RU2354743C2 - Application method of thin-film coating on metal works - Google Patents
Application method of thin-film coating on metal works Download PDFInfo
- Publication number
- RU2354743C2 RU2354743C2 RU2007119859/02A RU2007119859A RU2354743C2 RU 2354743 C2 RU2354743 C2 RU 2354743C2 RU 2007119859/02 A RU2007119859/02 A RU 2007119859/02A RU 2007119859 A RU2007119859 A RU 2007119859A RU 2354743 C2 RU2354743 C2 RU 2354743C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- thin
- products
- thickness
- plasma
- Prior art date
Links
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам повышения долговечности и работоспособности различных металлических изделий - режущего инструмента, деталей технологической оснастки (для холодной и горячей обработки давлением, литейной оснастки, измерительного инструмента), изделий триботехнического назначения (подшипников качения, шестерен), высоконагруженных деталей машин и механизмов и др. за счет нанесения на их рабочие поверхности тонкопленочного износостойкого покрытия и может быть использовано во всех отраслях промышленности.The invention relates to methods for increasing the durability and performance of various metal products - cutting tools, tooling parts (for cold and hot pressure machining, foundry tooling, measuring tools), tribological products (rolling bearings, gears), highly loaded machine parts and mechanisms, etc due to the application of a thin-film wear-resistant coating on their working surfaces and can be used in all industries.
Повышение эффективности и ресурса работы различных металлических изделий в значительной степени зависит от физико-механических свойств поверхности, в том числе от твердости, остаточных напряжений, параметров шероховатости. Известна технология финишного плазменного упрочнения, при которой на поверхность изделий наносится тонкопленочное упрочняющее кремнийуглеродосодержащее покрытие [Соснин Н.А., Тополянский П.А., Вичик Б.Л. Плазменные покрытия (технология и оборудование). - СПб.: Изд-во О-во «Знание» России, 1992. - 28 с.]. При этом отсутствуют сведения об оптимальных параметрах плазменной струи, режимах и условиях стабильного нанесения качественного тонкопленочного упрочняющего покрытия, позволяющего повышать эксплуатационную стойкость изделий.Improving the efficiency and service life of various metal products largely depends on the physical and mechanical properties of the surface, including hardness, residual stresses, and roughness parameters. The known technology of plasma plasma hardening, in which a thin-film hardening silicon-carbon-containing coating is applied to the surface of the products [Sosnin N.A., Topolyansky P.A., Vichik B.L. Plasma coatings (technology and equipment). - St. Petersburg: Publishing House of the "Knowledge" of Russia, 1992. - 28 p.]. However, there is no information about the optimal parameters of the plasma jet, the modes and conditions of stable application of high-quality thin-film hardening coating, which allows to increase the operational stability of the products.
Исследованиями последних лет эта технология существенно усовершенствована. Установлено, что для нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия с высокими адгезионными свойствами возможно снижение термического воздействия плазменной струи на поверхность металла обрабатываемых изделий. При этом одновременно показана возможность значительного повышения работоспособности и эксплуатационной стойкости изделий с нанесенным покрытием минимальной толщины - менее 2 мкм.In recent years, this technology has been significantly improved. It was found that for applying a thin-film hardening coating with high adhesive properties, it is possible to reduce the thermal effect of the plasma jet on the metal surface of the processed products. At the same time, the possibility of a significant increase in the performance and operational stability of products with a minimum thickness of less than 2 microns was shown.
Известна технология химико-термической обработки изделий из твердого сплава [авт. св-во №1793004, МКИ С23С 8/36, B22F 3/24, опубликовано 1993.02.07], в которой нагрев ведут струей низкотемпературной аргоновой плазмы следующего состава, мас.%: азот 0,09-0,15; углерод 0,09-0,15; кремний 0,16-0,30; водород 0,04-3,00; аргон остальное, а струю перемещают вдоль поверхности изделия со скоростью 4-5 мм/с.The known technology of chemical-thermal processing of products from hard alloy [ed. certificate No. 1793004, MKI C23C 8/36, B22F 3/24, published 1993.02.07], in which the heating is carried out by a jet of low-temperature argon plasma of the following composition, wt.%: nitrogen 0.09-0.15; carbon 0.09-0.15; silicon 0.16-0.30; hydrogen 0.04-3.00; argon is the rest, and the jet is moved along the surface of the product at a speed of 4-5 mm / s.
