Изобретения относятся к способам нанесения термодинамически стабильных и износостойких покрытий и могут быть использованы в машиностроительной, горно- и нефтедобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для упрочнения поверхности инструмента и пар трения, а также повышения их термодинамической стабильности при обработке материалов с низкой теплопроводностью, особенно в операциях резания, вызывающих повышение температуры.The inventions relate to methods of applying thermodynamically stable and wear-resistant coatings and can be used in machine-building, mining and oil-extracting industries, in tool and repair industries for hardening the surface of tools and friction pairs, as well as increasing their thermodynamic stability when processing materials with low thermal conductivity, especially in cutting operations that cause an increase in temperature.

Известен способ получения режущего инструмента с износостойким термически стабильным покрытием, обладающим высокой твердостью при воздействии температур, равных 1100°С, и повышенными эксплуатационными свойствами, включающий очистку методом тлеющего разряда магнетронным распылителем в среде Ar при напряжении на подложке -70 В, продолжительности очистки 900 с и давлении 0,15 Па до температуры 400°С. Подложка предпочтительно из цементированного WC-Co (10 вес. % Со) с использованием системы «Oerlikon Balzers RCS» для нанесения покрытия на режущий инструмент, кермета, керамики, кубического нитрида бора или быстрорежущей стали. Покрытие, состоящее из чередующихся слоев Zr_0,35Al_0,35N и TiN, получают распылением двух легированной или композиционной Zr_0,65Al_0,35 и однокомпонентной Ti мишеней и покрытие Zr_0,5Al_0,5N и TiN - распылением мишеней Zr_0,5Al_0,5 и Ti при удельной мощности между 0,5 и 15 Вт/см², предпочтительно от 1 до 5 Вт/см². Распыление проводят в смешанной атмосфере Ar+N₂ или чистого N₂ и при общем давлении от 0,1 до 7,0 Па, предпочтительно от 0,1 до 2,5 Па. Осаждение магнетронным распылением Zr_0,65Al_0,35N и TiN проводят при 400°С в потоке N₂ (400 см³/мин) и Ar (200 см³/мин) - давлении 1,7 Па со смещением подложки - 40 В с поворотом подложек со скоростью 5 об/мин, обращая поочередно к указанным мишеням. Многослойное покрытие из чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN и TiN с периодом повторения слоев 15 нм, т.е. с толщиной отдельного слоя 7,5 нм, измеренной в поперечном сечении с помощью ТЕМ (просвечивающей электронной микроскопии). Толщина покрытия на задней поверхности инструмента составила 2,2 мкм. Относительное содержание Zr и Al в осажденном покрытии оказалась по существу таким же, как в мишени. После осаждения режущий инструмент с покрытием отжигали в атмосфере Ar в течение 2 ч при постоянной температуре между 800 и 1100°С. Покрытие Zr_0,17Al_0,83N и TiN получали методом катодно-дугового испарения катодов составов Zr_0,17Al_0,83 и Ti при смещении от 0 до -300 В, предпочтительно от -10 до -150 В. Температура подложки от 200 до 800°С, предпочтительно от 300 и 600°С. По конструкции многослойное покрытие представляет собой чередующиеся слои:A known method of producing a cutting tool with a wear-resistant thermally stable coating, which has high hardness when exposed to temperatures equal to 1100 ° C, and increased operational properties, including cleaning by the glow discharge method with a magnetron spray in an Ar medium at a substrate voltage of -70 V, cleaning duration 900 s and a pressure of 0.15 Pa to a temperature of 400 ° C. The substrate is preferably cemented WC-Co (10 wt% Co) using an Oerlikon Balzers RCS system for coating cutting tools, cermet, ceramics, cubic boron nitride or high speed steel. A coating consisting of alternating layers of Zr _0.35 Al _0.35 N and TiN is obtained by sputtering two alloyed or composite Zr _0.65 Al _0.35 and one-component Ti targets and coating Zr _0.5 Al _0.5 N and TiN - by sputtering Zr _0.5 Al _0.5 and Ti targets at a power density between 0.5 and 15 W / cm ² , preferably 1 to 5 W / cm ² . The spraying is carried out in a mixed atmosphere of Ar + N ₂ or pure N ₂ and at a total pressure of 0.1 to 7.0 Pa, preferably 0.1 to 2.5 Pa. Deposition by magnetron sputtering of Zr _0.65 Al _0.35 N and TiN is carried out at 400 ° C in a flow of N ₂ (400 cm ³ / min) and Ar (200 cm ³ / min) - a pressure of 1.7 Pa with a substrate displacement of 40 In with the rotation of the substrates at a speed of 5 rpm, turning in turn to the indicated targets. Multilayer coating of alternating layers of Zr _1-x Al _x N and TiN with a layer repetition period of 15 nm, i.e. with a single layer thickness of 7.5 nm, measured in cross-section using TEM (transmission electron microscopy). The thickness of the coating on the back surface of the tool was 2.2 µm. The relative content of Zr and Al in the deposited coating turned out to be essentially the same as in the target. After deposition, the coated cutting tool was annealed in an Ar atmosphere for 2 hours at a constant temperature between 800 and 1100 ° C. Coating Zr _0.17 Al _0.83 N and TiN was obtained by cathode-arc evaporation of cathodes with compositions Zr _0.17 Al _0.83 and Ti at a bias from 0 to -300 V, preferably from -10 to -150 V. Substrate temperature from 200 to 800 ° C, preferably from 300 to 600 ° C. By design, a multilayer coating is represented by alternating layers:

