RU2759163C1 - Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке - Google Patents
Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759163C1 RU2759163C1 RU2020128123A RU2020128123A RU2759163C1 RU 2759163 C1 RU2759163 C1 RU 2759163C1 RU 2020128123 A RU2020128123 A RU 2020128123A RU 2020128123 A RU2020128123 A RU 2020128123A RU 2759163 C1 RU2759163 C1 RU 2759163C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- layer
- coating
- wear
- diamond
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/32—Carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/453—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating passing the reaction gases through burners or torches, e.g. atmospheric pressure CVD
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к износостойким многослойным покрытиям с повышенной коррозионной стойкостью и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, нефтегазовой промышленности и химической промышленности. Многослойное износостойкое покрытие, осажденное на стальную подложку, содержит чередующиеся слои: слой алмазоподобного углерода и нанокомпозитный слой. Слой алмазоподобного углерода представляет собой гидрогенизированный алмазоподобный углеродный слой, полученный методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD). Нанокомпозитный слой, полученный комбинированным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD), содержит хром, алюминий, их соединения с углеродом и кислород, при этом общее содержание хрома в нанокомпозитном слое составляет 30-35 ат.%, алюминия - 50-52 ат.%, углерода - 13-18 ат.% и кислород – остальное. Полученное многослойное покрытие содержит от 20 до 50 упомянутых чередующихся слоев толщиной каждого из них от 40 до 50 нм, при этом толщина упомянутого многослойного покрытия составляет 800-2500 нм. Обеспечивается высокая износостойкость за счет снижения коэффициента трения и улучшения межслоевой адгезии и коррозионная стойкость за счет толщины и структуры нанокомпозитного слоя в сочетании с улучшенной межслоевой адгезией. 2 ил., 3 табл., 1 пр.
Description
Изобретение относится к износостойким многослойным покрытиям с улучшенной коррозионной стойкостью, осаждаемым комбинацией способов физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из паровой фазы (PACVD) и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, нефтегазовой промышленности, химической промышленности и т.д. для повышения эксплуатационных свойств поверхности изделий, работающих в различных условиях.
В современном машиностроении широко применяет инструмент и детали механических систем, на рабочую поверхность которых нанесены защитные износостойкие наноструктурные покрытия [патент РФ 2542185]. Нанесение защитных покрытий на обрабатывающие инструменты и детали машин значительно увеличивает их срок службы. Кроме того, металлы и сплавы могут разрушаться и в результате коррозии, например, после химического, электрохимического, радиационного и т.д. воздействия внешней среды. Процессы коррозии и механического износа при эксплуатации аппаратуры могут протекать одновременно, например, при работе насосов, мешалок, винтов и т.д. Поэтому востребованы износо- и коррозионностойкие покрытия.
Алмазоподобные углеродные покрытия (АУП) хорошо известны тем, что они обеспечивают низкое трение, высокую износостойкость и высокую теплопроводность. Благодаря низкому коэффициенту трения и высокой твердости они нашли применение в трибологии в качестве защитных от абразивного и фрикционного износа [патенты РФ 271455, 2599687, 2359266, 2231695]. Тем не менее, их высокая твердость и высокие внутренние напряжения часто приводят к слабому сцеплению со стальными подложками, что проблематично для многих высокотехнологичных отраслей. Твердые, плотные АУП применяются также для защиты металлических подложек от коррозии в различных химически агрессивных средах [патент РФ 2553803; R. Р. О. S. Nery et.al. Evaluation of corrosion resistance of diamond-like carbon films deposited onto AISI 4340 steel. J Mater Sci 45 (2010) 5472; E. Marin et.al. Corrosion and scratch resistance of DLC coatings applied on chromium molybdenum steel. Surf. Coat. Technol. 378 (2019) 124944]. Однако, остаточные нанопоры и дефекты в покрытии являются начальными источниками коррозионных явлений, в результате которых в АУП образуется сеть дефектов, служащих каналами коррозионного воздействия среды на подложку под покрытием.
