RU2768046C1 - Способ получения многофункционального многослойного покрытия - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу получения многослойного покрытия на подложке в виде детали пары трения или режущего инструмента и может быть использовано в машиностроительной, горно- и нефтедобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для упрочнения поверхности инструмента и пар трения. Проводят очистку подложки в плазме тлеющего разряда. Затем на подложку осаждают подслой CrTiAlZr. Затем поочередно наносят слои нитрида циркония и алюминия, нитрида титана и алюминия и нитрида хрома и алюминия при парциальном давлении 0,97-1,03 Па, скорости вращения подложкодержателя 10-15 об/мин, отрицательном напряжении смещения 80-90 В, токе смещения на подложке 0,7-0,8 A в газовой смеси азота и аргона в процентном соотношении N₂:Ar=30:70 при токе и напряжении на всех магнетронах 6-7 А и 340-480 В. Каждый слой наносят в течение не менее 30 мин. Нанесение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз до получения необходимой толщины покрытия. Обеспечивается получение многослойного покрытия с высокими физико-механическими, трибологическими, термодинамическими и антикоррозийными свойствами, а также высокой адгезионной прочностью покрытия с материалом подложки. 2 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к способам нанесения покрытий с физико-механическими, трибологическими, термодинамическими и антикоррозийными свойствами и может быть использовано в машиностроительной, горно- и нефтедобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для упрочнения поверхности инструмента и пар трения, а также повышения их термодинамической стабильности при обработке материалов с низкой теплопроводностью, особенно в операциях резания, вызывающих повышение температуры.

Известен способ нанесения наноразмерных двухслойных покрытий TiAlN/CrAlN, которые сочетают в себе термическую стабильность TiAlN и стойкость к окислению CrAlN с расширением температурного диапазона и защиты от износа при непрерывном резании или фрезеровании [Ping Li, Li Chen, She Q. Wang, Bing Yang, Yong Du, Jia Li, Ming J. Wu. Microstructure, mechanical and thermal properties of TiAlN/CrAlN multilayer coatings // Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials 40 (2013) 51-57.].

Многослойные покрытия наносили на термообработанную (закалка и отпуск) полированную (Ra <0,02 мкм) быстрорежущую сталь М2 (AISI) с твердостью 9 ГПа методом двух постоянных напряжений. магнетронный полупромышленный прототип распыления (HARTEC). Была использована мишень из алюминида титана (51,9 ат.% Ti, 40,6 ат.% Al, 1,4 ат.% Cr и 6,1 ат.% O) и N₂ в качестве реактивного газа с парциальным давлением N₂ / Ar, равным 0,3. используется для нанесения керамических слоев TiAlN и мишени из чистого металла (алюминия, титана или меди) для распыления промежуточных слоев. Давление осаждения, смещение подложки и расстояние от подложки до мишени поддерживались постоянными на уровне 0,3 Па, -70 В и 65 мм соответственно. Чтобы создать градиент азота в первом слое, на все покрытия наносили начальный слой TiAl (без химически активного газа), затем поток азота увеличивали до предельного парциального давления. Толщина металлических прослоек поддерживалась постоянной и составляла 80 нм. Общая толщина покрытий составила 3,5 м. Скорость осаждения как керамических, так и металлических пленок была определена в предыдущем исследовании. Перед напылением все подложки были нагреты и протравлены (-70 В) в течение 900 с при 0,15 Па в атмосфере аргона. Достигнутая температура подложек была ниже 500°C.

Недостатком известного способа является использование для нанесения керамических слоев TiAlN двухслойного покрытия композиционной мишени из алюминида титана (51,9 ат.% Ti, 40,6 ат.% Al, 1,4 ат.% Cr и 6,1 ат.% O), содержащей меньшее содержание алюминия по сравнению с титаном, давление пара которого на порядок больше, чем у алюминия. Кроме того, мишень содержит кислород, приводящий к образованию оксидов титана и алюминия на подложке и ухудшению адгезионной прочности осаждаемых слоев. Использование мишени из чистого металла (алюминия, титана или меди) для распыления промежуточных слоев будет ухудшать стойкость к окислению всего покрытия в целом, не позволять получать двухслойные покрытия с сочетанием коррозионностойких, термодинамически стабильных и износостойких свойств и не обеспечивать коррозионную и тепловую защиту инструмента и деталей машин, работающих в условиях комплексного воздействия силовых и тепловых нагрузок и агрессивных сред. Кроме того, температура нагрева подложки ниже только 500°C не позволит упрочнять инструмент и детали машин с низкой температурой отпуска.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ нанесения многослойных тонких пленок CrSiN / TiAlN на кремниевые подложки p-типа (100) с помощью биполярной асимметричной импульсной системы реактивного магнетронного распыления постоянного тока [Meng-Ko Wu, Jyh-Wei Lee, Yu-Chen Chan, Hsien-Wei Chen, Jenq-Gong Duh. Influence of bilayer period and thickness ratio on the mechanical and tribological properties of CrSiN/TiAlN multilayer coatings // Surface & Coatings Technology 206 (2011) 1886-1892].