- слой А из Zr_1-xAl_xN, где 0<х<1, и - слой В из TiN,- layer A from Zr _1-x Al _x N, where 0 <x <1, and - layer B from TiN,

- промежуточный слой С между указанными чередующимися слоями А и В.- intermediate layer C between said alternating layers A and B.

- последовательность слоев А/С/В/С/А/С/В… с толщиной отдельного слоя А и слоя В от 1 до 30 нм.- sequence of layers А / С / В / С / А / С / В ... with a thickness of a separate layer A and layer B from 1 to 30 nm.

Слой С содержит один или более металлических элементов из каждого из слоев А и В и отличается по составу и структуре от указанных чередующихся слоев А и В. Для цели данного варианта применения многослойная структура содержит по меньшей мере 10, более предпочтительно по меньшей мере 30 отдельных слоев.Layer C contains one or more metallic elements from each of layers A and B and differs in composition and structure from said alternating layers A and B. For the purpose of this application, the multilayer structure contains at least 10, more preferably at least 30 separate layers ...

В одном из вариантов осуществления изобретения слой Zr_1-xAl_xN имеет высокое содержание алюминия, где х составляет от 0,35 до 0,90, предпочтительно от 0,50 до 0,90. При таком высоком содержании Al слой А содержит гексагональный Zr_1-xAl_xN. При х больше чем 0,90 благоприятное изменение микроструктуры многослойной структуры практически незаметно. Более предпочтительно, когда слой А в покрытии имеет высокое содержание алюминия, где х составляет от 0,60 до 0,90, даже более предпочтительно от 0,70 до 0,90, при этом Zr_1-xAl_xN находится в гексагональной фазе. В отличие от нитридов многих других металлов гексагональная фаза Zr_1-xAl_xN обладает высокой твердостью и высокой износостойкостью. Исследования с помощью ТЕМ показали, что в слое Zr_1-xAl_xN происходило разделение на ZrN и AlN, приводящее к образованию обогащенного алюминием слоя в середине слоя Zr_1-xAl_xN и обогащенных цирконием слоев на исходных поверхностях раздела Zr_1-xAl_xN. Толщина многослойной структуры составляет 1-20 мкм, предпочтительно 1-15 мкм.In one embodiment, the Zr _1-x Al _x N layer has a high aluminum content, where x is 0.35 to 0.90, preferably 0.50 to 0.90. With such a high Al content, layer A contains hexagonal Zr _1-x Al _x N. At x greater than 0.90, the beneficial change in the microstructure of the multilayer structure is practically unnoticeable. More preferably, when layer A in the coating has a high aluminum content, where x is from 0.60 to 0.90, even more preferably from 0.70 to 0.90, and Zr _1-x Al _x N is in the hexagonal phase ... Unlike nitrides of many other metals, the hexagonal phase Zr _1-x Al _x N has high hardness and high wear resistance. TEM studies showed that _{separation into ZrN and AlN occurred in the Zr 1-x} Al _x N layer, leading to the formation of an aluminum-rich layer in the middle of the Zr _1-x Al _x N layer and zirconium-rich layers on the original Zr _{1- interfaces. x} Al _x N. The thickness of the multilayer structure is 1-20 µm, preferably 1-15 µm.

Способ включает этапы:The method includes the steps:

- осаждения многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев А и В, образующих последовательность А/В/А/В/А… с толщиной отдельного слоя А и слоя В от 1 до 30 нм с образованием по меньшей мере части покрытия, при этом слой А состоит из Zr_1-xAl_xN, где 0<х<1, а слой В состоит из TiN, и термообработки покрытия для образования промежуточного слоя С между указанными чередующимися слоями А и В с образованием последовательности А/С/В/С/А/С/В…, причем слой С содержит один или более металлических элементов из каждого из указанных чередующихся слоев А и В. (М. Algren, N. Gkhafor, М. Oden, L. Rogstrem, M. J. Joesaar. Патент US 9.447.491 B2. Режущий инструмент с износостойким покрытием и способ его изготовления).- deposition of a multilayer structure consisting of alternating layers A and B, forming a sequence A / B / A / B / A ... with a thickness of a separate layer A and layer B from 1 to 30 nm with the formation of at least part of the coating, while layer A consists of Zr _1-x Al _x N, where 0 <x <1, and layer B consists of TiN, and heat treatment of the coating to form an intermediate layer C between the indicated alternating layers A and B with the formation of the sequence A / C / B / C / A / C / B ..., layer C comprising one or more metallic elements from each of said alternating layers A and B. (M. Algren, N. Gkhafor, M. Oden, L. Rogstrem, MJ Joesaar. US Patent 9.447. 491 B2 Cutting tool with wear-resistant coating and method of its manufacture).

Недостатком известного способа является меньшая активность поверхности подложки перед осаждением покрытия и меньшая адгезия при очистке магнетронным распылителем в тлеющем разряде. Распыление композиционного катода Zr_XAl_1-x с конкретным соотношением основных элементов в покрытии Zr_xXAl_1-xN не позволяет гибко управлять составом покрытия в процессе осаждения. Недостаткомт состава покрытия с алюминием х=0,70 до 0,90 является ренгеноаморфность покрытия, которое обладает низкими физико-механическими свойствами и микротвердостью. Написано, что «в слое Zr_1-xAl_xN происходило разделение ZrN и AlN, приводящее к образованию обогащенного алюминием слоя в середине слоя Zr_1-xAl_xN и обогащенных цирконием слоев на исходных поверхностях раздела Zr_1-xAl_xN-ZrN». Протекание спиноидального разложения гексагонального Zr_1-xAl_xN на кубические фазы ZrN и AlN невозможно при 400°С [Y.H. Chen, L. Rogström, J.J. Roa, J.Q. Zhu, I.C. Schramm, L.J.S. Johnson, N. Schell, F. Mücklich, M.J. Anglada, M. Odén. Thermal and mechanical stability of wurtzite-ZrAlN/cubic-TiN and wurtzite-ZrAlN/cubic-ZrN multilayers // Surface & Coatings Technology 324 (2017) 328-337].The disadvantage of this method is the lower activity of the substrate surface before the deposition of the coating and less adhesion when cleaning with a magnetron atomizer in a glow discharge. Sputtering a composite cathode Zr _X Al _1-x with a specific ratio of the main elements in the Zr _xX Al _1-x N coating does not allow flexible control of the coating composition during the deposition process. The disadvantage of the composition of the coating with aluminum x = 0.70 to 0.90 is the X-ray amorphousness of the coating, which has low physical and mechanical properties and microhardness. It is written that “in the Zr _1-x Al _x N layer, separation of ZrN and AlN took place, leading to the formation of an aluminum-enriched layer in the middle of the Zr _1-x Al _x N layer and layers enriched with zirconium on the original Zr _1-x Al _x N interfaces -ZrN ". Spinoidal decomposition of hexagonal Zr _1-x Al _x N into cubic ZrN and AlN phases is impossible at 400 ° C [YH Chen, L. Rogström, JJ Roa, JQ Zhu, IC Schramm, LJS Johnson, N. Schell, F. Mücklich, MJ Anglada, M. Odén. Thermal and mechanical stability of wurtzite-ZrAlN / cubic-TiN and wurtzite-ZrAlN / cubic-ZrN multilayers // Surface & Coatings Technology 324 (2017) 328-337].