Для улучшения износостойких свойств АУП применяются технологии, позволяющие осаждать композиты на основе аморфного углерода с нанокристаллическими включениями карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов [патент РФ 2711066]. Например, при легировании карбидообразующими металлами (Ti, Mo, W, Cr) образуются ультрадисперсные карбидные включения, которые значительно повышают износостойкость покрытий [N. Kumar et al. Microstructure and phase composition dependent tribological properties of TiC/a-C nanocomposite thin films, Surf. Coat. Technol. 258 (2014) 557]. Включения нанокристаллического карбида хрома чаще наблюдаются в случаях, когда в качестве источника углерода используются углеводороды. Однако, образование металл-углеродных Ме-С связей повышает внутренние напряжения в покрытии, а твердые и хрупкие карбидные образования снижают их пластичность. Напротив, легирование АУП металлами, не образующими связи с углеродной матрицей (Cu, Al), сопровождается образованием металлических фаз в углеродной матрице, которые улучшают вязкость покрытия.
Легирование АУП улучшает также антикоррозионные свойства. При введении в АУП хрома и алюминия образуются МАХ-фазы с составом Mn+1AXn, где n=1, 2 или 3, М - переходный металл группы IIIB-VIB, А - элемент группы IIIA-IVA периодической таблицы элементов, X - углерод или азот. Слоистая структура таких фаз выполняет роль жесткого каркаса одновременно являясь твердой смазкой. Cr2AlC, одна из типичных МАХ фаз, обладающая коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах [J. Ward et.al. Corrosion performance of Ti3SiC2, Ti3AlC2, Ti2AlC and Cr2AlC MAX phases in simulated primary water conditions, Corro. Sci. 139 (2018) 444; Z.R. Zhang et. al. Corrosion behaviors of Cr2AlC/α-Al2O3 composites in 3.5 wt. % NaCl aqueous solution, Ceram. Int. (2020)]. Исследования коррозионного поведения Cr2AlC в водных растворах NaCl показали, что как Cr, так и Al играют важную роль в процессе коррозии. Обладая способностью образовывать пассивные слои, Cr2AlC также привлекает большое внимание для применения в качестве потенциальных защитных покрытий. Поэтому использование композитов, содержащих хром и алюминий, является перспективным для получения коррозионностойких покрытий.
Применение нанокомпозитных промежуточных слоев в композиции с нелегированным АУП улучшает и коррозионные свойства покрытия, и износостойкость Конструирование многослойных систем путем комбинации слоев и межфазной архитектуры в отдельных слоях позволяет создавать антикоррозионные покрытия с низкими коэффициентами трения, высокой твердостью, трещиностойкостью и фрикционной износостойкостью [патент РФ 2254398; X. Sui et. al. Microstructure, mechanical and tribological characterization of CrN/DLC/Cr-DLC multilayer coating with improved adhesive wear resistance. Appl. Surf. Sci. 439 (2018) 24]. Межслоевые границы отклоняют или препятствуют распространению трещин и уменьшают концентрацию напряжений в покрытии, а композитные слои, содержащие соединения хрома или алюминия, повышают их коррозионную стойкость.
Однако, износостойкость таких покрытий определяется не только свойствами отдельно взятых слоев, но и адгезией между слоями. Плохая адгезия между структурообразующими слоями в покрытии приводят к их разрушению и расслоению, что снижает их износо- и коррозионную стойкость и препятствует их широкому промышленному применению.
Таким образом, получение износостойких покрытий с повышенной коррозионной стойкостью путем осаждения многослойных покрытий с хорошей межслоевой адгезией и наличием барьерных антикоррозионных слоев является технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение.
Известно многослойное покрытие для режущего инструмента [Патент РФ 2478731], нанесенное методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Многослойное покрытие содержит промежуточный слой, служащий диффузионным барьером между режущим инструментом и износоустойчивым покрытием, и износоустойчивое покрытие. Промежуточный слой состоит из нитридов металлов из ряда: Al, Ti, Zr, Si. Износоустойчивое покрытие состоит из первого слоя, расположенного на промежуточном слое и состоящего из диборида титана или окислов циркония, или алюминия, второго адгезионного наноразмерного слоя, состоящего из Ti или Zr, и поверхностного слоя, состоящего из чередующихся нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и нанослоев металла из ряда: Ti, Zr, Cr, W. Внешний нанослой поверхностного слоя состоит из сверхтвердого аморфного углерода.
