RU2764041C1 - Method for increasing wear resistance and anti-corrosion properties of steel products - Google Patents
Method for increasing wear resistance and anti-corrosion properties of steel products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764041C1 RU2764041C1 RU2021118374A RU2021118374A RU2764041C1 RU 2764041 C1 RU2764041 C1 RU 2764041C1 RU 2021118374 A RU2021118374 A RU 2021118374A RU 2021118374 A RU2021118374 A RU 2021118374A RU 2764041 C1 RU2764041 C1 RU 2764041C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- corrosion
- coating
- sio
- product
- irradiation
- Prior art date
Links
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title abstract description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 title abstract description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 4
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 239000012981 Hank's balanced salt solution Substances 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- -1 polyphenylmethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001256 stainless steel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/28—Materials for coating prostheses
- A61L27/30—Inorganic materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
- C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
- C23C28/021—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal alloy layer
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области материаловедения, обработке поверхности металлов и может быть использовано в медицине для повышения износостойкости и антикоррозионных свойств изделий из стали, например, медицинских имплантатов (насосы для механической поддержки работы сердца, кардиостимуляторы и т.д.).The invention relates to the field of materials science, metal surface treatment and can be used in medicine to improve the wear resistance and anti-corrosion properties of steel products, such as medical implants (pumps for mechanical support of the heart, pacemakers, etc.).
В настоящее время для повышения износостойкости и антикоррозионных свойств изделий из стали используют нанесение тонких пленок и покрытий, в том числе нитрида титана TiN и алмазоподобного углерода DLC [1, 2], а также используют обработку поверхности концентрированными потоками энергии [3-7].At present, to improve the wear resistance and anticorrosion properties of steel products, thin films and coatings are applied, including titanium nitride TiN and diamond-like carbon DLC [1, 2], and surface treatment with concentrated energy flows is also used [3–7].
Известен способ высокоскоростного энергетического воздействия с помощью лазерного переплавления всей поверхности изделия [3] или лазерного переплавления лишь части поверхности [4], обеспечивающий защиту металлических изделий от коррозии.A known method of high-speed energy exposure using laser remelting of the entire surface of the product [3] or laser remelting of only part of the surface [4], which protects metal products from corrosion.
Кроме этого, известно, что обеспечение перехода стали в пассивное состояние путем изменения состава и свойств поверхности является наиболее эффективным способом снижения коррозионных процессов. Известен способ [5], при котором поверхность подвергают расплавлению с помощью лазерного луча и в область расплава подается композиция порошков. В результате происходит образование поверхностных слоев толщиной 0,2-0,6 мм, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами.In addition, it is known that ensuring the transition of steel to a passive state by changing the composition and properties of the surface is the most effective way to reduce corrosion processes. There is a known method [5], in which the surface is subjected to melting using a laser beam and a composition of powders is fed into the melt area. The result is the formation of surface layers with a thickness of 0.2-0.6 mm, which have improved performance properties.
Известен способ [6] в котором производят послойное нанесение порошка на поверхность изделий с последующим лазерным облучением.There is a method [6] in which layer-by-layer deposition of powder on the surface of products is carried out, followed by laser irradiation.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных общих признаков выбран способ синтеза поверхностного Ti-Ta-Ni сплава с аморфной или аморфно-нанокристаллической структурой на подложке из никелида титана (TiNi) [7]. В котором, в качестве аморфообразующей пленки, осаждаемой с помощью одновременного магнетронного распыления мишеней из Ti и Та, используют пленку состава Тi60-70Та40-30 (ат.%), а последующее жидкофазное перемешивание компонентов пленки и подложки и высокоскоростную закалку расплавленного поверхностного слоя осуществляют с помощью широкоапертурного низкоэнергетического сильноточного электронного пучка (НСЭП) с параметрами: длительность импульса 2÷3 мкс, плотность энергии 1.5÷2.5 Дж/см2.The method of synthesizing a surface Ti-Ta-Ni alloy with an amorphous or amorphous-nanocrystalline structure on a substrate of titanium nickelide (TiNi) [7] was chosen closest to the claimed invention in terms of essential common features. In which, as an amorphous film deposited by simultaneous magnetron sputtering of Ti and Ta targets, a film of the composition Ti 60-70 Ta 40-30 (at.%) is used, and subsequent liquid-phase mixing of the film and substrate components and high-speed quenching of the molten surface layer is carried out using a wide-aperture low-energy high-current electron beam (NSEB) with parameters: pulse duration 2÷3 μs, energy density 1.5÷2.5 J/cm 2 .
