Способ получения износостойкого покрытия на основе борида алюминия-магния

Область применения

Изобретение относится к области износостойких покрытий на основе соединения борида алюминия-магния (БАМ). Покрытие может использоваться для повышения срока службы, стабильности работы и расширения функциональных свойств инструмента и различных деталей.

Уровень техники

Исследования боридов AlMgB₁₄ начались в 70-х годах двадцатого века [1] и были в основном посвящены их кристаллической структуре [2], истинной стехиометрии Al_0.75Mg_0.78B₁₄, а также термоэлектрическим, электронным и оптическим свойствам [3]. Интерес к AlMgB₁₄ вновь проявился в начале 1993 г., а затем в 2000 г., когда Хигаси и др. [4] и позже Кук и др. из Айовы [3] подтвердили исключительную твердость этих кристаллов, соответственно, 27.4-28.3 ГПа [4] и 32-35 ГПа [3].

Известен способ получения сверхтвердых износостойких покрытий на основе соединения борида алюминия - магния (БАМ) согласно патенту US 7238429 [5]. В данном патенте представлен метод формирования сверхтвердых антифрикционных покрытий на основе AlMgB₁₄ для применения в микроэлектромеханических системах (МЭМС). Метод формирования слоя AlMgB₁₄, содержащего менее 10 молярных % кислорода, осуществляется методом лазерной абляции (импульсного лазерного осаждения) единой стехиометрической мишени AlMgB₁₄. Методом лазерной абляции получены покрытия, обладающие твердостью по шкале Виккерса Hv до 51 ГПа и модуль упругости Юнга Е до 300 ГПа в поверхностных слоях и Н до 30 ГПа, Е до 150 Гпа в толще покрытия. Недостатком данного способа является неравномерность по толщине и малая площадь покрытия, ограниченная сечением плазменного факела (порядка 10 см²). Данный метод является лабораторным и не используется в промышленности для получения тонких пленок и покрытий.

Также известен способ получения сверхтвердых износостойких БАМ покрытий методом высокочастотного магнетронного распыления согласно работам [13-15]. БАМ покрытия получали, используя отдельные мишени В, Al и Mg, или составные мишени из сплава Al - Mg. Недостатком данного способа является относительно малая твердость полученных покрытий, которая составила 30-39 ГПа.

Вопрос изготовления высококачественных ВАМ пленок методом магнетронного распыления, который является хорошо отработанной технологией на рынке режущих инструментов, до последнего времени оставался нерешенным.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, согласно работе [16], который и принят за прототип. В данной работе представлен метод нанесения сверхтвердых антифрикционных покрытий на основе AlMgB₁₄ при помощи высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления единой стехиометрической керамической мишени. Покрытия были получены при высокой плотности мощности ВЧ разряда порядка 10 Вт/см² на малом расстоянии (25 мм) и демонстрировали высокую твердость по шкале Виккерса H_v=40-80 ГПа и модуль упругости Юнга Е=250-450 ГПа в поверхностных слоях (до 100 нм) и H_v=32-35 ГПа, Е=230-250 ГПа в толще покрытия.

Недостатком данного способа являются критические условия требований к основным параметрам получения покрытий: определенные с высокой точностью плотность мощности разряда и малое расстояние между мишенью и подложкой. Поэтому заявленный ранее способ не может быть непосредственно использован для получения покрытий на поверхности инструментов и различных деталей с изогнутой формой.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что представленный способ позволяет увеличить диапазон используемых расстояний (10-50 мм) между мишенью и подложкой, обеспечивает высокую гладкость поверхности покрытия и позволяет получать покрытия на поверхности инструментов и деталей с различной изогнутой формой.

Достигается технический результат за счет того, что нанесение покрытия на подложку осуществляют в два этапа при расстоянии между мишенью магнетрона и подложкой равном 10-50 мм, причем на первом этапе осуществляют нанесение нижнего слоя покрытия при плотности мощности магнетронного разряда 2-7 Вт/см², а на втором этапе осуществляют нанесение верхнего слоя покрытия при плотности мощности разряда 7-20 Вт/см².

Перечень фигур

Фиг. 1. Изменение твердости H_v (а) и модуля упругости Е (б) образца БАМ покрытия AlMgB₁₄ на Si(100) в зависимости от максимальной испытательной нагрузки.

Фиг. 2. Электронные фотографии поверхности сферической детали во вторичных (а) и отраженных (б) электронах.

Строго определенное и достаточно короткое расстояние между мишенью и подложкой препятствует непосредственному применению процесса изготовления покрытий на основе AlMgB₁₄ методом магнетронного распыления на неплоских поверхностях. Для достижения высоких характеристик, отвечающих качественным покрытиям на изогнутых поверхностях в данном изобретении был разработан двухэтапный процесс распыления. Первый тонкий слой наносится в качестве основы при низкой плотности мощности ВЧ разряда (2-7 Вт/см²), что способствует послойному росту гладкой пленки по механизму Франка-Ван дер Мерве. Следующий слой выращивают при высокой плотности мощности ВЧ разряда (7-20 Вт/см²), что позволяет одновременно получать гладкую пленку и значительно увеличить твердость получаемого покрытия. Наличие гладкой пленки в качестве основы способствует равномерной конденсации распыленных атомов и способствует последующему послойному росту гладкой и твердой пленки.

Двухэтапный процесс позволяет увеличить диапазон используемых расстояний (10-50 мм) между мишенью и подложкой, обеспечивающих правильный состав, высокую твердость и гладкость поверхности покрытия и позволяет получать данные покрытия на поверхности инструментов и различных деталей с изогнутой формой.