Однако, предложенное покрытие не решает техническую проблему получения износостойких покрытий с повышенной коррозионной стойкостью. В примерах заявленного изобретения приводятся покрытия, состоящие из семи слоев. Слои диборида титана или окиси циркония, относящиеся к керамике, являются хрупкими, однофазными, требуют высоких температур при их синтезе. Применение адгезионных металлических слоев снижает твердость покрытия и усложняет технологию их получения. Для создания многослойного покрытия используется несколько мишеней, в частности, мишени из циркония, что усложняет технологию нанесения покрытий, приводит к их удорожанию, и, соответственно, препятствует их широкому промышленному применению. Коррозионные свойства не исследовались.
В патенте РФ 2527829 предложено двухслойное износостойкое покрытие, состоящее из слоя аморфного алмазоподобного углерода толщиной 0,3-0,5 мкм, твердостью 70-100 ГПа, осажденного импульсно-дуговым распылением графитовой мишени, и слоя, содержащего карбид титана с твердостью 25-40 ГПа, и имеющего следующий химический состав: углерод - 30-45 ат. %, остальное титан. Выполнение слоя из карбида титана толщиной 1,0-1,5 мкм и твердостью 25-40 ГПа обеспечивает хорошую адгезию слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, а наличие слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 70-100 ГПа и толщиной 0,3-0,5 мкм увеличивает износостойкость покрытия. Высокая термическая стабильность покрытия при высоких скоростях резания и износостойкость обеспечивают повышение рабочего ресурса режущего инструмента.
Однако, предложенное покрытие не решает техническую проблему получения износостойких покрытий с повышенной коррозионной стойкостью. Покрытие из двух слоев имеет только одну межслоевую границу раздела, что недостаточно для торможения пластической деформации и продвижения трещин в покрытии. В этом покрытии в слое аморфного алмазоподобного углерода толщиной (0,3-0,5) мкм накапливаются большие внутренние напряжения, приводящие к их хрупкости и разрушению путем растрескивания. Кроме того, большие внутренние напряжения не способствуют хорошей адгезии между слоем аморфного алмазоподобного углерода и слоем, содержащем карбид титана. Следует также отметить, что в слое с карбидом титана при содержании углерода 30-45 ат. % (или менее 20 масс. %) между кристаллитами TiC не образуется углеродная прослойка. Отсутствие аморфного углерода в слое, содержащем карбид титана, снижает адгезию между слоями. Использование титана в нанокомпозитном слое не способствует высокой коррозионной стойкости покрытия.
В патенте №2553803 предложены стальная подложка с износостойким, коррозионно-стойким покрытием и способ получения указанной подложки. Осуществляют подготовку стальной подложки, нанесение на указанную подложку слоя, содержащего алмазоподобный углерод (DLC) и имеющего точечные дефекты, закрывание по меньшей мере части точечных дефектов, предпочтительно их большинства, наиболее предпочтительно, по существу, всех точечных дефектов DLC-содержащего слоя слоем материала, содержащего кремний (Si) и отличного от материала, образующего DLC-содержащий слой. DLC-содержащий слой легирован кремнием, и концентрация кремния в по меньшей мере части точечных дефектов DLC-содержащего слоя выше средней концентрации кремния в DLC-содержащем слое. Улучшается коррозионная стойкость подложки без ухудшения износостойкости поверхности с покрытием.
В патенте приведен пример подложки из стали 17Cr3 с трехслойным покрытием полученным плазменно-химическим осаждением из паровой фазы (PACVD). В качестве адгезионного слоя использован хром, на который осаждается DLC покрытие с верхним слоем из Si-C-H. Покрытие улучшает коррозионную стойкость подложки за счет закрытия части точечных дефектов DLC кремнием. Однако, применение Si-C-H слоя не уменьшает коэффициент трения, снижение которого значительно повышает износостойкость покрытия. Кроме того, теоретически авторы предлагают использование многослойных конструкций покрытия со слоями Cr-C, Si-C-H, Cr-Si и Cr-N или их комбинации. Однако, предложенное покрытие не решает техническую проблему получения износостойких покрытий с повышенной коррозионной стойкостью, т.к. отсутствие аморфного углерода в Cr-C, Si-C-H, Cr-Si и Cr-N слоях не обеспечивает континуальный переход к слою алмазоподобного углерода, что снижает межслоевую адгезию, которая в свою очередь важна для повышения коррозионной стойкости.