Отличием этого технического решения, взятого нами за прототип, является то, что технологический процесс проводился для изделий, выполненных из никелида титана, износостойкость и антикоррозионные свойства которого не исследовались.The difference of this technical solution, taken by us as a prototype, is that the technological process was carried out for products made of titanium nickelide, the wear resistance and anticorrosion properties of which were not studied.
Технологической проблемой предлагаемого изобретения является разработка способа повышения износостойкости и антикоррозионных свойств изделий из нержавеющей стали.The technological problem of the present invention is the development of a method for improving the wear resistance and anti-corrosion properties of stainless steel products.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание на изделии из нержавеющей стали марки AISI 316L (03Х17Н14М3) поверхностного сплава на основе Ti с нанесенным поверх кремний-углеродным (α-C:H:SiOx) покрытием, обладающим износостойкими и антикоррозионными свойствами.The technical result of the invention is the creation of a surface alloy based on Ti with a silicon-carbon (α-C:H:SiO x ) coating deposited on top of a stainless steel grade AISI 316L (03X17H14M3), which has wear-resistant and anti-corrosion properties.
Указанный технический результат достигается тем, что на изделии из нержавеющей стали марки AISI 316L (03Х17Н14М3) формирование поверхностного сплава Ti-нержавеющая сталь осуществляется в едином вакуумном цикле путем чередования операций напыления Ti пленки и последующего ее жидкофазного перемешивания с материалом изделия. Напыление титановых пленок осуществляется методом магнетронного распыления мишени из титана. Жидкофазное перемешивание осуществляется с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка с плотностью энергии электронов 2÷3 Дж/см2, длительностью импульса 2-3 мкс и количестве импульсов 3-5 раз. В едином вакуумном цикле осуществляют финишное нанесение на изделие антикоррозионного и износостойкого кремний-углеродного (α-C:H:SiOx) покрытия.This technical result is achieved by the fact that on a product made of AISI 316L (03X17H14M3) stainless steel, the formation of a surface Ti-stainless steel alloy is carried out in a single vacuum cycle by alternating the operations of deposition of a Ti film and its subsequent liquid-phase mixing with the material of the product. The deposition of titanium films is carried out by the method of magnetron sputtering of a titanium target. Liquid-phase mixing is carried out using a low-energy high-current electron beam with an electron energy density of 2÷3 J/cm 2 , a pulse duration of 2-3 μs and a number of pulses of 3-5 times. In a single vacuum cycle, the finishing application of an anti-corrosion and wear-resistant silicon-carbon (α-C:H:SiO x ) coating is carried out on the product.
Кроме того, толщину напыленной титановой пленки доводят до (0,5÷2,5) мкм. Кроме того, толщину поверхностного сплава Ti-нержавеющая сталь доводят до (0,5÷5) мкм, количеством циклов напыление/облучение до четырех, в зависимости от толщины напыляемой пленки Ti.In addition, the thickness of the deposited titanium film is adjusted to (0.5÷2.5) µm. In addition, the thickness of the surface alloy Ti-stainless steel is adjusted to (0.5÷5) μm, the number of deposition/irradiation cycles is up to four, depending on the thickness of the deposited Ti film.
