1 Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Лекция 12 Виды покрытий и их свойства. Особенности их нанесения. 1. Упрочняющие и износостойкие покрытия. 2. Высокотемпературные покрытия. 3. Оптические покрытия. 4. Биосовместимые покрытия. 5. Декоративные покрытия.

2 Во-первых, покрытие должно обладать: высокой твердостью, превышающей твердость материала инструмента; устойчивостью к высокотемпературной коррозии; отсутствием схватываемости с обрабатываемым материалом во всем диапазоне температур резания; устойчивостью к разрушению при колебании температур и напряжений; постоянством механических свойств, даже при температурах, близких к температурам разрушения инструментального материала. Требования к износостойким покрытиям для режущего инструмента:

3 Во-вторых, необходима совместимость свойств материала покрытия со свойствами материала инструмента: сродство кристаллохимического строения материала покрытия и инструмента; оптимальное соотношение материалов покрытия и инструмента по модулям упругости, коэффициентам Пуассона и линейного расширения, теплопроводности; малая склонность к образованию хрупких вторичных соединений.

4 В-третьих, это требования к технологическим особенностям метода нанесения покрытий: создание в процессе нанесения покрытия условий, не оказывающих существенного влияния на физические и кристаллохимические свойства материала подложки. В-четвертых, требования, относящиеся к покрытиям в целом: покрытие должно быть сплошным и иметь постоянную плотность по всему объему, тем самым, защищая материал инструмента от соприкосновения с обрабатываемым материалом и газовой средой. стабильность свойств покрытия во времени; малость колебаний толщины покрытия в процессе работы, позволяющая не изменять рельеф материала инструмента. Требования к износостойким покрытиям для режущего инструмента:

5 В качестве износостойких покрытий применяются соединения тугоплавких металлов IV-VI группы Периодической системы элементов с кислородом, углеродом и азотом. - Во-первых, эти металлы имеют недостаток электронов на внутренних s, p и d орбиталях. Это приводит к тому, что они с достаточной легкостью могут приобретать электроны от атомов углерода, азота и кислорода. - Во-вторых, большинство переходных металлов имеют достаточно большие атомные радиусы и при образовании соединений с атомами C, N и O могут подчиняться правилу Хэгга, согласно которому отношение радиуса атома неметалла к радиусу атома металла меньше критического значения Для соединений металлов IV группы (Ti, Zr, Hf) достаточно точно выдерживается правило Хэгга, что приводит к образованию простых структур, в которых превалирует связь металл- металл, а атомы C, H, O можно рассматривать как вставленные в решетку атомов металла. - В-третьих, большинство переходных металлов имеют широкие области гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода достаточно сильно изменять физико- механические свойства их карбидов, нитридов и оксидов. - В-четвертых, переходные металлы и некоторые их соединения, в первую очередь соединения с простой кубической структурой типа NaCl (ZrC, ZrN, TiN, VC, TaC), отличаются очень высокими температурами плавления.

6 Таблица 1. Классификация износостойких покрытий. Одноэлементные На основе соединения одного тугоплавкого металла. Пример: TiN, TiC. Многоэлементные На основе соединения двух или более тугоплавких металлов. Пример: (Ti-Cr)N. Многокомпонентн ые На основе смесей двух или более соединений одного металла. Пример: TiCN. Композиционные На основе смесей двух или более соединений, двух или более металлов. Пример: TiCr-Al 2 O 3 -TiN.

7 Система гибридных орбиталей sр-типа. Оси симметрии негибридизированных атомных орбиталей изображены отрезками. Стрелками указано направление смещения электронной плотности.

8 Многослойные покрытия. Значительный интерес в качестве основы покрытий представляют двойные и тройные системы карбидов, нитридов, а также карбонитридов переходных материалов: пары карбид-карбид: TiC-ZrC; ZrC-TaC; MoC-WC; TiC- TaC; TiC-HfC; пары нитрид-нитрид: TiN-ZrN; ZrN-HfN; TaN-CrN; TiN- HfN; CrN-MoN; пары карбид-нитрид: TiC-TiN; ZrN-ZrC; TiC-ZrN; NbC- TiN; TiC-VN; При резании со значительными скоростями и ударными нагрузками эффективно многослойное покрытие WC/TiC + TiC + Ti(C,N). При высоких скоростях резания с большей тепловой нагрузкой эффективно покрытие TiC + TiB 2.