Наиболее близким к заявляемому покрытию является многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке [Патент РФ №2674795], включающее слой, содержащий карбид титана, и слой из алмазоподобного углерода, согласно изобретению, оно выполнено толщиной 200-2500 нм с чередованием упомянутых слоев, в количестве от 10 до 100, при этом толщина каждого слоя составляет 20-25 нм, а слой, содержащий карбид титана, выполнен в виде нанокомпозита из карбида титана и аморфного углерода с общим содержанием углерода 25-60 масс. %.
Предложенное покрытие не решает техническую проблему получения износостойких покрытий с повышенной коррозионной стойкостью путем осаждения многослойных покрытий с улучшенной межслоевой адгезией и наличием барьерных антикоррозионных слоев. В этом покрытии слои алмазоподобного углерода осаждаются с использованием импульсно-дугового источника с графитовым катодом (PVD способ). При таком способе осаждения формируется структура с повышенным содержанием sp3 связей между атомами углерода, что обеспечивает сверхвысокую твердость (до 40 ГПа). В слоях накапливаются большие внутренние напряжения, приводящие к их хрупкости и разрушению путем растрескивания. Высокая твердость безводородных алмазоподобных слоев в совокупности с инертностью их поверхности препятствует образованию переходной связующей прослойки при осаждении композитного слоя, что снижает межслоевую адгезию. Кроме того, композитные слои, в состав которых входит аморфный углерод и частицы карбида титана не являются барьерными для коррозии.
Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в том, что износостойкое многослойное покрытие на стальной подложке, содержащее нанокомпозитный слой, включающий углерод, и слой из алмазоподобного углерода, с чередованием упомянутых двух слоев, согласно изобретению, в этом покрытии слой алмазоподобного углерода выполнен гидрогенизированным, осаждаемым PACVD способом, а нанокомпозитный слой, полученный комбинированным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD), включает хром, алюминий и их соединения с углеродом. При этом общее содержание хрома в нанокомпозитном слое составляет 30-35 ат. %, алюминия - 50-52 ат. %, углерода - 13-18 ат. % и остальное кислород. Покрытие выполняется толщиной 800-2500 нм с количеством упомянутых слоев от 20 до 50 и толщиной каждого слоя от 40 до 50 нм.
Заявляемое покрытие включает нанокомпозитные слои, содержащие хром, алюминий, углерод и их соединения, полученные комбинированным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD). Слои, осаждаемые с использованием комбинированного метода PVD и PACVD, имеют однородную бездефектную структуру, что является их преимуществом с точки зрения коррозионной стойкости. Хром, алюминий и их соединения с углеродом, входящие в состав слоя, обеспечивают коррозионную стойкость покрытия, т.к. относятся к материалам, способным к пассивации. Кроме того, увеличение толщины слоев также способствует улучшению коррозионной стойкости покрытия. Экспериментальные исследования показали наличие пор размером 10-30 нм в алмазоподобном углероде, включая гидрогенизированный. Следовательно, при толщине слоев менее 40 нм существует вероятность образования сквозных дефектов, которые служат каналами проникновения коррозионной среды, снижая стойкость покрытия в целом.
Использование гидрогенизированного алмазоподобного углерода, осаждаемого PACVD способом, существенно улучшает износостойкость покрытия. Гидрогенизированный алмазоподобный углерод, в отличие от безводородного алмазоподобного углерода, полученного распылением графита (PVD способ), содержит водород. При образовании углерод-водородной связи непрерывность углеродной сетки нарушается, т.к. одновалентный водород может быть только концевым. Уменьшение деформированных (изогнутых) связей между углеродными кластерами приводит к снижению внутренних напряжений, что улучшает упругопластические свойства слоев. Кроме того, при осаждении нанокомпозитного слоя на слой гидрогенизированного алмазоподобного углерода его поверхность подвергается бомбардировке ионами металла, что неизбежно приводит к разрыву углерод-водородных связей, выделению водорода и появлению на глубине нескольких межатомных расстояний атомов углерода со свободными связями, к которым присоединяются ионы хрома. Происходит смешивание слоев за счет образованных Cr-С связей, что улучшает межслоевую адгезию. Гидрогенизированый алмазоподобный углерод имеет более низкий коэффициент трения, что также повышает износостойкость покрытия.