Наиболее близким к первому и второму вариантам заявляемого способа по совокупности существенных признаков является способ получения износостойкого покрытия, содержащего, по меньшей мере, один слой Zr_1-xAl_xN с низким содержанием Zr, выращенный путем физического осаждения из паровой фазы (PVD) и предпочтительно катодным испарением или магнетронным распылением, включающий ионную очистку в среде аргона методом тлеющего разряда при напряжении на подложке -70В, продолжительности очистки 900 с и давлении 0,15 Па. Температура подложки от 200 до 800°С, предпочтительно от 300 до 600°С. Нанесение слоев покрытий Zr_1-xAl_xN осуществляли методом магнетронного распыления с использованием одного или нескольких катодов или мишеней из чистого и/или легированного металла (Zr, Al), соответственно, получая желаемый слой. Подложка - пластины из цементированного карбида состава 94 мас. % WC-6 мас. % Со (мелкозернистые). Удельная мощность, приложенная к распыляемой мишени, от 0,5 до 15 Вт/см², предпочтительно от 1 до 5 Вт/см². Слои выращивают в атмосфере смешанного Ar+N₂ или чистого N₂ при общем давлении от 0,13 до 7,0 Па, предпочтительно от 0,13 до 2,5 Па. Смещение на подложке составляет от 0 до -300 В, предпочтительно от -10 до -150В. Износостойкое покрытие, содержащее, по меньшей мере, один слой Zr_1-xAl_xN с 0,05<х<0,30, предпочтительно 0,10<х<0,25, наиболее предпочтительно 0,15<х<0,20, как определено, например, методами EDS или WDS, состоящих из одной кубической фазы или одной гексагональной фазы или их смеси, предпочтительно смеси кубической и гексагональной фаз с преимущественно кубической фазой, как определяется методом дифракции рентгеновских лучей. Покрытие включает, по крайней мере, один слой Zr_1-xAl_xN с 0,05<х<0,30 и толщиной от 0,5 до 10 мкм. Слой имеет нанокристаллическую столбчатую микроструктуру, состоящую из одной кубической фазы или смеси гексагональной и кубической фаз.The closest to the first and second variants of the proposed method in terms of the set of essential features is a method of obtaining a wear-resistant coating containing at least one layer of Zr _1-x Al _x N with a low Zr content, grown by physical vapor deposition (PVD) and preferably by cathodic evaporation or magnetron sputtering, including ion cleaning in argon by the glow discharge method at a substrate voltage of -70 V, a cleaning duration of 900 s and a pressure of 0.15 Pa. The temperature of the substrate is 200 to 800 ° C, preferably 300 to 600 ° C. The deposition of layers of Zr _1-x Al _x N coatings was carried out by the method of magnetron sputtering using one or more cathodes or targets of pure and / or doped metal (Zr, Al), respectively, obtaining the desired layer. Substrate - plates of cemented carbide with a composition of 94 wt. % WC-6 wt. % Co (fine-grained). The specific power applied to the sprayed target is from 0.5 to 15 W / cm ² , preferably from 1 to 5 W / cm ² . The layers are grown in an atmosphere of mixed Ar + N ₂ or pure N ₂ at a total pressure of 0.13 to 7.0 Pa, preferably 0.13 to 2.5 Pa. The bias on the substrate is 0 to -300V, preferably -10 to -150V. Wear-resistant coating containing at least one layer of Zr _1-x Al _x N with 0.05 <x <0.30, preferably 0.10 <x <0.25, most preferably 0.15 <x <0, 20, as determined, for example, by EDS or WDS methods, consisting of one cubic phase or one hexagonal phase or mixtures thereof, preferably a mixture of cubic and hexagonal phases with a predominantly cubic phase, as determined by X-ray diffraction. The coating includes at least one layer of Zr _1-x Al _x N with 0.05 <x <0.30 and a thickness of 0.5 to 10 μm. The layer has a nanocrystalline columnar microstructure consisting of one cubic phase or a mixture of hexagonal and cubic phases.

Кроме того, корпус может быть покрыт внутренним однослойным и/или многослойным покрытием, предпочтительно из TiN, TiC, Ti(C,N) или (Ti, Al) N, наиболее предпочтительно из TiN или (Ti,Al)N, и/или внешнее однослойное и/или многослойное покрытие, предпочтительно из TiN, TiC, Ti(C,N), (Ti,Al)N или оксидов, наиболее предпочтительно из TiN или (Ti, Al)N, до общей толщины покрытия, включая слой (Zr,Al)N толщиной от 0,7 до 20 мкм, предпочтительно от 1 до 10 мкм и наиболее предпочтительно от 2 до 7 мкм.In addition, the body can be coated with an internal single-layer and / or multi-layer coating, preferably from TiN, TiC, Ti (C, N) or (Ti, Al) N, most preferably from TiN or (Ti, Al) N, and / or external single-layer and / or multi-layer coating, preferably from TiN, TiC, Ti (C, N), (Ti, Al) N or oxides, most preferably from TiN or (Ti, Al) N, up to the total thickness of the coating, including the layer ( Zr, Al) N with a thickness of 0.7 to 20 µm, preferably 1 to 10 µm and most preferably 2 to 7 µm.