Недостатком этого способа является низкая воспроизводимость эффекта повышения эксплуатационной стойкости из-за различной толщины упрочненного слоя поверхности металла, связанной с нерегламентированными режимами насыщения поверхности легирующими элементами и неконтролируемым по времени нагревом изделий плазменной струей в процессе обработки.The disadvantage of this method is the low reproducibility of the effect of increasing the operational stability due to different thicknesses of the hardened layer of the metal surface, associated with unregulated modes of saturation of the surface with alloying elements and uncontrolled heating of the products by a plasma jet during processing.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является способ химико-термической обработки изделий из твердого сплава и стали [патент РФ №2231573, МКИ С23С 8/38, опубл. 2004.02.20], при котором нагрев ведут струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород и аргон, которую перемещают вдоль поверхности изделия, отличающийся тем, что используют низкотемпературную аргоновую плазму следующего состава, мас.%: углерод 0,06-0,20; водород 0,04-3,50; кремний 0,16-0,80; азот или кислород 0,01-0,07; аргон остальное, а струю перемещают со скоростью 1-15 мм/с.The closest analogue of the invention is a method of chemical-thermal processing of products from hard alloy and steel [RF patent No. 2231573, MKI C23C 8/38, publ. 2004.02.20], in which heating is carried out by a jet of low-temperature argon plasma containing carbon, silicon, hydrogen and argon, which is moved along the surface of the product, characterized in that low-temperature argon plasma of the following composition is used, wt.%: Carbon 0.06-0 ,twenty; hydrogen 0.04-3.50; silicon 0.16-0.80; nitrogen or oxygen 0.01-0.07; argon is the rest, and the jet is moved at a speed of 1-15 mm / s.
Для осуществления способа по патенту РФ №2231573 используется модернизированный дуговой плазмотрон установки УПНС-304М отечественного производства с дополнительным блоком жидкостного питателя. В качестве рабочих реагентов жидкостного питателя используется кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).To implement the method according to the patent of the Russian Federation No. 2231573, a modernized arc plasma torch of the UPNS-304M installation of domestic production with an additional unit of a liquid feeder is used. An organosilicon polymer such as polyorganosiloxane (polyorganosilazane) is used as a working reagent of a liquid feeder.
Эксплуатационная стойкость изделий после такой обработки увеличивается, однако эффект повышения стойкости незначителен и нестабилен. Это связано с тем, что время обработки поверхности плазменной струей не конкретизировано, что может привести к образованию наносимого покрытия неоптимальной толщины, возможной его дефектности и неравномерности по толщине, а также создает условия для разупрочняющего отпуска поверхностных слоев закаленных сталей. Последнему способствуют и относительно низкие скорости перемещения плазменной струи вдоль поверхности изделия. Все это не позволяет не только получать стабильное повышение эксплуатационной стойкости обработанных изделий, но для ряда изделий вообще исключает применение данной технологии, например для беззазорных штампов (из-за неопределенной толщины наносимого покрытия).The operational durability of products after such processing increases, but the effect of increasing durability is negligible and unstable. This is due to the fact that the surface treatment time with a plasma jet is not specified, which can lead to the formation of a coating of non-optimal thickness, its possible imperfection and unevenness in thickness, and also creates conditions for softening the surface layers of hardened steels. The latter is also facilitated by the relatively low velocity of the plasma jet along the surface of the product. All this does not allow not only to obtain a stable increase in the operational stability of the processed products, but for a number of products it generally excludes the use of this technology, for example, for clearance-free dies (due to the uncertain thickness of the applied coating).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является значительное и стабильное увеличение эксплуатационной стойкости различной номенклатуры изделий за счет нанесения тонкопленочного покрытия оптимальной толщины.The problem to which the invention is directed, is a significant and stable increase in the operational stability of various product ranges due to the application of thin-film coatings of optimal thickness.
Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия, включающем обработку струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, водород, кремний, азот, кислород и аргон, а струю перемещают вдоль поверхности изделия, зону предстоящей обработки предварительно подогревают до температуры 50-100°С, струю перемещают со скоростью 3-150 мм/с, а общее время нанесения покрытия назначают из соотношенияThe problem is solved in that in the method of applying a thin film coating to metal products, including the processing of a jet of low-temperature argon plasma containing carbon, hydrogen, silicon, nitrogen, oxygen and argon, and the jet is moved along the surface of the product, the zone of the upcoming treatment is preheated to a temperature of 50 -100 ° C, the jet is moved at a speed of 3-150 mm / s, and the total coating time is assigned from the ratio
t=K·s·f,t = K s s f
где t - общее время нанесения покрытия в секундах (без учета времени промежуточных охлаждении изделия); К - коэффициент, равный 0,25…0,5; s - площадь обрабатываемой поверхности в мм2; f - задаваемая толщина покрытия в микрометрах.where t is the total coating time in seconds (excluding the time of intermediate cooling of the product); K is a coefficient equal to 0.25 ... 0.5; s is the surface area to be treated in mm 2 ; f is the specified coating thickness in micrometers.
Реализацию технологического решения осуществляют с помощью специализированной установки УФПУ-111 отечественного производства, включающей в себя: источник тока; плазмотрон ПС-3-01; плазмохимический генератор НПХ-3-01; блок аппаратуры (содержащий жидкостный питатель с реагентами упрочнения, устройство поджига дуги, электрические, газовые и водяные коммуникации и органы управления). В качестве реагентов для нанесения покрытия используется двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).The implementation of the technological solution is carried out using a specialized installation UFPU-111 of domestic production, which includes: a current source; plasmatron PS-3-01; Plasma-chemical generator NPH-3-01; a unit of equipment (containing a liquid feeder with hardening reagents, an arc ignition device, electrical, gas and water communications and controls). As a reagent for coating, a two-component technological preparation CETOL is used, which contains an organosilicon polymer such as polyorganosiloxane (polyorganosilazane).
Предварительный подогрев поверхности изделия до температуры 50-100°С создает условия образования в воздушной атмосфере на поверхности сталей и сплавов тонкой и плотной оксидной пленки толщиной порядка 0,025-0,030 мкм. Образуемая на поверхности металла в результате предварительного подогрева до температуры 50-100°С оксидная пленка оптимальной толщины значительно повышает адгезионную прочность сцепления с наносимым тонкопленочным покрытием за счет увеличения развитости и дефектности поверхности основы и химического взаимодействия с материалом покрытия. Более высокие температуры (выше 100°С) способствуют образованию на поверхности металла толстой и более рыхлой оксидной пленки, не дающей необходимого эффекта увеличения прочности сцепления покрытия с основой. Дополнительным важным результатом предварительного подогрева является обезвоживание поверхности изделия (испарение водного конденсата), что также способствует увеличению адгезии наносимого покрытия.Preheating the surface of the product to a temperature of 50-100 ° C creates the conditions for the formation in the air atmosphere on the surface of steels and alloys of a thin and dense oxide film with a thickness of the order of 0.025-0.030 microns. An oxide film of optimal thickness formed on the metal surface as a result of preheating to a temperature of 50-100 ° C significantly increases the adhesive strength of adhesion to the applied thin-film coating by increasing the development and imperfection of the base surface and chemical interaction with the coating material. Higher temperatures (above 100 ° C) contribute to the formation on the metal surface of a thicker and more friable oxide film, which does not give the necessary effect of increasing the adhesion strength of the coating to the substrate. An additional important result of preheating is the dehydration of the product surface (evaporation of water condensate), which also contributes to an increase in the adhesion of the applied coating.