9 Быстрорежущая сталь Твердые сплавы Вязкие твердые сплавы (Ti, Zr)C,N (Ti,Hf)C,N Hf(C,N) Zr(C,N) Ti(C,N) Al 2 O 3 /ZrO 2 /TiO x (Ti,Hf)C,N TiC TiN Ti(C,N) Al 2 O Температура нанесения покрытия, °С Давление, Па (Ti, Zr)C,N TiN Ti(C,N) Al 2 O 3 TiN Ti(C,N) (Ti,Al)N (Ti,Al)O,N MoS 2 WC/C PVD CVDMT-CVD PCVD Рис. 3. Область применения методов нанесения износостойких покрытий. PCVD – метод ассистированного плазмой химического газофазного осаждения, MT-CVD – среднетемпературный метод химического газофазного осаждения.

10 При осаждении основных видов покрытия TiN, TiC и Al 2 O 3 происходят следующие реакции: TiCl 4 + CH 4 = TiC + 4HCl TiCl 4 + 2H 2 + 1/2N 2 = TiN + HCl Al 2 Cl 6 + 3CO 2 + 3H 2 = Al 2 O 3 + 3CO + 6HCl

11 Таблица 2. Влияние температуры конденсации на структурные и механические свойства. Температ ура Т к, °С Структурные свойства Механические свойства а, нмд 0 ·10 9, ПаН, ГПаК0К , , , ,1

12 Таблица 3. Параметры структуры и механические свойства покрытий. Покрытие Свойства а, нмд 0 ·10 9, ПаН, ГПа TiN TiZrN TiFeN TiAlN

13 Влияние состава покрытия TiZrN на микротвердость (Н), коэффициент отслоения ( К 0 ) и интенсивность износа (J) инструмента. Н Рис. 4.

14 Н Влияние содержания ацетилена в смеси реакционных газов на микротвердость (Н), коэффициент отслоения (К 0 ) и период стойкости (Т) пластин ВК6 с покрытием TiZrСN. Рис. 5.

15 Металлические покрытия различаются по назначению, условиям эксплуатации, методам нанесения, механизму защиты. По назначению металлические покрытия подразделяются на: - защитные, применяемые для предохранения основного металла от коррозии; - защитно-декоративные, применяемые для деталей, требующих, наряду с защитой от коррозии, также и декоративной отделки; - покрытия, более широкого назначения, применяемые для специальных целей, например, для повышения твердости, износостойкости, антифрикционных свойств деталей и др. По условиям эксплуатации покрытия подразделяются на эксплуатируемые в агрессивной среде, в атмосферных условиях, при высоких температурах. По методам нанесения металлические защитные покрытия подразделяются на гальванические, горячие, термодиффузионные, металлизационные, плакировочные. Классификация металлических защитных покрытий.

16 -быть прочно сцепленными с основой и не отслаиваться при любых условиях эксплуатации; -быть плотными, мелкокристаллическими, обеспечивающими коррозионную стойкость изделия; -иметь минимальную пористость; - удовлетворять специальным требованиям к покрытию: твердости, износостойкости, удельному электросопротивлению, оптическим свойствам, антифрикционным свойствам и др. Требования к металлическим эрозионностойким покрытиям:

17 а - катодного, б - анодного; 1– раствор, 2 – покрытие, 3 – основной металл, 4 – дефект в покрытии. а) б) Рис. 6. Схема коррозии металла в кислом растворе при нарушении металлических покрытий: к к а а

18 Термохромирование повышает жаростойкость, твердость стали и сопротивление износу. Жаростойкость термо хромированной стали повышается до 800°С. Высокая твердость поверхностного слоя обусловлена образованием карбидов хрома. Силицирование повышает жаростойкость стали до 850°С, а также коррозионную стойкость в азотной и соляной кислотах. Силицированные изделия из углеродистой стали приобретают свойства, присущие железокремнистым сплавам. Этому процессу подвергают, в основном, стальные кислота проводы, детали насосов для перекачки кислот, различную арматуру аппаратов, применяемую в химической промышленности. Алитирование – процесс насыщения алюминием поверхностных слоев стали, чугуна и меди – предназначено для повышения жаростойкости изделий