарная толщина переходного слоя покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8 и основного слоя 9 составляет до 3,1 мкм.The thickness of the applied layer 9 is 1 ÷ 2 μm. With an increase in the thickness of the BAM 9 layer, strong internal compressive stresses arise, which can lead to its partial detachment. The total thickness of the transition coating layer of at least one metal layer, metal carbide or metal nitride 8 and the base layer 9 is up to 3.1 μm.

Пример нанесения трибологического покрытияTribological coating example

Рабочая поверхность изделий 1, требующая упрочнения, полируется либо механически полировальными пастами, либо, если позволяет материал изделия, в электролитно-плазменной полировке. Затем изделия 1 обезжириваеются в ультразвуковой ванне в растворе мыльной щелочи, промываются в проточной дистиллированной воде и подвергаются термообработке в сушильном шкафу. После термообработки изделия 1 обрабатывается нефрасом С1-80/120 и устанавливаются в вакуумную камеру 2 установки. При этом изделия 1 электрически изолированы от корпуса вакуумной камеры 2 и подключены к источнику импульсного отрицательного напряжения (напряжение смещения).The working surface of products 1, requiring hardening, is polished either mechanically by polishing pastes, or, if the material of the product allows, in electrolyte-plasma polishing. Then the products 1 are degreased in an ultrasonic bath in a solution of soap alkali, washed in running distilled water and subjected to heat treatment in an oven. After heat treatment of the product 1 is treated with nefras C1-80 / 120 and installed in the vacuum chamber 2 of the installation. In this case, the products 1 are electrically isolated from the housing of the vacuum chamber 2 and connected to a source of pulse negative voltage (bias voltage).

После установки изделий 1 в вакуумную камеру 2 она закрывается и откачивается до высокого вакуума, не менее чем 10-4 Па. Для интенсификации процесса дегазации стенок вакуумной камеры 2 и поверхности изделий 1 во время откачки обеспечивается их нагрев до температуры не более 170°C. Для этого в вакуумной камере 2 предусмотрены нагреватели 5 (ленточные или ТЭН).After installing the products 1 in the vacuum chamber 2, it closes and is pumped to a high vacuum, not less than 10 -4 Pa. To intensify the process of degassing the walls of the vacuum chamber 2 and the surface of the products 1 during pumping, they are heated to a temperature of not more than 170 ° C. To this end, heaters 5 (tape or heating elements) are provided in the vacuum chamber 2.

Вакуумная камера 2 снабжена по крайней мере хотя бы двумя магнетронами: магнетроном 3, распыляющим Al0,75Mg0,75B14 чистоты не менее 99,95%, и магнетроном 4, распыляющим металл (либо титан чистоты не менее 99,95%, либо из хром чистоты не менее 99,95%). Оба магнетрона имеют возможность работать как в режиме постоянного тока, так и в режиме HiP-IMS - высокомощное импульсное магнетронное распыление мишени.The vacuum chamber 2 is equipped with at least two magnetrons: a magnetron 3, atomizing Al 0.75 Mg 0.75 B 14 with a purity of at least 99.95%, and a magnetron 4, atomizing metal (or titanium with a purity of at least 99.95% , or from chrome purity of not less than 99.95%). Both magnetrons have the ability to work both in direct current mode and in HiP-IMS mode - high-power pulsed magnetron sputtering of the target.

После достижения давления внутри вакуумной камеры 2 10-4 Па нагрев отключается, напускается плазмообразующий газ аргон (чистота не менее 99,9995%) до давления 0,2÷0,35 Па и на изделия 1 подается отрицательное напряжение 1000-Н100 В. Зажигается аномально тлеющий разряд и осуществляется ионное травление поверхности изделий 1. Для интенсификации процесса ионного травления магнетрон 4 включают на малую мощность, не более 2,5 Вт/см2. Процесс ионного травления длится от 30 до 50 минут в зависимости от материала изделий 1.After the pressure inside the vacuum chamber 2 10 -4 Pa is reached, the heating is turned off, the plasma-forming argon gas (purity not less than 99.9995%) is injected to a pressure of 0.2 ÷ 0.35 Pa and a negative voltage of 1000-H100 V is applied to the products 1. Ignited an abnormally glow discharge and ion etching of the surface of the products is carried out 1. To intensify the process of ion etching, the magnetron 4 is turned on at low power, not more than 2.5 W / cm 2 . The ion etching process lasts from 30 to 50 minutes, depending on the material of the products 1.