Повышение долговечности различных изделий напрямую связано с толщиной наносимого износостойкого покрытия. Покрытие толщиной более 3 мкм ухудшает параметры шероховатости поверхности по сравнению с исходной шероховатостью, имеет низкую теплопроводность по сравнению с основой металла, а также повышенную склонность к образованию микротрещин. Натурные испытания показали, что в большинстве случаев покрытие даже минимальной толщины порядка 0,5 мкм и менее обеспечивает существенное повышение эксплуатационной стойкости изделий (на сотни %). Это связано с тем, что покрытие благодаря своей высокой твердости, химической инертности, низкому коэффициенту трения и значительному электросопротивлению (106 Ом·м) образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию контактируемых поверхностей. Кроме того, покрытие обладает достаточной коррозионной стойкостью и жаростойкостью (до 1000°С). Возможность нанесения покрытия минимальной толщины расширяет номенклатуру упрочняемых изделий, включая беззазорные штампы, высокоточный инструмент, калибры и т.д., а реализация самого процесса позволяет повысить производительность нанесения покрытия.Increasing the durability of various products is directly related to the thickness of the wear-resistant coating applied. A coating with a thickness of more than 3 μm worsens the surface roughness parameters compared to the initial roughness, has a low thermal conductivity compared to the metal base, and also an increased tendency to microcrack formation. Field tests have shown that in most cases, coating even a minimum thickness of the order of 0.5 microns or less provides a significant increase in the operational durability of the products (by hundreds of%). This is due to the fact that, due to its high hardness, chemical inertness, low friction coefficient and significant electrical resistance (10 6 Ohm · m), the coating forms a film barrier that prevents the setting of contact surfaces. In addition, the coating has sufficient corrosion resistance and heat resistance (up to 1000 ° C). The ability to coat a minimum thickness expands the range of hardenable products, including backlash-free dies, high-precision tools, calibers, etc., and the implementation of the process itself allows to increase the productivity of coating.
В ряде случаев, например, при нанесении покрытия на рабочие поверхности литьевых форм необходимо иметь повышенную толщину покрытия (до 2 мкм). Выбор параметров режима нанесения такого покрытия может быть получен с помощью расчета по вышеприведенному соотношению.In some cases, for example, when coating the working surfaces of injection molds, it is necessary to have an increased coating thickness (up to 2 μm). The choice of parameters for the application of such a coating can be obtained by calculating the above ratio.
При назначении общего времени нанесения покрытия из соотношения t=К·s·f, реальная толщина покрытия fп по отношению к заданной толщине f имеет максимально возможное отличие по абсолютной величине |(fп-f)·100%/f| не более 50%, что, как показали эксплуатационные испытания, вполне допустимо.When assigning the total coating time from the relation t = K · s · f, the actual coating thickness f p with respect to a given thickness f has the maximum possible difference in absolute value | (f p -f) · 100% / f | no more than 50%, which, as operational tests have shown, is perfectly acceptable.
Проведенными исследованиями установлено, что скорость охлаждения наносимого покрытия составляет порядка (1010…1012) К/с. При таких скоростях охлаждения покрытие затвердевает в аморфном состоянии. Микротвердость получаемого тонкопленочного покрытия, корректно измеренная при нагрузке на индентор 0,5 гс, имеет значение порядка 52 ГПа, что значительно выше, чем при технологиях, отличных от предлагаемого способа.Studies have established that the cooling rate of the coating is about (10 10 ... 10 12 ) K / s. At these cooling rates, the coating hardens in an amorphous state. The microhardness of the obtained thin-film coating, correctly measured at a load on the indenter of 0.5 g, has a value of about 52 GPa, which is significantly higher than with technologies different from the proposed method.
Важным условием нанесения качественного тонкопленочного покрытия является перемещение плазмотрона на скоростях, больших 3 мм/с с обеспечением многоциклового процесса нанесения упрочняющего покрытия (как правило, с промежуточными охлаждениями изделия). При циклическом нанесении тонкопленочного покрытия для одинакового общего времени обработки большая микротвердость композиции покрытие-подложка наблюдается для более короткого времени единичного цикла, уменьшающего разогрев основы, что соответствует повышенным скоростям перемещения плазменной струи - от 3 до 150 мм/с. Превышение верхней границы скорости ведет к негативным газодинамическим процессам взаимодействия плазменной струи с обрабатываемой поверхностью.An important condition for applying a high-quality thin-film coating is the movement of the plasma torch at speeds greater than 3 mm / s with the provision of a multi-cycle process of applying a hardening coating (usually with intermediate cooling of the product). When cyclically applying a thin-film coating for the same total processing time, a greater microhardness of the coating-substrate composition is observed for a shorter unit cycle time, which reduces the heating of the substrate, which corresponds to increased speeds of the plasma jet from 3 to 150 mm / s. Exceeding the upper velocity limit leads to negative gas-dynamic processes of interaction between the plasma jet and the surface being treated.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.