Упомянутый непосредственно осажденный слой (Zr,Al)N с его нанокристаллической структурой имеет твердость > 25 ГПа, предпочтительно <45 ГПа. При х≤0,30 получается неожиданное увеличение упрочнения при старении. В частности, повышение твердости при х=0,17 составляет более 35%, т.е. при значениях от 27 до 37 ГПа. (US 8,216,702 В2 Johansson Mats; Jul. 10, 2012 Johansson Mats; Linkdping (SE) Rogstrom Lina [SE/SE]; Johnson Lars [SE/SE]; Oden Magnus [SE/SE]; Ornbergsvagen 52 B, S-146 40 Tullinge (SE). Hultman Lars [SE/SE]; Greger Hakansson, Linkoping (SE); Marianne Collin, Alvsjo (SE); Jacob Sjolen, Fagersta (SE)). Данный способ принят в качестве прототипа.Said directly deposited (Zr, Al) N layer with its nanocrystalline structure has a hardness> 25 GPa, preferably <45 GPa. At x 0.30, an unexpected increase in age hardening is obtained. In particular, the increase in hardness at x = 0.17 is more than 35%, i.e. at values from 27 to 37 GPa. (US 8,216,702 B2 Johansson Mats; Jul. 10, 2012 Johansson Mats; Linkdping (SE) Rogstrom Lina [SE / SE]; Johnson Lars [SE / SE]; Oden Magnus [SE / SE]; Ornbergsvagen 52 B, S-146 40 Tullinge (SE) Hultman Lars [SE / SE]; Greger Hakansson, Linkoping (SE); Marianne Collin, Alvsjo (SE); Jacob Sjolen, Fagersta (SE)). This method is adopted as a prototype.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является низкое содержание Zr в слое Zr_1-xAl_xN, незначительно увеличивающее термодинамическую стабильность слоя.The disadvantage of the known method, taken as a prototype, is the low content of Zr in the Zr _1-x Al _x N layer, which slightly increases the thermodynamic stability of the layer.

Задачей, решаемой вариантами изобретения, является получение покрытия с высокими стабильными износостойкими, физико-механическими, термодинамическими свойствами и высокой адгезионной прочностью подслоя с материалом подложки и между слоями.The problem solved by the variants of the invention is to obtain a coating with high stable wear-resistant, physicomechanical, thermodynamic properties and high adhesive strength of the sublayer with the substrate material and between the layers.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе получения многослойного термодинамически стабильного износостойкого покрытия, включающем ионную очистку подложки и нанесение слоев Zr_1-xAl_xN методом магнетронного распыления, согласно первому варианту изобретения ионную очистку проводят двумя дуговыми испарителями с титановыми катодами в течение 5-15 мин при напряжении на подложке: 700…800 В, давлении в вакуумной камере Р=5,0⋅10^-3 Па с нагревом подложки до температуры 300-350°С, затем, не выключая дуговых испарителей с титановыми катодами, наносят подслой Ti при отрицательном напряжении смещения на подложке - 250-280 В, давлении 5,0⋅10^-3 Па, токе на дуговых испарителях 90-100 А, расстоянии катод-подложка 160-170 мм, затем после выключения электродуговых испарителей при использовании двух магнетронов с циркониевыми мишенями и двух магнетронов с алюминиевыми мишенями при напряжении смещения на подложке - 90-95 В наносят чередующиеся слои нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм и 60-100 нм при мощности на магнетронах с циркониевыми мишенями (N_Zr) 2,4-2,5 кВт и на магнетронах с алюминиевыми мишенями N_Al=2,7-2,8 кВт, при давлении 0,7-0,75 Па, скорости вращения сателлитов подложкодержателя с планетарным механизмом V=20-25 об/мин, токе на магнетронах 5-7,5 А, расстоянии мишень-подложка L=140…150 мм и температуре процесса осаждения подслоя Ti 200-250°С, при этом при осаждении слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм, магнетронное распыление проводят при работающих двух циркониевых и двух алюминиевых мишенях при содержании азота в вакуумной камере 5-10% в течение не менее 40-50 мин, а при осаждении слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 60-100 нм магнетронное распыление проводят при содержании азота 12-15% в течение не менее 10-20 мин, причем осаждение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз и верхним наносят слой Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм, при этом нанесение слоев проводят на расстоянии от мишеней до подложки 140-150 мм, со скоростью вращения сателлитов планетарного механизма, где закреплены инструмент и/или детали, 20-25 об/мин и температуре подложки 200-250°С.The problem was solved due to the fact that in the known method of obtaining a multilayer thermodynamically stable wear-resistant coating, including ion cleaning of the substrate and the deposition of Zr _1-x Al _x N layers by magnetron sputtering, according to the first embodiment of the invention, ion cleaning is carried out by two arc evaporators with titanium cathodes for 5-15 min at a voltage on the substrate: 700 ... 800 V, pressure in the vacuum chamber P = 5.0⋅10 ^-3 Pa with heating the substrate to a temperature of 300-350 ° C, then, without turning off the arc evaporators with titanium cathodes , a Ti sublayer is applied at a negative bias voltage on the substrate - 250-280 V, a pressure of 5.0⋅10 ^-3 Pa, a current on arc evaporators 90-100 A, a cathode-substrate distance of 160-170 mm, then after turning off the electric arc evaporators at Using two magnetrons with zirconium targets and two magnetrons with aluminum targets at a bias voltage of 90-95 V on the substrate, alternating layers of zirconium nitride and aluminum are applied and Zr _1-x Al _x N with crystallite diameter 30-50 nm and 60-100 nm at a power on magnetrons with zirconium targets (N _Zr ) 2.4-2.5 kW and on magnetrons with aluminum targets N _Al = 2, 7-2.8 kW, at a pressure of 0.7-0.75 Pa, the rotation speed of the satellites of the substrate holder with a planetary mechanism V = 20-25 rpm, the current on the magnetrons 5-7.5 A, the target-substrate distance L = 140 ... 150 mm and a temperature of the Ti sublayer deposition process of 200-250 ° C, while the deposition of a Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 30-50 nm, magnetron sputtering is carried out with two zirconium and two aluminum targets operating at a nitrogen content in a vacuum chamber 5-10% for at least 40-50 minutes, and when a Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 60-100 nm is deposited, magnetron sputtering is carried out at a nitrogen content of 12-15% for at least 10 20 min, and the deposition of alternating layers is repeated at least two times and the top layer is applied Zr _1-x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm, while the deposition of layers carried out at a distance from the targets to the substrate 140-150 mm, with the rotation speed of the planetary gear satellites, where the tool and / or parts are fixed, 20-25 rpm and the substrate temperature 200-250 ° C.