После процесса ионного травления поверхности изделий 1 в вакуумную камеру 2 дополнительно напускается газ азот (чистота не менее 99,9995%о) до совокупного давления (вместе с аргоном) 0,1÷3 Па. На изделия 1 подается импульсное отрицательное напряжение 800÷1250 В с частотой не менее 10 кГц и начинается процесс ионно-плазменного азотирования. Так же, для активации плазмы, работает магнетрон 4 с небольшой плотностью мощ-ности - не более 2,5 Вт/см2. Температуру изделий 1 поддерживают в пределах 200÷500°С, регулируя мощность источника питания магнетрона 4. Время азотирования составляет 100 мин, толщины азотированного слоя 7 составляет примерно 70 мкм.After the process of ion etching of the surface of the articles 1, nitrogen gas (purity no less than 99.9995% o) is additionally introduced into the vacuum chamber 2 to a combined pressure (together with argon) of 0.1 ÷ 3 Pa. An impulse negative voltage of 800 ÷ 1250 V with a frequency of at least 10 kHz is supplied to the products 1 and the process of ion-plasma nitriding begins. Also, for plasma activation, magnetron 4 works with a low power density - not more than 2.5 W / cm 2 . The temperature of the products 1 is maintained within 200–500 ° C by adjusting the power of the magnetron 4 power source. The nitriding time is 100 min, and the thickness of the nitrided layer 7 is approximately 70 μm.

После формирования слоя поверхности изделий насыщенного азотом 7 наносится переходной слой покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8. При этом магнетрон 4 работает в режиме с интегральной плотностью мощности 20÷26 Вт/см2 и частотой следования импульсов 150÷350 Гц, а напряжение смещения работает в режиме постоянного тока и плавно снижается от -600 В до -80 В. Одновременно с понижением напряжения смещения увеличивается расход подаваемого реакционного газа азота или метана от 0 до 1,62 л/ч.After the formation of the surface layer of the products saturated with nitrogen 7, a transition coating layer of at least one metal layer, metal carbide or metal nitride 8 is applied. In this case, the magnetron 4 operates in a mode with an integrated power density of 20 ÷ 26 W / cm 2 and a pulse repetition rate of 150 ÷ 350 Hz, and the bias voltage operates in constant current mode and gradually decreases from -600 V to -80 V. Simultaneously with a decrease in the bias voltage, the flow rate of the supplied reaction gas of nitrogen or methane increases from 0 to 1.62 l / h.

После нанесения переходного слоя покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла 8 магнетрон 4 выключается, на изделие подается отрицательное напряжение 60÷150 В с частотой следования импульсов от 10 до 100 кГц и включается магнетрон 3. Начинается нанесение основного слоя покрытия 9. При этом магнетрон 3 работает в режиме HiPIMS с частотой 200÷400 Гц и плотностью мощности, подводимой к поверхности мишени в импульсе, 404 00 Вт/см2. Скорость роста основного слоя покрытия 9 составляет 1 мкм/час, толщина 1÷2 мкм.After applying a transitional coating layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride 8, the magnetron 4 is turned off, a negative voltage of 60 ÷ 150 V is applied to the product with a pulse repetition rate of 10 to 100 kHz and the magnetron 3 is turned on. The application of the main layer begins coatings 9. In this case, the magnetron 3 operates in HiPIMS mode with a frequency of 200–400 Hz and a power density supplied to the target surface in the pulse of 404 00 W / cm 2 . The growth rate of the main coating layer 9 is 1 μm / h, the thickness is 1 ÷ 2 μm.