Кроме того, изделие предварительно перед первым циклом напыление/облучение подвергают обработке низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком с плотностью энергии 4÷5 Дж/см2 и количестве импульсов до 30.Moreover, the article before the first cycle of pre-plating / exposure processing is subjected to low-energy high-current electron beam with an energy density of 4 ÷ 5 J / cm 2 and an amount of up to 30 pulses.
Кроме того, в предлагаемом способе финишное кремний-углеродное (α-C:H:SiOx) покрытие наносят с использованием импульсного биполярного смещения подложки амплитудой отрицательного импульса от 100 В до 500 В, предпочтительно 300±50 В.In addition, in the proposed method, the finishing silicon-carbon (α-C:H:SiO x ) coating is applied using a pulsed bipolar bias of the substrate with a negative pulse amplitude from 100 V to 500 V, preferably 300 ± 50 V.
Способ реализуется в несколько стадий. В качестве модельного материала образца использовались пластины из нержавеющей стали марки AISI 316L (03Х17Н14М3) размером 20×20×2 мм3.The method is implemented in several stages. AISI 316L (03X17H14M3) stainless steel plates 20×20×2 mm 3 in size were used as a model sample material.
1. Производится предварительная очистка поверхности образцов в ультразвуковой ванне, наполненной сначала изопропиловым спиртом, затем ацетоном и дистиллированной водой в течение 10 минут в каждой жидкости. После этого образцы высушиваются.1. Preliminary cleaning of the surface of the samples is carried out in an ultrasonic bath filled first with isopropyl alcohol, then with acetone and distilled water for 10 minutes in each liquid. After that, the samples are dried.
2. Осуществляется загрузка образцов в вакуумную камеру установки «РИТМ-СП» [8], где в едином вакуумном цикле производится сначала предварительная обработка НСЭП с плотностью энергии 4÷5 Дж/см2 и количестве импульсов 30, с целью очистки и гомогенизации поверхности подложки. Затем нанесение пленки титана (толщиной 0,5-2,5 мкм) методом магнетронного распыления мишени титана (чистотой 99.95 вес.%) и последующее облучение поверхности с помощью НСЭП с плотностью энергии электронов 2÷3 Дж/см2, количестве импульсов 3-5 раз, длительности импульса 2-3 мкс. Общее количество циклов напыление/облучение зависит от требуемой толщины формируемого сплава и в нашем случае составляло до 4 раз (толщина поверхностного сплава 0,5÷5 мкм).2. Samples are loaded into the vacuum chamber of the “RITM-SP” installation [8], where, in a single vacuum cycle, the NSEP is first pre-treated with an energy density of 4–5 J/cm 2 and a number of pulses of 30, in order to clean and homogenize the substrate surface . Then the deposition of a titanium film (thickness 0.5-2.5 μm) by magnetron sputtering of a titanium target (purity 99.95 wt.%) and subsequent irradiation of the surface using NSEB with an electron energy density of 2÷3 J/cm 2 , the number of pulses 3- 5 times, pulse duration 2-3 μs. The total number of deposition/irradiation cycles depends on the required thickness of the formed alloy and in our case was up to 4 times (the thickness of the surface alloy is 0.5÷5 µm).