Примеры исполнения

Способ получения сверхтвердых износостойких покрытий на основе соединения борида алюминия - магния (БАМ) представляет собой нанесение двухслойной пленки при помощи ВЧ магнетронного распыления стехиометрической мишени AlMgB₁₄. Мишень была изготовлена при помощи размола и спекания порошков - алюминия (99,97%), магния (99,8%) и бора (99%). Предварительно мишень диаметром 2 дюйма (~51 мм) тренировалась при закрытой заслонке, давлении рабочего газа (Ar) 5 мТорр и мощности высокочастотного магнетронного разряда 100 Вт (5 Вт/см²) в течении 15 мин. После тренировки мишени заслонка открывалась и подложка (пластина кремния Si(100)) подводилась к мишени на расстояние 20 мм и в течении 10 мин производилось нанесение покрытия при тех же параметрах, что и при тренировке. Подложкодержатель специально не нагревался. На втором этапе нанесения покрытия мощность высокочастотного магнетронного разряда поднималась до значения 200 Вт (10 Вт/см²), напыление проводилось в течении 20 мин. После нанесения второго слоя покрытия подложка отводилась от магнетрона, заслонка закрывалась и разряд магнетрона выключался. Полученные БАМ покрытия являлись гладкими (их шероховатость не превышала шероховатость подложки) с толщиной порядка 1,5 мкм и обладали следующими механическими характеристиками: высокая твердость по шкале Виккерса H_v=61-64 ГПа и модуль упругости Юнга Е до 470-488 ГПа в поверхностных слоях (до 100 нм) и H_v=34-36 ГПа, Е=230-260 ГПа в толще покрытия (см. рисунок 1).

Другим примером исполнения является нанесение БАМ покрытия на неплоские изделия из инструментальной стали SS14:2140, представляющие собой измерительные головки в виде полусферы и подвергающиеся постоянному трению и износу. Предварительно, изделия подверглись полировке до субмикронного уровня шероховатости, после чего на них было произведено нанесения двухслойного БАМ покрытия с параметрами, описанными выше. В результате рабочая область изделия была покрыта слоем БАМ материала, обладающего твердостью H_v=27-38 ГПа. Поверхность изделия была очень гладкой со среднеквадратичной шероховатостью 6.6 нм. На рисунке 2 представлены электронные фотографии изделий во вторичных и обратно отраженных электронах. Темная поверхность сферы в отраженных электронах, указывает на то, что покрытие состоит из легких элементов (бора, алюминия и магния). Это связано с большой глубиной проникновения электронов и соответственно меньшей интенсивностью сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить гладкие пленки, обладающие высокой твердостью и адгезией к материалу изделия. Двухслойные покрытия можно получать на поверхности инструментов и различных деталей с изогнутой формой.

БИБЛИОГРАФИЯ

[1] V.I. Matkovich, J. Economy, Acta Crystallogr. В 26, 616 (1970).

[2] R. Schmechel and H. Werheit, J. Phys.: Condens. Matter 11, 6803 (1999).

[3] B.A. Cook, J.L. Harringa, T.L. Lewis, and A.M. Russel, Scripta Mater. 42, 597 (2000).

[4] I. Higashi, M. Kobayashi, S. Okada, K. Hamano, and T. Lundstrom, J. Cryst. Growth 128, 1113 (1993).

[5] Y. Tian, A.F. Bastawros, С.С.H. Lo, A.P. Constant, A.M. Russell, and B.A. Cook, Appl. Phys. Lett. 83, 2781 (2003).

[6] B.A. Cook, Y. Tian, J.L. Harringa, A.P. Constant, A.M. Russell, and P.A. Molian, US Patent No. 7238429 B2 (2007).

[7] R. Cherukuri, M. Womack, P. Molian, A. Russell, and Y. Tian, Surf. Coat. Technol. 155, 112 (2002);

[8] Y. Tian, M. Womack, P. Molian, С.С.H. Lo, J.W. Anderegg, and A.M. Russell, Thin Solid Films 418, 129 (2002);

[9] Y. Tian, A. Constant, С.С.H. Lo, J.W. Anderegg, A.M. Russell, J.E. Snyder, and P. Molian, J. Vac. Sci. Technol. A 21, 1055 (2003);

[10] Y. Tian, G. Li, J. Shinar, N.L. Wang, B.A. Cook, J.W. Anderegg, A.P. Constant, A.M. Russell, and J.E. Snyder, Appl. Phys. Lett. 85, 1181 (2004);

[11] M. Stock and P. Molian, J. Vac. Sci. Technol. A 22, 670 (2004); J.C. Britson, Master of Sci ence Thesis (Iowa State University, 2008).

[12] P. Blau, J. Qu, and С.B. Higdon, Final Technical Report on Award No. DEFG3606GO16054 (2010).

[13] Z. Wu, Y. Bai, W. Qu, A. Wu, D. Zhang, J. Zhao, and X. Jiang, Vacuum 85, 541 (2010). [14] C. Yan, Z.F. Zhou, Y.M. Chong, C.P. Liu, Z.T. Liu, K.Y. Li, I. Bello, O. Kutsay, J.A. Zapien, and W.J. Zhang, Thin Solid Films 518, 5372 (2010).

[15] Q.U. Wenchao, W.U. Aimin, W.U. Zhanling, В.A.I. Yizhen, and J. Xin, Rare 31, 164 (2012).

[16] A.M. Grishin, S.I. Khartsev, J. Bohlmark, M. Ahlgren, JETP Letters, 100, 10, 680-687 (2015).