Пример 1. Матрицы и пуансоны вырубного штампа 1709.5110-П30 из стали X12M обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 1 мкм составляло 752; 1128 и 1504 с. Режим обработки - многоцикловый.Example 1. Matrices and punches of a die cut stamp 1709.5110-P30 made of X12M steel were treated with a jet of low-temperature argon plasma containing carbon, silicon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and argon under the conditions and parameters of the thin-film hardening coating deposition conditions specified in the present invention. This technological solution was implemented using the UFPU-111 installation of domestic production. Pre-heating of the stamp parts was carried out in an oven to temperatures of 50, 75 and 100 ° C. Process operating parameters: arc current - 100 A, plasma-forming argon flow rate - 1.5-2.0 l / min, transporting argon flow rate - 0.9-1.2 l / min, protective argon flow rate - 1.5-2, 5 l / min; the distance between the plasma-chemical generator and the treated surface is 10-20 mm. The speed of movement of the plasma torch along the treated surface is 3.0; 76.5 and 150 mm / s. The total coating time for a given thickness of 1 μm was 752; 1128 and 1504 s. The processing mode is multi-cycle.
В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).As a reagent for coating, a two-component technological preparation CETOL was used, which contains an organosilicon polymer of the type polyorganosiloxane (polyorganosilazane).
Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона, соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.1).Coating parameters: preheating temperature, total coating time, plasma torch moving speed, corresponded to the lower, middle, and upper levels of values (Table 1).
Испытания на эксплуатационную стойкость вырубных штампов 1709.5110-П30 из стали Х12М проводились при штамповке деталей 017ДА8-667-437 из оцинкованной стали 08пс толщиной 0,55 мм. Эксплуатационная стойкость оценивалась по соотношению деталей, отштампованных упрочненными и неупрочненными штампами по качеству отштампованных деталей (отсутствие заусенцев). Результаты приведены в табл.1.Tests for the operational resistance of punching dies 1709.5110-P30 from steel X12M were carried out when stamping parts 017DA8-667-437 from galvanized steel 08ps 0.55 mm thick. Operational durability was assessed by the ratio of parts stamped with hardened and unstressed dies by the quality of the stamped parts (no burrs). The results are shown in table 1.
fп, мкмThe resulting coating thickness
f p , μm
Пример 2. Вырубные штампы беззазорные 2ШБ11076 из стали Х12МФ обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 0,5 мм составляло 408; 612 и 816 с. Режим обработки - многоцикловый.Example 2. Non-gap die cutting dies 2ShB11076 made of X12MF steel were treated with a jet of low-temperature argon plasma containing carbon, silicon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and argon under the conditions and parameters of the thin-film hardening coating deposition conditions specified in the present invention. This technological solution was implemented using the UFPU-111 installation of domestic production. Pre-heating of the stamp parts was carried out in an oven to temperatures of 50, 75 and 100 ° C. Process operating parameters: arc current - 100 A, plasma-forming argon flow rate - 1.5-2.0 l / min, transporting argon flow rate - 0.9-1.2 l / min, protective argon flow rate - 1.5-2, 5 l / min; the distance between the plasma-chemical generator and the treated surface is 10-20 mm. The speed of movement of the plasma torch along the treated surface is 3.0; 76.5 and 150 mm / s. The total coating time for a given thickness of 0.5 mm was 408; 612 and 816 s. The processing mode is multi-cycle.
В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).As a reagent for coating, a two-component technological preparation CETOL was used, which contains an organosilicon polymer of the type polyorganosiloxane (polyorganosilazane).
Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.2).Coating parameters: preheating temperature, total coating time, plasmatron moving speed corresponded to the lower, middle, and upper levels of values (Table 2).
Испытания на эксплуатационную стойкость вырубных беззазорных штампов 2ШБ11076 из стали Х12МФ проводились при штамповке деталей из стали 65Г толщиной 0,8 мкм. Эксплуатационная стойкость оценивалась по соотношению деталей, отштампованных упрочненными и неупрочненными штампами по качеству отштампованных деталей (отсутствие заусенцев). Результаты приведены в табл.2.Tests for the operational resistance of die-cutting backlash-free dies 2ShB11076 made of X12MF steel were carried out when stamping parts made of 65G steel with a thickness of 0.8 μm. Operational durability was assessed by the ratio of parts stamped with hardened and unstressed dies by the quality of the stamped parts (no burrs). The results are shown in table.2.