3. Финишное нанесение антикоррозионного и износостойкого кремний-углеродного (α-C:H:SiOx) покрытия производится в едином вакуумном цикле с процессом формирования поверхностного сплава на основе Ti. Нанесение (α-C:H:SiOx) покрытия производится плазмохимическим методом в смеси аргона и паров полифенилметилсилоксана (ПФМС-2/5Л) при давлении 0,1 Па и температуре подложек ~200°С. В этом случае ток разряда составляет 5±1 А, напряжение горения 140±10 В, а к подложкодержателю прикладывается импульсное биполярное напряжение смещения с амплитудой отрицательного импульса от 100 до 500 В, частотой следования импульсов 100 кГц и коэффициентом заполнения 60%. Уровень амплитуды отрицательного импульса напряжения смещения оказывает влияние на изменение механических и износостойких свойств за счет изменения содержания sp3 и sp2 гибридизированных атомов углерода. Оптимальной величиной амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения с точки зрения максимальных механических и износостойких свойств является 300±50 В. Исследование коррозионной стойкости.3. Finishing application of anti-corrosion and wear-resistant silicon-carbon (α-C:H:SiO x ) coating is carried out in a single vacuum cycle with the process of forming a surface alloy based on Ti. The (α-C:H:SiO x ) coating is applied by the plasma-chemical method in a mixture of argon and polyphenylmethylsiloxane vapor (PFMS-2/5L) at a pressure of 0.1 Pa and a substrate temperature of ~200°C. In this case, the discharge current is 5 ± 1 A, the burning voltage is 140 ± 10 V, and a pulsed bipolar bias voltage with a negative pulse amplitude of 100 to 500 V, a pulse repetition rate of 100 kHz, and a duty cycle of 60% is applied to the substrate holder. The amplitude level of the negative bias voltage pulse affects the change in mechanical and wear-resistant properties due to changes in the content of sp 3 and sp 2 hybridized carbon atoms. The optimal value of the amplitude of the negative pulse of the bipolar displacement from the point of view of maximum mechanical and wear-resistant properties is 300±50 V. Study of corrosion resistance.
Коррозионные испытания проводились с использованием потенциостата-гальваностата Р-45Х (Electrochemical Instruments, Россия) при комнатной температуре 22±2°С в буферном растворе PBS (8 г NaCl, 0.2 г KС1, 1.44 г Na2HPO4, 0.24 г KН2РO4). Схема работы прибора основана на задействовании трех электродов: 1. Рабочий электрод - образец с покрытием (площадь рабочего участка 0.71 см2); 2. Хлорид-серебряный электрод (электрод сравнения); 3. Графитовый стержень - противоэлектрод. Потенциодинамические характеристики измерялись в диапазоне от -0.4 В до 2 В со скоростью сканирования 1 мВ/с. Плотность тока коррозии jcorr и сопротивление поляризации Rp определялись по методу Штерна-Гири [9]. Скорость коррозии оценивалась согласно стандарту ASTM, G102-89(2004) по формуле [10]:Corrosion tests were carried out using a P-45X potentiostat-galvanostat (Electrochemical Instruments, Russia) at room temperature 22 ± 2°С in a PBS buffer solution (8 g NaCl, 0.2 g KС1, 1.44 g Na 2 HPO 4 , 0.24 g KН 2 РО 4 ). The circuit operation of the device is based on the involvement of three electrodes: 1. Working electrode - Coated sample (the working section area 0.71 cm 2); 2. Silver chloride electrode (reference electrode); 3. Graphite rod - counter electrode. Potentiodynamic characteristics were measured in the range from -0.4 V to 2 V with a scan rate of 1 mV/s. Corrosion current density j corr and polarization resistance R p were determined by the Stern-Giri method [9]. The corrosion rate was evaluated according to the ASTM standard, G102-89(2004) using the formula [10]:
здесь CR- скорость коррозии (мм/год), коэффициент K1=3.27 10-3 (мм⋅г⋅мкА-1⋅см-1⋅год-1), jcorr - плотность тока коррозии (мкА⋅см-2), ρ - плотность материала (г⋅см-3), и EW -эквивалентный вес, для стали AISI 316L (03Х17Н14М3) составляет 24,54 (рассчитанный для элементов свыше 1 масс. %).here CR is the corrosion rate (mm/year), coefficient K 1 =3.27 10 -3 (mm⋅g⋅mkA -1 ⋅cm -1 ⋅year -1 ), j corr is the corrosion current density (mkA⋅cm -2 ) , ρ is the density of the material (g⋅cm -3 ), and EW is the equivalent weight, for steel AISI 316L (03X17H14M3) is 24.54 (calculated for elements over 1 wt.%).
Исследование механических свойств и износостойкости.Study of mechanical properties and wear resistance.