После окончания процесса нанесения покрытия в вакуумную камеру 2 напускается нейтральный газ аргон до давления 300 Па и происходит остывание изделий 1. При температуре изделий 1 равной 150°С производится напуск воздуха в вакуумную камеру 2 и их извлечение.After the coating process is completed, neutral argon gas is introduced into the vacuum chamber 2 to a pressure of 300 Pa and the products 1 are cooled. At a temperature of the products 1 equal to 150 ° C, air is introduced into the vacuum chamber 2 and removed.

Исследования трибологических свойств покрытия осуществлялось методом штифт-диск (pin-on-disk test). Радиус закругления штифта составлял 4,7625 мм, нагрузка на штифт 60,33 Н, длина пробега равнялась 1000 м, скорость 0,9 м/с. Микротвердость измерялась методом Виккерса.The tribological properties of the coating were studied using the pin-on-disk test method. The radius of curvature of the pin was 4.7625 mm, the load on the pin was 60.33 N, the path length was 1000 m, and the speed was 0.9 m / s. Microhardness was measured by the Vickers method.

Полученные параметры трибологического покрытия следующие:The resulting tribological coating parameters are as follows:

1) Толщина покрытия вместе с модифицированным слоем от 74 мкм до 100 мкм.1) The coating thickness together with the modified layer is from 74 microns to 100 microns.

2) Микротвердость общей композиции покрытия от 35 ГПа до 40 ГПа.2) The microhardness of the total coating composition is from 35 GPa to 40 GPa.

3) Коэффициент трения от 0,01 до 0,07.3) The coefficient of friction is from 0.01 to 0.07.

Использование изобретения обеспечивает уменьшение коэффициента трения (0,01÷0,07) и повышение микротвердости до 35÷40 ГПа на высоко-нагруженных поверхностях изделий 1.The use of the invention provides a reduction in the coefficient of friction (0.01 ÷ 0.07) and an increase in microhardness up to 35 ÷ 40 GPa on highly-loaded surfaces of products 1.

Claims (1)

Способ формирования трибологического покрытия, включающий ионное травление поверхности изделия, нанесение переходного слоя покрытия из по крайней мере одного слоя металла, карбида металла или нитрида металла и нанесение основного слоя покрытия, отличающийся тем, что обрабатываемую металлическую поверхность изделия одновременно с ионным травлением подвергают азотированию, нанесение указанного переходного слоя покрытия ведут при изменяющихся во времени отрицательном напряжении смещения и потоке реакционного газа, расход которого увеличивается одновременно с понижением напряжения смещения, а основной слой покрытия наносят посредством высокомощного импульсного магнетронного распыления после разогрева мишени из Al0,75Mg0,75B14.A method of forming a tribological coating, including ion etching of the surface of the product, applying a transition coating layer of at least one layer of metal, metal carbide or metal nitride and applying the main coating layer, characterized in that the treated metal surface of the product simultaneously with ion etching is subjected to nitriding, applying the specified transition layer of the coating is carried out with time-varying negative bias voltage and the flow of the reaction gas, the flow rate of which elichivaetsya simultaneously with lowering the bias voltage, and the main coating layer is applied by means of high-power pulsed magnetron sputtering target after heating of the Al 0,75 Mg 0,75 B 14.
RU2018147535A 2018-12-29 2018-12-29 Method for formation of tribological coating RU2712661C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147535A RU2712661C1 (en) 2018-12-29 2018-12-29 Method for formation of tribological coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147535A RU2712661C1 (en) 2018-12-29 2018-12-29 Method for formation of tribological coating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2712661C1 true RU2712661C1 (en) 2020-01-30

Family

ID=69624818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018147535A RU2712661C1 (en) 2018-12-29 2018-12-29 Method for formation of tribological coating

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2712661C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114164341A (en) * 2021-06-24 2022-03-11 哈尔滨工业大学 Surface treatment method for improving lubricating property of rolling bearing oil
CN115404458A (en) * 2022-08-26 2022-11-29 晓睿真空设备(嘉兴)有限公司 Stainless steel surface treatment process for improving durability of driving shaft