Таким образом, техническая проблема получения износостойких покрытий с повышенной коррозионной стойкостью решается путем осаждения многослойных покрытий с улучшенной межслоевой адгезией и наличием барьерных антикоррозионных слоев. Улучшенная межслоевая адгезия достигается использованием гидрогенизированного алмазоподобного углерода, осаждаемого PACVD способом, повышенная коррозионная стойкость покрытий обеспечивается толщиной и структурой слоев, содержащих хром, алюминий и их соединения с углеродом, полученных комбинированным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD).
На фиг. 1 представлено покрытие 1, состоящее из нанокомпозитных Cr-Al-С и алмазоподобных углеродных слоев. Оба типа слоев осаждены PVD способом.
На фиг. 2 представлено покрытие 2, состоящее из нанокомпозитных Cr-Al-С и гидрогенизированных алмазоподобных углеродных слоев. Нанокомпозитные слои осаждены с использованием комбинированного метода физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD), гидрогенизированные алмазоподобные углеродные слои - с использованием PACVD способа.
Пример.
Осаждение покрытий проводили на установке УВНИПА-1-001. Вакуумная камера установки с источником газовых ионов, дуговым источником распыления металлов (PVD способ), импульсно-дуговым источником распыления графита (PVD) дополнительно оборудована плазменным катодом, состоящим из полого катода, поджигающего электрода и анодной сетки, для осуществления несамостоятельного разряда газовой смеси аргона и углеводородсодержащего газа. Дополнительный плазменный источник делает возможным получение алмазоподобных углеродных слоев плазменно-химическим осаждением из газовой фазы (PACVD метод). Для сравнения были получены два покрытия. Для осаждения первого покрытия использовали PVD способ, второго - гибридный PVD и PACVD. Для осаждения первого покрытия использовали дуговой источник с Cr0,5Al0,5 катодом (PVD) и импульсно-дуговой источник с графитовым катодом (PVD). Ток дуги составлял 55 А, частота импульсов - 3 Гц. Для осаждения второго покрытия использовали дуговой источник с Cr0,5Al0,5 катодом (PVD) и плазменный катод с газовой смесью аргон-ацетилен (PACVD). Разложение ацетилена в смеси 30% Ar, 70% С2Н2 при Р=0,2 Па проводили в несамостоятельном разряде с импульсным постоянным током (50 кГц) при U=300 В, I=3А). Эти условия были использованы для нанесения слоев гидрогенизированного углерода а-С(Н) в многослойных покрытиях. Многослойные покрытия получали последовательным осаждением металлсодержащих композитных слоев и слоев алмазоподобного углерода. Покрытия осаждали на подложки из стали GCr15 и 9Cr18. Поверхность пластин предварительно очищали в дистиллированной воде и спирте в ультразвуковой ванне. Ионную очистку проводили в рабочей камере установки: Е(Ar+)=4 кэВ, Р=4,2×10-2 Па, t=30 мин. Перед осаждением покрытий на подложку наносили адгезионный подслой Cr-C толщиной 0,1-0,2 мкм с переменной концентрацией углерода от 0 до 100%. Типы покрытий и химический состав композитного слоя в покрытии представлены в Таблице 1.
Поперечное сечение покрытий исследовано с помощью сканирующей электронной микроскопии СЭМ). На рис. 1 и 2 представлены СЭМ изображения поперечных сечений покрытий №1 и 2. В покрытии №1 видны четкие границы раздела между слоями. В покрытии №2 наблюдается континуальный переход между слоями без видимой границы, что свидетельствует о хорошей межслоевой адгезии.