Механические свойства определялись с помощью наноиндентора Nanotest 600 (Micro Materials Ltd., GB) при нагрузке на индентор 20 мН. Исследование износостойкости проводилось с использованием трибометра Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (Tribotechnic, Франция) в геометрии шар-диск при нагрузке 3 Н, скорости перемещения 25 мм/с и дистанции 1000 м. В качестве контртела использовался шарик ВК-8 диаметром 6 мм.The mechanical properties were determined using a Nanotest 600 nanoindenter (Micro Materials Ltd., GB) with an indenter load of 20 mN. The study of wear resistance was carried out using a tribometer Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (Tribotechnic, France) in ball-disk geometry at a load of 3 N, a travel speed of 25 mm/s and a distance of 1000 m. A VK-8 ball with a diameter of 6 mm was used as a counterbody.
В таблице 1 представлены результаты коррозионных испытаний, полученных образцов в растворе PBS (Солевой раствор с фосфатным буфером, содержащий 8 г NaCl, 0,2 г KСl, 1,44 г Na2HPO4, 0,24 г KН2РО4) при комнатной температуре. Формирование поверхностного сплава титан-нержавеющая сталь AISI 316L с последующим нанесением (α-C:H:SiOx) пленки обеспечивает снижение плотности тока коррозии ji с 6,8⋅10-7 А/см2 (исходный образец стали №1) до 5,5⋅10-10 A/cмz (образец стали со сформированным поверхностным сплавом толщиной 1 мкм и нанесенной (α-C:H:SiOx) пленкой толщиной ~2 мкм, №3) и, соответственно, скорости коррозии CR с 6.9⋅10-3 (№1) до 5.7⋅10-6 мм/год (№3).Table 1 presents the results of corrosion tests obtained samples in a solution of PBS (Phosphate buffered saline containing 8 g NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na 2 HPO 4 , 0.24 g KH 2 PO 4 ) at room temperature. The formation of a surface alloy titanium-stainless steel AISI 316L with subsequent deposition of (α-C:H:SiO x ) film provides a decrease in the corrosion current density j i from 6.8⋅10 -7 A/cm 2 (original steel sample No. 1) to 5.5⋅10 -10 A/cm z (a sample of steel with a formed surface alloy 1 µm thick and a deposited (α-C:H:SiO x ) film with a thickness of ~2 µm, No. 3) and, accordingly, the corrosion rate CR with 6.9⋅10 -3 (No. 1) to 5.7⋅10 -6 mm/year (No. 3).
Образец №3 также имеет максимальное сопротивление поляризации Rp 2,5⋅109 Ом⋅см2 и одно из минимальных потенциалов коррозии Есоrr -22 мВ, что, согласно литературным данным, также характеризует антикоррозионные свойства. В случае формирования поверхностного сплава толщиной 0,5 мкм (№2) и 5 мкм (№4) при одинаковой толщине (α-C:H:SiOx) пленки толщиной ~2 мкм плотность тока коррозии ji и скорость коррозии CR повышается по сравнению с образцом №3. Таким образом, существует оптимальная толщина поверхностного сплава (~1 мкм) при которой достигаются наиболее низкие значения ji и CR. Несмотря на это все образцы, имеющие поверхностный сплав на основе Ti в совокупности с нанесенным α-C:H:SiOx покрытием демонстрируют антикоррозионные свойства.Sample No. 3 also has the maximum polarization resistance R p 2.5⋅10 9 Ohm⋅cm 2 and one of the minimum corrosion potentials E corr -22 mV, which, according to the literature data, also characterizes anticorrosion properties. In the case of the formation of a surface alloy with a thickness of 0.5 μm (No. 2) and 5 μm (No. 4) with the same thickness (α-C:H:SiO x ) of a film with a thickness of ~2 μm, the corrosion current density j i and the corrosion rate CR increase according to compared with sample no. 3. Thus, there is an optimal thickness of the surface alloy (~1 µm) at which the lowest values of j i and CR are achieved. Despite this, all samples having a Ti-based surface alloy in combination with an applied α-C:H:SiO x coating demonstrate anti-corrosion properties.