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6331332B1 (en) * 1999-09-29 2001-12-18 Da-Yung Wang Process for depositing diamond-like carbon films by cathodic arc evaporation
RU2369032C1 (en) * 2008-04-14 2009-09-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Method of iterative signal processing for serial modem and device to that effect (versions)
US20100028641A1 (en) * 2008-06-30 2010-02-04 Eaton Corporattion Friction- and wear-reducing coating
RU2515714C1 (en) * 2012-11-19 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ", Московский энергетический институт, МЭИ Method of nanocomposite coating application onto steel article surface
RU2599073C1 (en) * 2015-05-05 2016-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Method of ion-plasma application of multilayer coating on articles from aluminium alloys
RU2660502C1 (en) * 2017-11-28 2018-07-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method for applying a coating to the surface of a steel product

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6331332B1 (en) * 1999-09-29 2001-12-18 Da-Yung Wang Process for depositing diamond-like carbon films by cathodic arc evaporation
RU2369032C1 (en) * 2008-04-14 2009-09-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Method of iterative signal processing for serial modem and device to that effect (versions)
US20100028641A1 (en) * 2008-06-30 2010-02-04 Eaton Corporattion Friction- and wear-reducing coating
RU2515714C1 (en) * 2012-11-19 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ", Московский энергетический институт, МЭИ Method of nanocomposite coating application onto steel article surface
RU2599073C1 (en) * 2015-05-05 2016-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Method of ion-plasma application of multilayer coating on articles from aluminium alloys
RU2660502C1 (en) * 2017-11-28 2018-07-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method for applying a coating to the surface of a steel product

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114164341A (en) * 2021-06-24 2022-03-11 哈尔滨工业大学 Surface treatment method for improving lubricating property of rolling bearing oil
CN114164341B (en) * 2021-06-24 2023-03-28 哈尔滨工业大学 Surface treatment method for improving lubricating property of rolling bearing oil
CN115404458A (en) * 2022-08-26 2022-11-29 晓睿真空设备(嘉兴)有限公司 Stainless steel surface treatment process for improving durability of driving shaft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103805996B (en) The compounding method of the first plated film of a kind of metal material surface nitriding again
US7601405B2 (en) DLC coating system and process and apparatus for making coating system
EP0731190B1 (en) Process for the formation of carbon coatings
RU2712661C1 (en) Method for formation of tribological coating
KR20070114832A (en) Hard material layer
EP0985057A1 (en) Method of forming diamond-like carbon coating in vacuum
RU2533576C1 (en) Method of obtaining multi-layered multifunctional coating
RU2660502C1 (en) Method for applying a coating to the surface of a steel product
US20100078314A1 (en) Method for coating fuel system components
Kousaka et al. Ultra-high-speed Coating of Si-containing aC: H Film at over 100μm/h
KR20130128733A (en) Apparatus and method for ion-implantation and sputtering deposition
Xiang et al. Cr-doped DLC films in three mid-frequency dual-magnetron power modes
CN110484696B (en) Preparation method of antifriction and wear-resistant hydraulic pump part
JP2011225982A (en) Coating member excellent in coating film adhesion, and method for producing the same
US5927727A (en) Sealing element, particularly for shut-off and regulating valves, and process for its production
KR100324435B1 (en) Plasma of use nitriding aluminum formative and apparatus
US9217195B2 (en) Amorphous carbon film and method for forming same
JPH0770735A (en) Improvement of abrasion resistance of surface of workpiece and workpiece processed thereby
Sanchette et al. Single cycle plasma nitriding and hard coating deposition in a cathodic arc evaporation device
Ensinger et al. An apparatus for in-situ or sequential plasma immersion ion beam treatment in combination with rf sputter deposition or triode dc sputter deposition
JPH09170073A (en) Vacuum arc vapor deposition method
GB2227755A (en) Improving the wear resistance of metallic components by coating and diffusion treatment
Nonogaki et al. High rate deposition of diamond-like carbon films by sheet-like plasma chemical vapor deposition
RU2146724C1 (en) Method for depositing composite coatings
Oskirko et al. Active screen hydrogen free plasma nitriding steel