Испытания на трение и износ проводили при возвратно-поступательном движении индентора по образцу сталь GCr15 - покрытие на приборе MFT-R4000. Испытания проводили при 25°C и относительной влажности 33% в условиях сухого скольжения; в качестве контртела (индентора) использовали стальной шарик (GCr15) диаметром 6 мм. Все испытания проводились при скорости скольжения 40 мм/с, нагрузке на индентор 3 Н. После испытания определяли объем следа износа (царапины) с помощью трехмерного профилометра. Скорость износа определялась как объем удаленного материала при единичной нагрузке на единицу расстояния скольжения (м3/Нм): k=V/PL, где V - объем изношенного материала (царапины), Р - нагрузка, L - длина царапины.
Данные приведены в таблице 2.
Коэффициент трения покрытия №2 существенно ниже коэффициента трения подложки и покрытия №1. Износостойкость покрытия №2 существенно выше износостойкости подложки GCr15 и покрытия №1. Хорошая межслоевая адгезия и низкий коэффициент трения обеспечивают высокую износостойкость покрытия №2.
Испытания на коррозионную стойкость были проведены с использованием электрохимической рабочей станции μAutolab III, Metrohm. Испытания проводили в 3,5% растворе NaCl при комнатной температуре. Измерение потенциала разомкнутой цепи (ПЦР) поддерживалось до 1800 с. Потенциодинамические поляризационные тесты проводились в диапазоне от -0,6 В до +0,4 В при скорости сканирования 2 мВ ⋅ с-1.
Данные приведены в таблице 3.
ПЦР стали 9Cr18 составляет - 0,435 В. Осаждение покрытий №1 и 2 на подложку из 9Cr18 увеличивают ПЦР и потенциал коррозии (Екорр) до -0,347 В и -0,278 В, соответственно. Плотность тока коррозии, уменьшается в 43 (покрытие №1) и 130 (покрытие №2) раз по сравнению со сталью 9Cr18 без покрытия. Покрытие №2 проявило улучшенную коррозионную стойкость по сравнению с покрытием №1, для осаждения которого использован только PVD способ.
Покрытие №2, состоящее из слоев толщиной гидрогенизированного алмазоподобного углерода, осаждаемых PACVD способом, и нанокомпозитных слоев, содержащих хром, алюминий и их соединения с углеродом, осаждаемых комбинацией PVD/PACVD способов, является более износостойким с улучшенной коррозионной стойкостью.
Таким образом, достигнут технический результат получения износостойкого покрытия с повышенной коррозионной стойкостью путем осаждения многослойного покрытия с хорошей межслоевой адгезией и наличием барьерных антикоррозионных слоев.
Claims (1)
- Многослойное износостойкое покрытие, осажденное на стальную подложку, содержащее чередующиеся слои: слой из алмазоподобного углерода и нанокомпозитный слой, отличающееся тем, что слой алмазоподобного углерода представляет собой гидрогенизированный алмазоподобный углеродный слой, полученный методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD), а нанокомпозитный слой, полученный комбинированным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD), содержит хром, алюминий, их соединения с углеродом и кислород, при этом общее содержание хрома в нанокомпозитном слое составляет 30-35 ат.%, алюминия - 50-52 ат.%, углерода - 13-18 ат.% и кислород - остальное, при этом полученное многослойное покрытие содержит от 20 до 50 упомянутых чередующихся слоев толщиной каждого из них от 40 до 50 нм, а толщина упомянутого многослойного покрытия составляет 800-2500 нм.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020128123A RU2759163C1 (ru) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020128123A RU2759163C1 (ru) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2759163C1 true RU2759163C1 (ru) | 2021-11-09 |
Family
ID=78466981
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020128123A RU2759163C1 (ru) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2759163C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6716540B2 (en) * | 2001-03-06 | 2004-04-06 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Multilayer film formed body |
US20090250338A1 (en) * | 2005-09-05 | 2009-10-08 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Diamondlike carbon hard multilayer film formed body and method for producing the same |
RU2527829C1 (ru) * | 2013-04-09 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Двухслойное износостойкое покрытие режущего инструмента |