В таблице 2 представлены механические и износостойкие свойств а исследуемых образцов. Можно заметить, что после реализации предложенного способа, механические свойства поверхности изделия существенно повышаются, в частности, твердость Н повышается более чем в 2,5 раза, индекс пластичности Н/Е более чем в 3,8 раза, сопротивление пластической деформации Н3/Е2 более чем в 36 раз. При этом образцы приобретают высокую износостойкость, скорость износа W снижается с 3.7⋅10-5 до (8÷12) ⋅10-7 мм3/Н⋅м, а коэффициент трения μ с 0,72 до 0,06.Table 2 presents the mechanical and wear-resistant properties of the test samples. It can be seen that after the implementation of the proposed method, the mechanical properties of the surface of the product increase significantly, in particular, the hardness H increases by more than 2.5 times, the plasticity index H / E is more than 3.8 times, the resistance to plastic deformation H 3 / E 2 more than 36 times. In this case, the samples acquire high wear resistance, the wear rate W decreases from 3.7⋅10 -5 to (8÷12) ⋅10 -7 m m 3 /N⋅m, and the friction coefficient μ from 0.72 to 0.06.
Таким образом, показано, что при реализации данного способа, заключающегося в создании поверхностного сплава титан-нержавеющая сталь AISI 316L с последующим нанесением (α-C:H:SiOx) покрытия, удается обеспечить высокие антикоррозионные, механические и износостойкие свойства изделий из стали, что важно для медицинских имплантатов, используемых в агрессивных средах.Thus, it has been shown that when implementing this method, which consists in creating a surface alloy of titanium-stainless steel AISI 316L with subsequent application of a (α-C:H:SiO x ) coating, it is possible to provide high anticorrosion, mechanical and wear-resistant properties of steel products, which is important for medical implants used in aggressive environments.
Источники информацииSources of information
1. М. Lepicka, М. Gradzka-Dahlke, D. Pieniak, K. Paserbiewicz, A. Niewczas / Effect of me-chanical properties of substrate and coating on wear performance of TiN- or DLC-coated 316LVM stainless steel // Wear. - 2017. - V. 382-383. - P. 62-70.1. M. Lepicka, M. Gradzka-Dahlke, D. Pieniak, K. Paserbiewicz, A. Niewczas / Effect of me-chanical properties of substrate and coating on wear performance of TiN- or DLC-coated 316LVM stainless steel // Wear . - 2017. - V. 382-383. - P. 62-70.
2. Ying Chen, Xueyuan Nie, Adrian Leyland, Jonathan Housden, Allan Matthew / Substrate and bonding layer effects on performance of DLC and TiN biomedical coatings in Hank's solution under cyclic impact-sliding loads // Surface & Coatings Technology. - 2013. - V. 237. - P. 219-229.2. Ying Chen, Xueyuan Nie, Adrian Leyland, Jonathan Housden, Allan Matthew / Substrate and bonding layer effects on performance of DLC and TiN biomedical coatings in Hank's solution under cyclic impact-sliding loads // Surface & Coatings Technology. - 2013. - V. 237. - P. 219-229.
3. Колотыркин Я.М., Янов Л.А., Княжева B.M. Высокоэнергетические способы обработки поверхности для защиты металлов от коррозии // Коррозия и защита от коррозии. Итоги науки и техники. М.: ВНИТИ АН СССР, 1986. т.12. С.185-287.3. Kolotyrkin Ya.M., Yanov L.A., Knyazheva B.M. High-energy methods of surface treatment to protect metals from corrosion // Corrosion and protection against corrosion. Results of science and technology. M.: VNITI AN SSSR, 1986. v.12. pp.185-287.
4. RU 2061100 С1, 25.03.1994 г.4. RU 2061100 C1, March 25, 1994
5. RU 2032512 С1, 29.07.1992 г.5. RU 2032512 C1, July 29, 1992
6. RU 2443506 С2, 05.04.2010 г.6. RU 2443506 C2, 04/05/2010
7. RU 2666950 С1, 30.10.2017 г.7. RU 2666950 C1, October 30, 2017
8. А.Б. Марков, А.В. Миков, Т.Е. Озур, А.Г. Падей. Установка РИТМ-СП для формирования поверхностных сплавов. Приборы и техника эксперимента. 2011. №6. С. 122-126.8. A.B. Markov, A.V. Mikov, T.E. Ozur, A.G. Padey. Installation RITM-SP for the formation of surface alloys. Instruments and technique of experiment. 2011. №6. pp. 122-126.
9. D. Batory, A. Jedrzejczak, W. Kaczorowski, L. Kolodziejczyk, B. Burnat, The effect of Si incorporation on the corrosion resistance of a-C:H:SiOx coatings. Diamond & Related Materials, 2016, 67, p. 1-7.9. D. Batory, A. Jedrzejczak, W. Kaczorowski, L. Kolodziejczyk, B. Burnat, The effect of Si incorporation on the corrosion resistance of aC:H:SiO x coatings. Diamond & Related Materials, 2016, 67, p. 1-7.
10. ASTM, G102-89(2004), Standard Practice for Calculation of Corrosion Rates and Related Information From Electrochemical Measurements, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2004.10. ASTM, G102-89(2004), Standard Practice for Calculation of Corrosion Rates and Related Information From Electrochemical Measurements, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2004.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021118374A RU2764041C1 (en) | 2021-06-22 | 2021-06-22 | Method for increasing wear resistance and anti-corrosion properties of steel products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021118374A RU2764041C1 (en) | 2021-06-22 | 2021-06-22 | Method for increasing wear resistance and anti-corrosion properties of steel products |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2764041C1 true RU2764041C1 (en) | 2022-01-13 |
Family
ID=80040290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021118374A RU2764041C1 (en) | 2021-06-22 | 2021-06-22 | Method for increasing wear resistance and anti-corrosion properties of steel products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2764041C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2167526C2 (en) * | 1993-11-18 | 2001-05-27 | Вестейм Биомедикал Корп. | Antibacterial materials |
| CN101768724A (en) * | 2008-12-29 | 2010-07-07 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | Method for preparing film on stainless steel |
| EP2204197B1 (en) * | 2007-10-03 | 2014-12-10 | Kyocera Medical Corporation | Biocompatible and low-wear material, artificial joint using the same and method of producing the same |
| WO2018081283A1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-05-03 | The Penn State Research Foundaiton | Implantable medical devices having hydrophilic surfaces |
| RU2666950C1 (en) * | 2017-10-30 | 2018-09-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | METHOD FOR SYNTHESIS OF A RADIOPAQUE SURFACE Ti-Ta-Ni ALLOY WITH AN AMORPHOUS OR AMORPHOUS-NANOCRYSTALLINE STRUCTURE ON TiNi ALLOY SUBSTRATE |
| RU2697855C1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования" Министерства здравоохранения и социального развития РФ (г. Чебоксары) | Method of coating application on devices and instruments for osteosynthesis, orthopedic implants from metal |
-
2021
- 2021-06-22 RU RU2021118374A patent/RU2764041C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2167526C2 (en) * | 1993-11-18 | 2001-05-27 | Вестейм Биомедикал Корп. | Antibacterial materials |
| EP2204197B1 (en) * | 2007-10-03 | 2014-12-10 | Kyocera Medical Corporation | Biocompatible and low-wear material, artificial joint using the same and method of producing the same |
| CN101768724A (en) * | 2008-12-29 | 2010-07-07 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | Method for preparing film on stainless steel |
| WO2018081283A1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-05-03 | The Penn State Research Foundaiton | Implantable medical devices having hydrophilic surfaces |
| RU2666950C1 (en) * | 2017-10-30 | 2018-09-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | METHOD FOR SYNTHESIS OF A RADIOPAQUE SURFACE Ti-Ta-Ni ALLOY WITH AN AMORPHOUS OR AMORPHOUS-NANOCRYSTALLINE STRUCTURE ON TiNi ALLOY SUBSTRATE |
| RU2697855C1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования" Министерства здравоохранения и социального развития РФ (г. Чебоксары) | Method of coating application on devices and instruments for osteosynthesis, orthopedic implants from metal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shukla et al. | Structural, mechanical and corrosion resistance properties of Ti/TiN bilayers deposited by magnetron sputtering on AISI 316L | |
| Kim et al. | Influence of a large pulsed electron beam (LPEB) on the corrosion resistance of Ti− 6Al− 7Nb alloys | |
| Peng et al. | Antibacterial TiCu/TiCuN multilayer films with good corrosion resistance deposited by axial magnetic field-enhanced arc ion plating | |
| Hussein et al. | Influence of laser nitriding on the surface and corrosion properties of Ti-20Nb-13Zr alloy in artificial saliva for dental applications | |
| do Nascimento et al. | Enhancing the corrosion protection of Ti-6Al-4V alloy through reactive sputtering niobium oxide thin films | |
| Wang et al. | Effects of silver segregation on sputter deposited antibacterial silver-containing diamond-like carbon films | |
| Chen et al. | Effect of ultrasonic cold forging technology as the pretreatment on the corrosion resistance of MAO Ca/P coating on AZ31B Mg alloy | |
| Wang et al. | Microstructure and sliding wear behavior of pure titanium surface modified by double-glow plasma surface alloying with Nb | |
| Shanaghi et al. | Enhancement of mechanical properties and corrosion resistance of NiTi alloy by carbon plasma immersion ion implantation | |
| Rafieerad et al. | Mechanical properties, corrosion behavior and in-vitro bioactivity of nanostructured Pd/PdO coating on Ti–6Al–7Nb implant | |
| Kao et al. | Effects of duplex nitriding and TiN coating treatment on wear resistance, corrosion resistance and biocompatibility of Ti6Al4V alloy | |
| Subramanian | In vitro corrosion and biocompatibility screening of sputtered Ti40Cu36Pd14Zr10 thin film metallic glasses on steels | |
| Patnaik et al. | Modeling of wear parameters and multi-criteria optimization by box-behnken design of AlCrN thin film against gamma-irradiated Ti6Al4V Counterbody | |
| Kao et al. | Improved tribological, electrochemical and biocompatibility properties of Ti6Al4V alloy by gas-nitriding and Ti–C: H coating | |
| Liao et al. | Effect of nitrogen content on the mechanical and biological properties of tantalum nitride coatings | |
| Çomakli et al. | Tribological and electrochemical behavior of Ag2O/ZnO/NiO nanocomposite coating on commercial pure titanium for biomedical applications | |
| El-Hossary et al. | Effect of DC-pulsed magnetron sputtering power on structural, tribological and biocompatibility of Ti–Zr–N thin film | |
| Luo et al. | The effect of 3 wt.% Cu addition on the microstructure, tribological property and corrosion resistance of CoCrW alloys fabricated by selective laser melting | |
| Khojier et al. | Study of ZrO2 coatings on 316L SS as a function of sputtering gas flow rate for biomedical applications | |
| Acar | Analyzing the corrosion and tribocorrosion performances of monolayer TiO2 and bilayer TiO2-SiO2 coatings at different SBF temperatures | |
| Cheng et al. | A study of ZrN/Zr coatings deposited on NiTi alloy by PIIID technique | |
| RU2764041C1 (en) | Method for increasing wear resistance and anti-corrosion properties of steel products | |
| Grenadyorov et al. | AISI 316L stainless steel modification by surface alloy and aC: H: SiOx coating synthesis | |
| Pat et al. | Corrosion behavior of graphene coated Ti-6Al-4 V alloy by anodic plasma coating method | |
| Batory et al. | Investigation of anti-corrosion properties of Ti: C gradient layers manufactured in hybrid deposition system |