Пример 3. Литьевые формы 147-131 ЛТНМП-100 из стали 4Х5МФС обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 2 мкм составляло 6280; 9420 и 12560 с. Режим обработки - многоцикловый.Example 3. Injection molds 147-131 LTNMP-100 made of 4X5MFS steel were treated with a jet of low-temperature argon plasma containing carbon, silicon, hydrogen, nitrogen, oxygen and argon under the conditions and parameters of the thin-film hardening coating deposition conditions specified in the present invention. This technological solution was implemented using the UFPU-111 installation of domestic production. Pre-heating of the stamp parts was carried out in an oven to temperatures of 50, 75 and 100 ° C. Process operating parameters: arc current - 100 A, plasma-forming argon flow rate - 1.5-2.0 l / min, transporting argon flow rate - 0.9-1.2 l / min, protective argon flow rate - 1.5-2, 5 l / min; the distance between the plasma-chemical generator and the treated surface is 10-20 mm. The speed of movement of the plasma torch along the treated surface is 3.0; 76.5 and 150 mm / s. The total coating time for a given thickness of 2 μm was 6280; 9420 and 12560 s. The processing mode is multi-cycle.
В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).As a reagent for coating, a two-component technological preparation CETOL was used, which contains an organosilicon polymer of the type polyorganosiloxane (polyorganosilazane).
Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.3).Coating parameters: preheating temperature, total coating time, plasmatron moving speed corresponded to the lower, middle, and upper levels of values (Table 3).
Испытания на эксплуатационную стойкость литьевых форм 147-131 ЛТНМП-100 из стали 4Х5МФС проводились при отливке кольца 124 из сплава латуни ЛЦ16К4. Стойкость оценивалась по соотношению деталей, отлитых в упрочненные и неупрочненные литьевые формы до появления сетки разгара. Результаты приведены в табл.3.Tests for the operational resistance of injection molds 147-131 LTNMP-100 from steel 4X5MFS were carried out during casting of ring 124 from an alloy of brass LTs16K4. Durability was evaluated by the ratio of parts cast in hardened and unstrengthened injection molds before the appearance of a heat grid. The results are shown in table.3.
Пример 4. Пластинки из твердого сплава ВК6 обрабатывали струей низкотемпературной аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон при условиях и параметрах режимов нанесения тонкопленочного упрочняющего покрытия, указанных в предлагаемом изобретении. Данное технологическое решение реализовывали с помощью установки УФПУ-111 отечественного производства. Предварительный подогрев деталей штампов осуществляли в сушильном шкафу до температур 50, 75 и 100°С. Рабочие параметры процесса: ток дуги - 100 А, расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин, расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин, расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин; дистанция между плазмохимическим генератором и обрабатываемой поверхностью - 10-20 мм. Скорость перемещения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности 3,0; 76,5 и 150 мм/с. Общее время нанесения покрытия заданной толщиной 1,2 мкм составляло 58; 87 и 115 с. Режим обработки - многоцикловый.Example 4. Plates of carbide VK6 were treated with a jet of low-temperature argon plasma containing carbon, silicon, hydrogen, nitrogen, oxygen and argon under the conditions and parameters of the modes of deposition of a thin-film hardening coating specified in the present invention. This technological solution was implemented using the UFPU-111 installation of domestic production. Pre-heating of the stamp parts was carried out in an oven to temperatures of 50, 75 and 100 ° C. Process operating parameters: arc current - 100 A, plasma-forming argon flow rate - 1.5-2.0 l / min, transporting argon flow rate - 0.9-1.2 l / min, protective argon flow rate - 1.5-2, 5 l / min; the distance between the plasma-chemical generator and the treated surface is 10-20 mm. The speed of movement of the plasma torch along the treated surface is 3.0; 76.5 and 150 mm / s. The total coating time for a given thickness of 1.2 μm was 58; 87 and 115 s. The processing mode is multi-cycle.
В качестве реагентов для нанесения покрытия использовался двухкомпонентный технологический препарат СЕТОЛ, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер типа полиорганосилоксан (полиорганосилазан).As a reagent for coating, a two-component technological preparation CETOL was used, which contains an organosilicon polymer of the type polyorganosiloxane (polyorganosilazane).