Поставленная задача также была решена за счет того, что в известном способе получения многослойного термодинамически стабильного износостойкого покрытия, включающем ионную очистку подложки и нанесение слоев Zr_1-xAl_xN методом магнетронного распыления, согласно второму варианту изобретения ионную очистку подложки проводят двумя дуговыми испарителями с титановой мишенью в течение 5-15 мин при напряжении на подложке: 700…800 В, давлении в вакуумной камере 5,0⋅10^-3 Па, затем наносят на подложку подслой Zr и чередующиеся слои нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм и 60-100 нм методом магнетронного распыления при использовании двух магнетронов с циркониевыми мишенями и двух магнетронов с алюминиевыми мишенями при напряжении смещения на подложке - 90-95 В, при этом подслой циркония наносят при давлении аргона 0,49-0,5 Па, мощности на двух магнетронах с циркониевыми мишенями (N_Zr) 2,4-2,5 кВт, токе на магнетронах 5-7,5 А в течение 5-15 мин, на расстоянии мишень-подложка L=140…150 мм и температуре процесса осаждения подслоя Zr 200-250°С, токи на двух циркониевых мишенях поддерживают 5-7,5 А и подают ток 5-7,5 А на две алюминиевые мишени, а чередующиеся слои нитрида циркония и алюминия Zri._xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм и 60-100 нм наносят в газовой смеси азота и аргона при давлении 0,7-0,75Па, устанавливают мощности на двух магнетронах с циркониевыми мишенями N_Zr=2,4-2,5 кВт и с двумя алюминиевыми мишенями N_A1=2,7-2,8 кВт при скорости вращения сателлитов подложкодержателя V=20-25 об/мин, при этом при осаждении слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм, магнетронное распыление проводят при работающих двух циркониевых и двух алюминиевых мишенях при содержании азота 5-10% и вращающейся подложке в течение не менее 40-50 мин, а при осаждении слоя Zri._xAl_xN с диаметром кристаллитов 60-100 нм магнетронное распыление проводят при содержании азота 12-15% в течение не менее 10-20 мин, причем осаждение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз и верхним наносят слой Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм, при этом нанесение слоев проводят на расстоянии от мишеней до подложки 140-150 мм, со скоростью вращения сателлитов подложкодержателя 20-25 об/мин и температуре подложки 200-250°С.The problem was also solved due to the fact that in the known method for obtaining a multilayer thermodynamically stable wear-resistant coating, including ion cleaning of the substrate and the deposition of Zr _1-x Al _x N layers by magnetron sputtering, according to the second embodiment of the invention, ion cleaning of the substrate is carried out by two arc evaporators with titanium target for 5-15 min at a voltage on the substrate: 700 ... 800 V, a pressure in the vacuum chamber 5.0⋅10 ^-3 Pa, then a Zr sublayer and alternating layers of zirconium nitride and aluminum Zr _1-x Al _{x are applied to the substrate} N with a crystallite diameter of 30-50 nm and 60-100 nm by the magnetron sputtering method using two magnetrons with zirconium targets and two magnetrons with aluminum targets at a bias voltage on the substrate of 90-95 V, while the zirconium sublayer is applied at an argon pressure of 0, 49-0.5 Pa, power on two magnetrons with zirconium targets (N _Zr ) 2.4-2.5 kW, current on magnetrons 5-7.5 A for 5-15 minutes, at a distance the target-substrate L = 140 ... 150 mm and the temperature of the deposition of the Zr sublayer 200-250 ° C, the currents on the two zirconium targets are maintained at 5-7.5 A and a current of 5-7.5 A is supplied to two aluminum targets, and the alternating layers of zirconium nitride and Zri aluminum. _x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm and 60-100 nm is applied in a gas mixture of nitrogen and argon at a pressure of 0.7-0.75 Pa, the powers are set on two magnetrons with zirconium targets N _Zr = 2.4-2, 5 kW and with two aluminum targets N _A1 = 2.7-2.8 kW at the rotation speed of the satellites of the substrate holder V = 20-25 rpm, while the deposition of a Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 30-50 nm, magnetron sputtering is carried out with two zirconium and two aluminum targets operating at a nitrogen content of 5-10% and a rotating substrate for at least 40-50 minutes, and during the deposition of a Zri layer. _x Al _x N with a crystallite diameter of 60-100 nm magnetron sputtering is carried out at a nitrogen content of 12-15% for at least 10-20 minutes, and the deposition of alternating layers is repeated at least twice and the top layer is applied Zr _1-x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm, while the deposition of layers is carried out at a distance from the targets to the substrate 140-150 mm, with a rotation speed of the substrate holder satellites of 20-25 rpm and a substrate temperature of 200-250 ° C.