Первая серия (обозначенная как серия L) включала семь многослойных покрытий с одинаковым соотношением толщин слоев CrSiN:TiAlN (l_CrSiN:l_TiAlN) = 1:1 и разными периодами бислоя. Вторая серия (обозначенная как серия T) представляла собой два многослойных покрытия, изготовленных с одинаковым значением Λ, 20 нм и разными отношениями CrSiN:TiAlN, которые составляли 2:8 и 8:2 соответственно. Мишени из сплавов 90Cr-10Si и 64Ti-36Al (обе в мас.%) находятся в противоположных положениях, а подложки устанавливались с двух сторон вращающегося цилиндра между двумя мишенями. Многослойные слои наносились путем попеременного вращения подложек между плазмой мишеней 90Cr-10Si и 64Ti-36Al. Различные периоды бислоя были достигнуты путем управления временем выдержки подложек в потоке плазмы от мишени 90Cr - 10Si или 64Ti - 36Al. Время нанесения каждого покрытия контролировали для достижения фиксированной толщины около 1 мкм. Исходный слой нитрида и самый верхний слой представляли собой покрытия TiAlN и CrSiN соответственно для всех образцов. Обозначение образцов и типичные условия нанесения покрытий серий L и T приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Процесс очистки подложки - травление плазмой аргона при давлении 1,2 Па, напряжении смещения на подложке -500 В в течение 10 мин.

В процессе осаждения покрытий мощность магнетронов на TiAl и CrSi мишенях соответствовала 200 Вт и 100 Вт. Рабочее давление 0,4 Па. Отношение Ar:N₂=1:1. Импульсное смещение подложки - 100 В при частоте импульсов 2 кГц. Нагрев подложки до 250 ⁰С. Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является распыление композиционных мишеней 90Cr-10Si и 64Ti-36Al, позволяющие получать многослойные покрытия с сочетанием только физико-механических и трибологических свойств и при минимальном содержании алюминия и не обеспечивать коррозионную и тепловую защиту инструмента и деталей машин, работающих в условиях комплексного воздействия силовых и тепловых нагрузок и агрессивных сред.

Задачей изобретения является получение многослойного покрытия с высокими физико-механическими, трибологическими, термодинамическими и антикоррозийными свойствами, а также высокой адгезионной прочностью покрытия с материалом подложки.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе получения многофункционального многослойного покрытия, включающем очистку подложки в тлеющем разряде, согласно изобретению проводят очистку подложки в плазме тлеющего разряда при отрицательном напряжении смещения 700-800 В и токе смещения 1-1,2 A, которое подают на подложкодержатель, токе на всех мишенях 0,8-1 A, давлении аргона 1-1,2 Па в течение 10-12 минут, при этом подложку нагревают до температуры 250-300°С, затем проводят процесс осаждения подслоя CrTiAlZr на подложку при включенных четырех магнетронах с мишенями Cr, Ti, Al, Zr в плазме аргона в течение 8-10 минут при давлении 0,97-1,03 Па, при токе на всех магнетронах 6-7 А и отрицательном напряжении смещения на подложке 80-90 В и токе смещения 0,7-0,8 A, далее поочередно наносят слои Zr_1-хAl_хN, Ti_1-хAl_хN, Cr_1-xAl_xN при парциальном давлении 0,97-1,03 Па, скорости вращения подложкодержателя 10-15 об/мин, отрицательном напряжении смещения 80-90 В, токе смещения на подложке 0,7-0,8 A в газовой смеси азота и аргона N₂:Ar=30:70 (%) при токе и напряжении на всех магнетронах 6-7 А и 340-480 В, причем каждый слой наносят в течение не менее 30 мин, при этом слой Zr_1-xAl_xN наносят при токе 6-7 А на циркониевой и алюминиевой мишенях и 1-1,2 А на хромовой и титановой мишенях, слой Ti_1-xAl_xN наносят при токе 6-7 А на титановой и алюминиевой мишенях и 1-1,2 А на циркониевой и хромовой мишенях, слой Cr_1-xAl_xN наносят при токе 6-7 А на хромовой и алюминиевой мишенях и 1-1,2 А на циркониевой и титановой мишенях, причем нанесение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз до получения необходимой толщины покрытия.