Параметры нанесения покрытия: температура предварительного подогрева, общее время нанесения покрытия, скорость перемещения плазмотрона, соответствовали нижнему, среднему и верхнему уровням значений (табл.4).Coating parameters: preheating temperature, total coating time, plasma torch moving speed, corresponded to the lower, middle, and upper levels of values (Table 4).
Испытания на эксплуатационную стойкость пластинок из твердого сплава ВК6 проводились при обработке деталей из стали 25Л. Стойкость оценивалась по соотношению деталей, обработанных упрочненными и неупрочненными пластинками до появления критического износа граней пластинок. Результаты приведены в табл.4.Tests for the operational stability of VK6 carbide inserts were carried out when machining parts made of 25L steel. Resistance was evaluated by the ratio of parts machined by hardened and unhardened plates until critical wear of the faces of the plates appeared. The results are shown in table 4.
Эффект от использования предлагаемого способа нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия достигается за счет:The effect of using the proposed method of applying a thin film coating on metal products is achieved by:
а) ограничения общего времени нанесения покрытия, связанного определенным соотношением с задаваемой толщиной наносимого тонкопленочного покрытия;a) restrictions on the total time of coating, associated with a certain ratio with the specified thickness of the applied thin-film coating;
б) повышения адгезии наносимого тонкопленочного покрытия к основе, обусловленного предварительным подогревом изделия на воздухе до температуры 50-100°С и образованием на поверхности основы тонкой и плотной оксидной пленки, многократно повышающей адгезионную прочность сцепления наносимого покрытия с основой; повышенная адгезия покрытия к основе при нанесении покрытия способствует созданию в поверхностном слое металла сжимающих остаточных напряжений, повышающих эксплуатационную стойкость изделий с покрытием даже минимальной толщины порядка 0,5 мкм и менее;b) increasing the adhesion of the applied thin-film coating to the base, due to the preheating of the product in air to a temperature of 50-100 ° C and the formation of a thin and dense oxide film on the surface of the substrate, many times increasing the adhesive strength of adhesion of the coating to the substrate; increased adhesion of the coating to the base during coating helps to create compressive residual stresses in the surface layer of the metal, which increase the operational resistance of articles with a coating even of a minimum thickness of the order of 0.5 microns or less;
в) увеличенной скорости перемещения плазменной струи вдоль поверхности изделия, что также исключает вероятность разупрочняющего отпуска.c) increased velocity of the plasma jet along the surface of the product, which also eliminates the possibility of softening tempering.
В результате на обрабатываемой поверхности формируется тонкопленочное покрытие, обладающее оптимальным комплексом упрочняющих свойств: покрытие даже минимальной толщины - 0,5 мкм и менее, обеспечивает существенное повышение эксплуатационной стойкости (на сотни %), что определяется высокой микротвердостью получаемого покрытия (до 52 ГПа), повышенной адгезией к основе, химической инертностью, низким коэффициентом трения, диэлектрическими свойствами покрытия, которое образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию контактируемых поверхностей. Кроме того, это покрытие обладает достаточной коррозионной стойкостью и жаростойкостью (до 1000°С). При условиях и параметрах режимов нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия, указанных в изобретении, обеспечивается получение в поверхностном слое металла толщиной до 10 мкм сжимающих остаточных напряжений, исключающих образование при эксплуатации микротрещин и уменьшающих склонность к усталостным разрушениям. Сжимающие напряжения возникают вследствие различия коэффициентов термического расширения и температуры материала подложки и покрытия и повышенной адгезии покрытия за счет образования прочных межмолекулярных и химических связей покрытия с основой, микрореологических процессов, связанных с заполнением впадин шероховатости, а также микротрещин и микропор подложки при формировании покрытия. Условия и параметры режимов нанесения упрочняющего тонкопленочного покрытия, указанные в изобретении, обеспечивают значительное и стабильное повышение эксплуатационной стойкости изделий с хорошей воспроизводимостью и расширение номенклатуры обрабатываемых изделий.As a result, a thin film coating is formed on the surface to be treated, which has an optimal complex of hardening properties: a coating of even a minimum thickness of 0.5 μm or less provides a significant increase in operational resistance (by hundreds of%), which is determined by the high microhardness of the resulting coating (up to 52 GPa), increased adhesion to the base, chemical inertness, low coefficient of