Кроме того, возможно нанесение внутренних слоев разных составов (Ti, TiN, Cr, CrN) для сообщения покрытию дополнительных свойств.In addition, it is possible to apply internal layers of different compositions (Ti, TiN, Cr, CrN) to impart additional properties to the coating.

Чередующиеся слои Zr_1-xAl_xN с контролируемым содержанием алюминия, подслой Ti или Zr осаждается на подложку перед осаждением верхнего слоя Zr_1-xAl_xN.Alternating layers of Zr _1-x Al _x N with controlled aluminum content, a Ti or Zr sub-layer is deposited on the substrate before the top layer of Zr _1-x Al _x N is deposited.

Слой имеет многослойную нанокристаллическую столбчатую микроструктуру, состоящую из смеси вюрцитной w- Zr₃AlN, кубической с- Zr₃AlN и орторомбической Zr₃N4 фаз, с максимальной объемной долей вюрцитной w- Zr₃AlN фазы от 20-30%.The layer has a multilayer nanocrystalline columnar microstructure consisting of a mixture of wurtzite w-Zr ₃ AlN, cubic c-Zr ₃ AlN and orthorhombic Zr ₃ N4 phases, with a maximum volume fraction of wurtzite w-Zr ₃ AlN phase from 20-30%.

Использование магнетронной распылительной системы на основе двух магнетронов с циркониевыми мишенями и двух магнетронов с алюминиевыми мишенями с импульсными источниками питания в процессе осаждения чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN позволит увеличить плотность энергии плазмы.The use of a magnetron sputtering system based on two magnetrons with zirconium targets and two magnetrons with aluminum targets with pulsed power supplies during the deposition of alternating layers of Zr _1-x Al _x N will increase the plasma energy density.

Проведение ионной очистки подложки в дуговом разряде позволит создать оптимальные условия для очистки поверхности подложки от остатков загрязнений, распыления окисной пленки, нагрева ее поверхности и повышения в конечном итоге адгезионной прочности покрытия с поверхностью подложки без снижения ее прочностных свойств.Carrying out ionic cleaning of the substrate in an arc discharge will create optimal conditions for cleaning the substrate surface from residual contaminants, spraying the oxide film, heating its surface and ultimately increasing the adhesive strength of the coating with the substrate surface without reducing its strength properties.

В первом варианте способа использование двух дуговых испарителей с титановыми катодами в процессе осаждения подслоя Ti позволит обеспечить высокую адгезию чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN к подложке.In the first variant of the method, the use of two arc evaporators with titanium cathodes during the deposition of the Ti sublayer will ensure high adhesion of alternating Zr _1-x Al _x N layers to the substrate.

При снижении напряжения, подаваемого на подложку в процессе ионной очистки, до опорного напряжения - 250-280 В происходит процесс осаждения титанового подслоя. Нанесение подслоя титана Ti вакуумно-дуговым испарением двух титановых катодов при давлении 5,0⋅10^-3 Па, токе на два дуговых испарителях 90-100 А в течение 5-15 мин позволит снизить напряжения на границе раздела подложка-покрытие, повысить адгезию между ними и увеличить сопротивляемость покрытия к действию высоких контактных нагрузок.When the voltage applied to the substrate during ionic cleaning is reduced to a reference voltage of 250-280 V, the titanium sublayer is deposited. The deposition of a titanium Ti sublayer by vacuum-arc evaporation of two titanium cathodes at a pressure of 5.0⋅10 ^-3 Pa, a current of 90-100 A on two arc evaporators for 5-15 min will reduce the voltage at the substrate-coating interface, increase the adhesion between them and increase the resistance of the coating to the action of high contact loads.