Использование четырех магнетронов с хромовой, титановой, алюминиевой и циркониевой мишенями с импульсными источниками питания в процессе осаждения чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xN, Cr_1-xAl_xN позволит увеличить плотность энергии плазмы.

Проведение очистки подложек резистивным нагревателем в вакууме при давлении 8·10^-3-9·10^-3 Па, затем в плазме тлеющего разряда четырех магнетронов Cr, Ti, Al, Zr с чистотой 99,9 % в среде аргона при давлении 1-1,2 Па, токе на всех мишенях 0,8-1 А, отрицательном напряжении смещения на подложке 700-800 В и токе смещения 1-1,2 A в течение 10-12 минут позволит создать оптимальные условия для очистки поверхности подложки от остатков загрязнений, распыления оксидной пленки на поверхности подложки, нагрева ее поверхности и повышения в конечном итоге адгезионной прочности покрытия с поверхностью подложки без снижения ее прочностных свойств.

Процесс осаждения подслоя CrTiAlZr на подложку происходит при включенных четырех магнетронов с мишенями Cr, Ti, Al, Zr в плазме аргона в течение 8-10 минут при давлении 0,97-1,03 Па, токе на всех мишенях 6-7 А и отрицательном напряжении смещения на подложке 80-90 В и токе смещения 0,7-0,8 A. Кратковременное включение четырех магнетронов позволит очистить поверхности мишеней, дополнительно разогреть подложки и создать подслой для уменьшения напряжения на границе раздела подложка-покрытие, повысить адгезию покрытия к подложке и увеличить сопротивляемость покрытия к действию высоких контактных нагрузок.

Нанесение первого термодинамически стабильного слоя Zr_1-xAl_xN происходит при парциальном давлении 0,97-1,03 Па, отрицательном напряжении смещения и токе смещения на подложке 80-90 В и 0,7-0,8 A, соответственно. Распыление происходит в газовой смеси азота и аргона N₂:Ar=30:70 (%) при токе и напряжении на циркониевой и алюминиевой мишенях 6-7 А и 340-480 В, соответственно. Процесс нанесения проводят не менее 30 мин для образования в Zr_1-xAl_xN слое покрытия максимального количества многокомпонентной орторомбической δ-Zr₃AlN фазы, обладающей наиболее стабильными термодинамическими свойствами, а также высокими физико-механическими свойствами и стойкостью к воздействию агрессивной среды в связи с образованием на поверхности покрытия при эксплуатации прочной оксидной пленки Al₂O₃.

Нанесение второго коррозионно-стойкого слоя Cr_1-xAl_xN происходит при парциальном давлении 0,97-1,03 Па, отрицательном напряжении смещения и токе смещения на подложке 80-90 В и 0,7-0,8 A, соответственно. Распыление происходит в газовой смеси азота и аргона N₂:Ar=30:70 (%) при токе и напряжении на хромовой и алюминиевой мишенях 6-7 А и 340-480 В, соответственно. Процесс нанесения проводят не менее 30 мин для образования в Cr_1-xAl_xN слое покрытия в процессе его осаждения максимального количества многокомпонентных кубических с-Cr_0.57Al_0.43N и с-Cr_0.5Al_0.5N фаз и прочных оксидных пленок Al₂O₃ и Cr₂O₃ при эксплуатации упрочненного изделия, обладающих низкой скоростью коррозии в 3 % растворе NaCl, а также высокими физико-механическими свойствами.

Нанесение третьего прочного слоя Ti_1-xAl_xN происходит при парциальном давлении 0,97-1,03 Па, отрицательном напряжении смещения и токе смещения на подложке 80-90 В и 0,7-0,8 A, соответственно. Распыление происходит в газовой смеси азота и аргона N₂:Ar=30:70 (%) при токе и напряжении на титановой и алюминиевой мишенях 6-7 А и 340-480 В, соответственно. Процесс нанесения проводят не менее 30 мин для образования в Ti_1-xAl_xN слое покрытия в процессе его осаждения максимального количества многокомпонентных гексагональных h-Ti₃Al₂N₂ и h-Ti₂AlN фаз и прочной оксидной пленки Al₂O₃ при эксплуатации упрочненного изделия, обладающих низкой скоростью коррозии в 3 % растворе NaCl, а также высокими трибологическими свойствами.

Чередование слоёв Zr_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xN и Cr_1-xAl_xN при вращении подложкодержателя со скоростью 10-15 об/мин позволит сформировать на подложке мультислойное покрытие с комплексом физико-механических, трибологических, термодинамически стабильных и коррозионных свойств с высокой адгезионной прочностью подслоя с материалом подложки и между слоями.

Стабильность поддержания задаваемого рабочего давления 0,97-1,03 Па обеспечивает устойчивую работу магнетронов и стабильное структурное состояние, состав и свойства чередующихся слоев осаждаемого покрытия.

Заявляемые соотношения реактивного и инертного газов в газовой смеси в зависимости от размера кристаллитов поддерживают в процессе его осаждения соотношение многокомпонентных δ-Zr₃AlN и δ-Zr₃N₄ фаз в слое Zr_1-xAl_xN, многокомпонентных кубических с-Cr_0.57Al_0.43N и с-Cr_0.5Al_0.5N фаз в слое Cr_1-xAl_xN, многокомпонентных h-Ti₃Al₂N₂ и h-Ti₂AlN фаз в слое Ti_1-xAl_xN и в покрытии в целом, а также постоянное направление преимущественной кристаллографической ориентации кристаллитов покрытия обеспечивают минимальные внутренние напряжения, комплекс высоких физико-механическими, трибологическими, термодинамическими и антикоррозийными свойства.

Вращение сателлитов подложкодержателя с планетарным механизмом, где закреплены подложки и / или детали, 10-15 об/мин позволяет получать наноразмерные чередующиеся слои Zr_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xN и Cr_1-xAl_xN толщиной 10-20 нм. Нанесение слоёв покрытия на расстоянии от мишеней до подложки 160-170 мм позволит получить требуемую плотность потока пленкообразующих частиц.

При осаждении многослойного покрытия поддерживается температура осаждаемых слоев 300-350°С и тем самым регулируется поверхностная энергия слоев, что приводит к формированию покрытия с контролируемыми структурой и свойствами. Температура слоев покрытия 300-350°С позволит использовать способ для упрочнения материалов с низкой температурой отпуска, а также для осаждения покрытия на термочувствительные подложки.

Предлагаемый способ иллюстрируется рисунками, представленными на фиг. 1-2.

На фиг.1 изображен снимок отпечатка индентора, сделанный при помощи атомно-силовой микроскопии на поверхности покрытия Zr_1-xAl_xN - Сr_1-xAl_xN-Ti_1-xAl_xN при нагрузке на индентор 0,2 кг.

На фиг.2 изображена установка магнетронного распыления с четырьмя магнетронами и планетарным вращательным механизмом.

Способ получения многослойного покрытия с высокими механическими, трибологическими, термодинамическими и антикоррозийными свойствами, а также высокой адгезионной прочностью покрытия с материалом подложки осуществляют следующим образом.

Подложку (инструмент и/или детали в оснастке) очищают в ультразвуковой ванне с мыльным раствором, после этого устанавливают на стойки - сателлиты планетарного механизма, расположенного в нижней части вакуумной камеры установки магнетронного распыления, оснащенной четырьмя магнетронами с циркониевой, алюминиевой, хромовой и титановой мишенями, расположенными в дверце вакуумной камеры в последовательности: циркониевая мишень, хромовая мишень, титановая мишень, алюминиевая мишень. Затем в установке получают вакуум не хуже 5х10^-3 Па. После этого камеру прогревают резистивным нагревателем в течение 10 мин.

Проводят очистку подложки в плазме тлеющего разряда при отрицательном напряжении смещения 700-800 В и токе смещения 1-1,2 A, которое подают на подложкодержатель, токе на всех мишенях 0,8-1 A, давлении аргона 1-1,2 Па в течение 10-12 минут, обеспечивающую термическую активацию и нагрев подложки для обеспечения высокой адгезии к ней покрытия. При этом подложка нагревается до температуры 250-300°С. Затем, не снимая напряжения на подложкодержателе, включают блоки питания всех магнетронов на 10 минут для формирования адгезионного подслоя CrTiAlZr на подложке и дополнительного нагрева. После этого напряжение смещения на подложкодержателе убавляют до 80 В.

Затем методом импульсного магнетронного распыления циркониевой и алюминиевой мишеней формируют слой Zr_1-хAl_хN в течение 30 минут при токе и напряжении на мишенях 6-7 А и 340-480 В, давлении 0,97-1,03 Па, отрицательном напряжении смещения на подложке 80-90 В и токе смещения на подложке 0,7-0,8 A в газовой смеси азота и аргона N₂:Ar=30:70 (%). После этого формируют слой Ti_1-хAl_хN распылением титановой и алюминиевой мишеней при тех же технологических параметрах. Затем формируют слой Cr_1-xAl_xN распылением хромовой и алюминиевой мишеней при тех же технологических параметрах. Три слоя повторяют не менее 2 раз.

После завершения формирования многослойного покрытия снимают напряжение смещения, ток на магнетронах, прекращают подачу азота, подложки остывали в течение 10 минут в аргоне и 20 мин в вакууме, после этого выгружают из камеры (фиг. 2).

Свойства нанесенного покрытия контролировались путем измерения механических свойств покрытий методом наноиндентации (фиг. 1) и защитных свойств в 3% NaCl.

Преимущество заявляемого способа состоит в том, что он позволяет получить гарантированно заданный состав, структуру и комплекс свойств покрытия. Способ позволяет управлять структурообразованием формируемых слоев путем изменения основных технологических параметров осаждения.

Заявляемые технологические режимы позволяют получить многофункциональное покрытие с высокими механическими, трибологическими, антикоррозийными свойствами и высокой адгезионной прочностью покрытия с материалом подложки.

В таблице приведены физико-механические свойства покрытий, полученных заявляемым способом и известными способами.

Таблица

Покрытие	Микротвердость (Hμ), ГПа	Приведенный модуль упругости (E), ГПа	Стойкость пленки к пластической деформации (Н3/Е2), ГПа	Стойкость пленки к упругой деформации (Н/Е)	Величина упругого восстановления (We), %	Коэффициент трения	iкор.подл/iкор.п	Адгезия
Заявляемый способ	49.3	486	0.51	0.1	68	0.08	184	95
Известный способ (прототип) TiAlN/CrAlN_1 (4 TiAl и 2 CrAl мишеней) Дуговое испарение Ping Li	36,5	446	0.24	0.08				98
TiAlN/CrAlN_1 (2 TiAl и 4 CrAl мишеней) Дуговое испарение Ping Li	38,2	471	0.25	0.08				95
CrSiN/TiAlN импульсн магнет Meng-Ko Wu	31	320	0,29	0,1		0,49

Из представленных в таблице результатов испытаний следует, что покрытие, полученное по заявленному способу, обладает комплексом высоких физико-механических, трибологических, антикоррозийных свойств и высокой адгезионной прочностью покрытия с материалом подложки.

Claims (1)

1. Способ получения многослойного покрытия на подложке в виде детали пары трения или режущего инструмента, включающий очистку подложки в плазме тлеющего разряда, отличающийся тем, что проводят очистку подложки в плазме тлеющего разряда при отрицательном напряжении смещения 700-800 В и токе смещения 1-1,2 A, которое подают на подложкодержатель, токе на всех мишенях 0,8-1 A и давлении аргона 1-1,2 Па в течение 10-12 мин, при этом подложку нагревают до температуры 250-300°С, затем проводят осаждение подслоя CrTiAlZr на подложку при включенных четырех магнетронах с мишенями Cr, Ti, Al, Zr в плазме аргона в течение 8-10 мин при давлении 0,97-1,03 Па, при токе на всех магнетронах 6-7 А и отрицательном напряжении смещения на подложке 80-90 В и токе смещения 0,7-0,8 A, затем поочередно наносят слои нитрида циркония и алюминия, нитрида титана и алюминия и нитрида хрома и алюминия при парциальном давлении 0,97-1,03 Па, скорости вращения подложкодержателя 10-15 об/мин, отрицательном напряжении смещения 80-90 В, токе смещения на подложке 0,7-0,8 A в газовой смеси азота и аргона в процентном соотношении N₂:Ar=30:70 при токе и напряжении на всех магнетронах 6-7 А и 340-480 В, причем каждый слой наносят в течение не менее 30 мин, при этом слой нитрида циркония и алюминия наносят при токе 6-7 А на циркониевой и алюминиевой мишенях и токе 1-1,2 А на хромовой и титановой мишенях, слой нитрида титана и алюминия наносят при токе 6-7 А на титановой и алюминиевой мишенях и токе 1-1,2 А на циркониевой и хромовой мишенях, слой нитрида хрома и алюминия наносят при токе 6-7 А на хромовой и алюминиевой мишенях и токе 1-1,2 А на циркониевой и титановой мишенях, причем нанесение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз до получения необходимой толщины покрытия.

Images