friction, dielectric properties of the coating, which forms a film barrier that prevents the setting of contact surfaces. In addition, this coating has sufficient corrosion resistance and heat resistance (up to 1000 ° C). Under the conditions and parameters of the application regimes of the reinforcing thin-film coating specified in the invention, it is possible to obtain compressive residual stresses in the surface layer of the metal with a thickness of up to 10 μm, which exclude the formation of microcracks during operation and reduce the tendency to fatigue fractures. Compressive stresses arise due to the difference in the thermal expansion coefficients and the temperature of the substrate material and the coating and increased adhesion of the coating due to the formation of strong intermolecular and chemical bonds of the coating with the base, micro-rheological processes associated with filling the roughness cavities, as well as microcracks and micropores of the substrate during coating formation. The conditions and parameters of the application regimes of the hardening thin-film coating specified in the invention provide a significant and stable increase in the operational stability of products with good reproducibility and the expansion of the range of processed products.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007119859/02A RU2354743C2 (en) | 2007-05-28 | 2007-05-28 | Application method of thin-film coating on metal works |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007119859/02A RU2354743C2 (en) | 2007-05-28 | 2007-05-28 | Application method of thin-film coating on metal works |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007119859A RU2007119859A (en) | 2008-12-10 |
RU2354743C2 true RU2354743C2 (en) | 2009-05-10 |
Family
ID=41020208
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007119859/02A RU2354743C2 (en) | 2007-05-28 | 2007-05-28 | Application method of thin-film coating on metal works |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2354743C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548847C2 (en) * | 2013-08-08 | 2015-04-20 | Учреждение Российской академии наук Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМ СО РАН) | Hard-facing of steel parts |
-
2007
- 2007-05-28 RU RU2007119859/02A patent/RU2354743C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548847C2 (en) * | 2013-08-08 | 2015-04-20 | Учреждение Российской академии наук Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМ СО РАН) | Hard-facing of steel parts |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007119859A (en) | 2008-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103370438B (en) | There is thermometal plate forming or the press tool of Cr-Si-N coating | |
Arai | Carbide coating process by use of molten borax bath in Japan | |
JP6015663B2 (en) | Covering material with excellent sliding characteristics | |
JP6084996B2 (en) | Strengthening adhesion of low temperature ceramic coating | |
KR20140019947A (en) | Coating material for aluminum die casting and the method for manufacturing thereof | |
US20100098964A1 (en) | Method for the production of a coating | |
JP2008080352A (en) | Hard material coated die for plastic working having excellent durability | |
KR100818165B1 (en) | Manufacturing method of multilayered composite film with excellent lubricity and wear resistance | |
RU2354743C2 (en) | Application method of thin-film coating on metal works | |
JP2010222648A (en) | Carbon steel material manufacturing method and carbon steel material | |
CA2891886C (en) | Hard coating having excellent adhesion resistance to soft metal | |
JP4307912B2 (en) | Composite surface modification method | |
WO2009104273A1 (en) | Iron base alloy product with composite coating | |
JP2008080353A (en) | Member for casting | |
US8597737B2 (en) | Method of carbo-nitriding alumina surfaces | |
JP2010222649A (en) | Carbon steel material manufacturing method and carbon steel material | |
JPH1190611A (en) | Die for die casting and manufacture thereof | |
KR20110004973A (en) | Surface treatment method of cobalt alloy product which improves corrosion resistance and abrasion resistance among liquid metals and products manufactured by the method | |
JP2002069605A (en) | Hardening surface treatment method for iron base material | |
JPH062102A (en) | Method for controlling carburization | |
JP5352835B2 (en) | Manufacturing method of heat-resistant alloy spray powder material | |
KR102632776B1 (en) | 3D laser printing applied brake disc and brake disc ceramic coating method | |
Kovačić et al. | Wear resistance of TiN/TiCN and TiN/TiBN multilayer coatings applied on hot work tool steel | |
RU2451108C1 (en) | Steel tool or carbide tool treatment method | |
Schlutter | Injection Mold Coating Technology |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120529 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140427 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170529 |