RU2653379C2 (ru) * | 2012-12-21 | 2018-05-08 | ЭкссонМобил Рисерч энд Энджиниринг Компани | Антифрикционные покрытия с улучшенными свойствами абразивного износа и истирания, и способы их получения |
RU2656312C1 (ru) * | 2017-08-14 | 2018-06-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Способ нанесения твердых износостойких наноструктурных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода |
RU2674795C1 (ru) * | 2017-10-05 | 2018-12-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке |
-
2020
- 2020-08-21 RU RU2020128123A patent/RU2759163C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6716540B2 (en) * | 2001-03-06 | 2004-04-06 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Multilayer film formed body |
US20090250338A1 (en) * | 2005-09-05 | 2009-10-08 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Diamondlike carbon hard multilayer film formed body and method for producing the same |
RU2653379C2 (ru) * | 2012-12-21 | 2018-05-08 | ЭкссонМобил Рисерч энд Энджиниринг Компани | Антифрикционные покрытия с улучшенными свойствами абразивного износа и истирания, и способы их получения |
RU2527829C1 (ru) * | 2013-04-09 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Двухслойное износостойкое покрытие режущего инструмента |
RU2656312C1 (ru) * | 2017-08-14 | 2018-06-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Способ нанесения твердых износостойких наноструктурных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода |
RU2674795C1 (ru) * | 2017-10-05 | 2018-12-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Continuously growing ultrathick CrN coating to achieve high load-bearing capacity and good tribological property | |
Zhang et al. | Microstructure and corrosion behavior of TiC/Ti (CN)/TiN multilayer CVD coatings on high strength steels | |
Al-Asadi et al. | A review of tribological properties and deposition methods for selected hard protective coatings | |
Bolelli et al. | HVOF-sprayed WC–CoCr coatings on Al alloy: effect of the coating thickness on the tribological properties | |
Costa et al. | Fatigue behavior of PVD coated Ti–6Al–4V alloy | |
EP1657323B1 (en) | Sliding member with excellent wear resistance in water-based environments | |
Cai et al. | Improved adhesion and erosion wear performance of CrSiN/Cr multi-layer coatings on Ti alloy by inserting ductile Cr layers | |
Pellizzari | High temperature wear and friction behaviour of nitrided, PVD-duplex and CVD coated tool steel against 6082 Al alloy | |
JP5319295B2 (ja) | 窒化クロムイオンプレーティング皮膜及びその製造方法並びに内燃機関用ピストンリング | |
Höck et al. | Wear resistance of prenitrided hardcoated steels for tools and machine components | |
Chen et al. | Load sensitivity in repetitive nano-impact testing of TiN and AlTiN coatings | |
US11499643B2 (en) | Coated valve components with corrosion resistant sliding surfaces | |
Chang et al. | Mechanical properties and high temperature oxidation of CrAlSiN/TiVN hard coatings synthesized by cathodic arc evaporation | |
Souza et al. | Fatigue strength of HVOF sprayed Cr3C2–25NiCr and WC-10Ni on AISI 4340 steel | |
Hocking | Coatings resistant to erosive/corrosive and severe environments | |
Purandare et al. | CrN/NbN coatings deposited by HIPIMS: A preliminary study of erosion–corrosion performance | |
Baragetti et al. | Fatigue behaviour of 2011-T6 aluminium alloy coated with PVD WC/C, PA-CVD DLC and PE-CVD SiOx coatings | |
Batista et al. | Characterisation of duplex and non-duplex (Ti, Al) N and Cr–N PVD coatings | |
Ge et al. | Tribological behaviors of a magnetron sputtered CrSiN coating under ambient air and wet environments | |
Liskiewicz et al. | DLC coatings in oil and gas production | |
Ortiz et al. | Influence of the Number of Bilayers on the Mechanical and Tribological Properties in [TiN/TiCrN] n Multilayer Coatings Deposited by Magnetron Sputtering. | |
Kolawole et al. | The improvement of diamond-like carbon coatings for tribological and tribo-corrosion applications in automobile engines: an updated review study | |
Song et al. | Friction behavior of TiN–MoS2/PTFE composite coatings in dry sliding against SiC | |
Li et al. | Long-term tribocorrosion resistance and failure tolerance of multilayer carbon-based coatings | |
RU2759163C1 (ru) | Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке |