Способ нанесения легирующего покрытия на поверхность металлического изделия

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЛЕГИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Углов Владимир Васильевич Черенда Николай Николаевич Стальмошенок Елена Константиновна Асташинский Валентин Миронович Подсобей Григорий Захарович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ нанесения легирующего покрытия на поверхность металлического изделия,заключающийся в том, что наносят слои легирующих элементов, причем поверхность металлического изделия перед нанесением слоев легирующих элементов и каждый нанесенный слой легирующего элемента обрабатывают в среде рабочего газа компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 5-60 Дж/см 2 и длительностью разряда 50250 мкс. Изобретение относится к технологии нанесения легирующих материалов на поверхность металлических изделий и может быть использовано в машиностроении для упрочнения рабочих поверхностей. Известен способ нанесения легирующего покрытия на поверхность низкоуглеродистой стали, при котором на ее поверхность наносят легирующий элемент и обрабатывают импульсами компрессионных плазменных потоков. Известный способ не обеспечивает повышение микротвердости и уменьшение коэффициента трения из-за недостаточной концентрации легирующего элемента в материале изделия. Задачей изобретения является повышение микротвердости и уменьшение коэффициента трения поверхности металлического изделия за счет увеличения концентрации легирующих элементов в материале изделия. Задача решается тем, что в способе нанесения легирующего покрытия на поверхность металлического изделия наносят слои легирующих элементов, причем поверхность металлического изделия перед нанесением слоев легирующих элементов и каждый нанесенный слой легирующего элемента обрабатывают в среде рабочего газа компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 5-60 Дж/см 2 и длительностью разряда 5250 мкс. 12728 1 2009.12.30 Обработка поверхности изделия компрессионными плазменными потоками перед нанесением легирующих элементов обеспечивает очистку и гомогенизацию поверхностного слоя материала изделия, в результате чего повышается равномерность распределения наносимых легирующих элементов в материале изделия, а также адгезия каждого нанесенного слоя легирующего элемента. Нанесение и последующая обработка каждого нанесенного легирующего слоя компрессионными плазменными потоками с экспериментально установленными плотностью энергии и длительностью импульса обеспечивает дальнейшее увеличение концентрации легирующего элемента в поверхностном слое материала изделия, изменяет фазовый состав его легированной области и, соответственно, повышение микротвердости и уменьшение коэффициента трения поверхности изделия. Заявленный способ осуществляют следующим образом. Для проведения испытаний нанесенных покрытий из легирующих элементов циркония, хрома, молибдена, титана,вольфрама были изготовлены образцы из низкоуглеродистой стали (марка Ст 3), быстрорежущей стали (марка Р 6 М 5), алюминия (марка А 95) и никеля в виде дисков диаметром 20 мм и толщиной 2 мм. Обработку поверхности образцов перед нанесением легирующих слоев и обработку каждого нанесенного легирующего слоя производили компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 5-60 Дж/см 2 и длительностью разряда 50-250 мкс, сформированных с помощью газоразрядного магнитоплазменного компрессора компактной геометрии в среде азота. Нанесение слоев легирующих элементов производили на установке вакуумно-дугового осаждения ВУ-2 МБС. Микротвердость полученных покрытий измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 100 г для никеля и алюминия и 200 г для сталей. Полученные покрытия испытывали на коэффициент трения на трибометре УИПТ-001 при возвратно-поступательном движении индентора из твердого сплава ВК 8 по поверхности образца при нагрузке 100 г в условиях сухого трения. Коэффициент трения алюминия не определялся вследствие его высокой пластичности и эффектов схватывания при трении. Изобретение иллюстрируется примерами. Примеры одноэлементного легирования низкоуглеродистой стали Ст 3 цирконием. Пример 1. На поверхность образца из низкоуглеродистой стали Ст 3 по известному способу наносят слой циркония и обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 13 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Результаты испытания сведены в табл. 1 (пример 1). Примеры 2-134. Поверхность образцов из низкоуглеродистой стали Ст 3 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 2, 5, 10, 13, 15, 30, 40, 60, 70 Дж/см 2 и длительностью разряда 30, 50, 100, 150, 200,250, 300 мкс. На одну часть образцов наносят один слой, на другую часть образцов - три слоя и на третью - пять слоев циркония. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 2, 5, 10, 13, 15, 30, 40, 60,70 Дж/см 2 и длительностью разряда 30, 50, 100, 150, 200, 250, 300 мкс. Режимы обработки и результаты испытаний сведены в табл. 1 (примеры 2-134). Примеры нанесения легирующего элемента на низкоуглеродистую сталь Ст 3. Примеры 1-6. На поверхность образцов из низкоуглеродистой стали Ст 3 по известному способу наносят слой титана, или молибдена, или хрома и обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 13 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Результаты испытания сведены в табл. 2 (примеры 1, 3, 5). Поверхность других образцов из низкоуглеродистой стали Ст 3 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 15 и 30 Дж/см 2 и дли 2 12728 1 2009.12.30 тельностью разряда 50, 100 и 150 мкс. На один образец наносят три слоя титана, на другой пять слоев молибдена, на третий - три слоя хрома. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 15 и 30 Дж/см 2 и длительностью разряда 50, 100 и 150 мкс. Режимы обработки и результаты испытаний сведены в табл. 2 (примеры 2, 4, 6). Примеры многоэлементного легирования низкоуглеродистой стали Ст 3 хромом, цирконием, титаном, молибденом, вольфрамом. Пример 1. Поверхность образца из низкоуглеродистой стали Ст 3 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 15 Дж/см 2 и длительностью разряда 150 мкс. Затем наносят три слоя хрома и один слой циркония. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 15 Дж/см 2 и длительностью разряда 150 мкс. Пример 2. Поверхность образца из низкоуглеродистой стали Ст 3 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 20 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Затем наносят два слоя титана и два слоя молибдена. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 20 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Пример 3. Поверхность образца из низкоуглеродистой стали Ст 3 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 30 Дж/см 2 и длительностью разряда 150 мкс. Затем наносят два слоя молибдена и один слой вольфрама. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 30 Дж/см 2 и длительностью разряда 150 мкс. Пример 4. Поверхность образца из низкоуглеродистой стали Ст 3 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 15 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Затем наносят один слой титана, один слой хрома и один слой молибдена. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 15 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Режимы обработки и результаты испытаний сведены в табл. 3. Примеры одно- и многоэлементного легирования алюминия, никеля и стали Р 6 М 5 цирконием, молибденом, титаном, вольфрамом. Примеры 1-9. На поверхность образцов из алюминия (марка А 95), никеля и быстрорежущей стали(марка Р 6 М 5) по известному способу наносят слой циркония и обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 13 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 мкс. Результаты испытаний сведены в табл. 4 (примеры 1, 4, 7). Поверхность других образцов из алюминия, никеля и стали Р 6 М 5 по заявляемому способу предварительно обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 5,10, 13, 15 и 20 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 и 150 мкс. На часть образцов наносят три слоя циркония, на другую - один слой молибдена, один слой титана и один слой циркония, на третью - один слой циркония, один слой титана и один слой вольфрама. Каждый нанесенный слой обрабатывают компрессионными плазменными потоками с плотностью энергии 5, 10, 13, 15 и 20 Дж/см 2 и длительностью разряда 100 и 150 мкс. Режимы обработки и результаты испытаний сведены в табл. 4 (примеры 2, 3, 5, 6, 8, 9). Как видно из приведенных в таблицах данных, заявляемый способ по сравнению с известным при однослойном нанесении циркония на низкоуглеродистую сталь Ст 3 обеспечивает увеличение микротвердости в 1,1 раза и уменьшение коэффициента трения в 1,1 3 12728 1 2009.12.30 раза (табл. 1), при многослойном нанесении циркония - увеличение микротвердости в 1,7 раза и уменьшение коэффициента трения в 1,5 раза (табл. 1), при трехслойном нанесении титана - увеличение микротвердости в 1,5 раза и уменьшение коэффициента трения в 4,5 раза (табл. 2), при пятислойном нанесении молибдена - увеличение микротвердости в 1,3 раза и уменьшение коэффициента трения в 2,7 раза (табл. 2), при трехслойном нанесении хрома - увеличение микротвердости в 1,3 раза и уменьшение коэффициента трения в 2,0 раза (табл. 2). При многоэлементном нанесении хрома и циркония на низкоуглеродистую сталь Ст 3 обеспечивается микротвердость 7,21 ГПа и коэффициент трения 0,11, титана и молибдена микротвердость 8,41 ГПа и коэффициент трения 0,10, молибдена и вольфрама - микротвердость 6,46 ГПа и коэффициент трения 0,10, титана, хрома и молибдена - микротвердость 6,75 ГПа и коэффициент трения 0,12 (табл. 3). Заявляемый способ по сравнению с известным при многоэлементном нанесении молибдена, титана и циркония на алюминий обеспечивает увеличение микротвердости в 1,4 раза (табл. 4), при трехслойном нанесении циркония на никель - увеличение микротвердости в 1,5 раза и уменьшение коэффициента трения в 1,1 раза (табл. 4), при многоэлементном нанесении циркония, титана и вольфрама на быстрорежущую сталь Р 6 М 5 увеличение микротвердости в 1,1 раза и уменьшение коэффициента трения в 1,4 раза(табл. 4). Таблица 1 Плотность Количество Длительность Микротвердость, Коэффициентпримера энергии,нанесенных разряда, мкс ГПа трения Дж/см 2 слоев 1 13 100 1 5,90 0,14 2 2 30 1 2,06 0,53 3 1 2,07 0,53 5 100 4 3 2,10 0,51 5 5 2,19 0,50 6 1 2,12 0,51 30 7 3 2,21 0,50 8 5 2,32 0,48 9 1 4,59 0,24 50 10 3 5,32 0,18 11 5 5,91 0,14 12 1 4,55 0,25 100 13 3 6,21 0,13 14 5 6,96 0,12 15 1 4,51 0,25 10 150 16 3 6,03 0,13 17 5 6,59 0,13 18 1 4,34 0,27 200 19 3 5,99 0,14 20 5 6,44 0,13 21 1 4,09 0,30 250 22 3 5,68 0,16 23 5 6,10 0,13 24 1 3,02 0,40 300 25 3 3,39 0,36 26 5 3,51 0,35 4 Количество Длительность Микротвердость, Коэффициент нанесенных разряда, мкс ГПа трения слоев 1 2,54 0,46 30 3 2,75 0,44 5 2,90 0,41 1 4,13 0,29 50 3 5,40 0,17 5 6,05 0,13 1 6,09 0,13 100 3 7,32 0,12 5 8,10 0,11 1 6,54 0,13 150 3 7,63 0,12 5 8,19 0,11 1 5,93 0,14 200 3 6,25 0,13 5 6,94 0,12 1 5,89 0,14 250 3 6,13 0,13 5 6,42 0,13 1 4,10 0,29 300 3 4,51 0,25 5 4,77 0,22 1 3,12 0,39 30 3 3,56 0,35 5 3,91 0,31 1 4,08 0,30 50 3 4,89 0,21 5 5,78 0,15 1 6,16 0,13 100 3 8,13 0,11 5 9,79 0,09 1 6,45 0,13 150 3 7,86 0,12 5 9,19 0,10 1 6,39 0,13 200 3 6,71 0,13 5 7,25 0,12 1 6,14 0,13 250 3 6,36 0,13 5 7,17 0,12 1 4,54 0,25 300 3 4,90 0,21 5 5,43 0,17 Количество Длительность Микротвердость, Коэффициент нанесенных разряда, мкс ГПа трения слоев 1 4,95 0,20 30 3 5,29 0,18 5 5,51 0,17 1 5,19 0,18 50 3 5,71 0,16 5 6,15 0,13 1 5,45 0,17 100 3 5,97 0,14 5 6,63 0,13 1 4,92 0,21 150 3 5,49 0,17 5 6,23 0,13 1 4,77 0,22 200 3 5,51 0,17 5 6,15 0,13 1 4,43 0,26 250 3 5,15 0,19 5 6,03 0,14 1 3,84 0,32 300 3 4,90 0,21 5 5,17 0,18 1 4,93 0,21 30 3 5,41 0,17 5 5,84 0,15 1 5,24 0,18 50 3 5,75 0,16 5 5,83 0,15 1 5,19 0,18 100 3 5,79 0,15 5 6,41 0,13 1 4,77 0,22 150 3 5,12 0,19 5 6,11 0,14 1 4,25 0,28 200 3 5,09 0,19 5 5,99 0,14 1 4,22 0,28 250 3 4,91 0,21 5 5,87 0,15 1 3,66 0,34 300 3 4,75 0,23 5 4,92 0,21 Количество Длительность Микротвердость, Коэффициент нанесенных разряда, мкс ГПа трения слоев 1 5,07 0,19 30 3 5,31 0,18 5 5,59 0,16 1 5,24 0,18 50 3 5,53 0,17 5 6,22 0,13 1 4,75 0,23 100 3 5,59 0,16 5 6,13 0,13 1 4,91 0,21 150 3 5,15 0,19 5 5,89 0,15 1 3,65 0,34 200 3 4,14 0,29 5 4,92 0,21 1 3,15 0,39 250 3 3,79 0,32 5 4,28 0,27 1 2,99 0,40 300 3 3,27 0,37 5 3,91 0,31 1 2,52 0,46 300 3 3,11 0,39 5 3,79 0,32 Таблица 2 Плотность Количество Легирующий Длительность Микротвердость, Коэффициент приэнергии,нанесенных элемент разряда, мкс ГПа трения мера Дж/см 2 слоев 1 2 3 4 5 6 Плотность Количество Легирующий Длительность Микротвердость, Коэффициент приэнергии,нанесенных элемент разряда, мкс ГПа трения мера Дж/см 2 слоев С Обрабаты- Легирую- Плотность Длитель- Количество ваемый щий элеэнергии, ность раз- нанесенных материал мент Дж/см 2 ряда, мкс слоев Источники информации 1. Углов В.В., Черенда Н.Н. и др. Перемешивание системы цирконий/сталь компрессионными плазменными потоками // Вакуумная техника и технология. - 2006. - Т. 16.2. - . 123-131 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8