В первом варианте способа использование двух дуговых испарителей с титановыми катодами в процессе осаждения подслоя Ti позволит сохранить температуру подложки после ионной очистки 300-350°С, обеспечить протекание начальной стадии структурообразования подслоя Ti в равновесных температурных условиях, управлять процессом структурообразования подслоя и гарантировать высокую адгезию подслоя Ti к подложке и первому из чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN.In the first version of the method, the use of two arc evaporators with titanium cathodes during the deposition of the Ti sublayer will allow maintaining the substrate temperature after ion cleaning at 300-350 ° C, ensuring the initial stage of structure formation of the Ti sublayer under equilibrium temperature conditions, controlling the structure formation process of the sublayer, and guaranteeing high adhesion of the sublayer Ti to the substrate and the first of the alternating Zr _1-x Al _x N layers.

Во втором варианте способа нанесение на подложку подслоя Zr методом магнетронного распыления позволит обеспечить формирование подслоя Zr и первого из чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN при одинаковой температуре 200-250°С, обеспечить протекание начальной стадии структурообразования первого слоя Zr_1-xAl_xN в равновесных температурных условиях, управлять процессом структурообразования всего покрытия и гарантировать высокую адгезию подслоя Zr к подложке и первому из чередующихся слоев Zr_1-xAl_xN.In the second variant of the method, the deposition of the Zr sublayer on the substrate by the method of magnetron sputtering will ensure the formation of the Zr sublayer and the first of the alternating Zr _1-x Al _x N layers at the same temperature of 200-250 ° C, and ensure the initial stage of structure formation of the first Zr _1-x Al layer _x N under equilibrium temperature conditions, control the process of structure formation of the entire coating and guarantee high adhesion of the Zr sublayer to the substrate and the first of the alternating Zr _1-x Al _x N layers.

Нанесение слоя нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм в газовой смеси аргона и азота при парциальном давлении 0,7-0,75 Па и соотношении N₂/Ar 5-10/95-90% при распыляемых двух циркониевых и двух алюминиевых мишенях и создании мощности магнетронного разряда на двух алюминиевых мишенях 2,7-2,8 А и мощности магнетронного разряда на двух циркониевых мишенях 2,4-2,5 А в течение не менее 40-50 мин обеспечит образование в Zr_1-xAl_xN покрытии максимального количества вюрцитной w- Zr₃AlN фазы, обладающей наиболее высокими термодинамически стабильными свойствами, а также высокие физико-механические и трибологические свойства, повысит сопротивляемость подложки к воздействию агрессивной среды в связи с образованием на поверхности покрытия при эксплуатации прочной оксидной пленки Al₂O₃.Application of a layer of zirconium and aluminum nitride Zr _1-x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm in a gas mixture of argon and nitrogen at a partial pressure of 0.7-0.75 Pa and a ratio of N ₂ / Ar 5-10 / 95-90 % when sputtering two zirconium and two aluminum targets and creating a magnetron discharge power on two aluminum targets 2.7-2.8 A and a magnetron discharge power on two zirconium targets 2.4-2.5 A for at least 40-50 min will ensure the formation in the Zr _1-x Al _x N coating of the maximum amount of the wurtzite w-Zr ₃ AlN phase, which has the highest thermodynamically stable properties, as well as high physical, mechanical and tribological properties, will increase the substrate resistance to aggressive media due to the formation of coating surface during operation of a strong oxide film Al ₂ O ₃ .

Нанесение слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 60-100 нм в той же газовой смеси и при тех же значениях парциального давления и мощности магнетронного разряда проводят при увеличении содержания азота в газовой смеси до 12-15%, что позволит получать слои с улучшенными ударостойкими свойствами.The application of a Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 60-100 nm in the same gas mixture and at the same values of the partial pressure and power of the magnetron discharge is carried out with an increase in the nitrogen content in the gas mixture to 12-15%, which will make it possible to obtain layers with improved shock-resistant properties.

Стабильность поддержания задаваемого рабочего давления 0,7-0,75 Па обеспечивает устойчивую работу магнетронов и стабильное структурное состояние, состав и свойства чередующихся слоев осаждаемого покрытия.The stability of maintaining the set working pressure of 0.7-0.75 Pa ensures stable operation of magnetrons and a stable structural state, composition and properties of alternating layers of the deposited coating.

Заявляемые соотношения реакционного и инертного газов в газовой смеси в зависимости от размера кристаллитов поддерживают соотношение вюрцитной w- Zr₃AlN, кубической с- Zr₃AlN и орторомбической Zr₃N4 фаз в слое Zr_1-xAl_xN и покрытии в целом, постоянное направление преимущественной кристаллографической ориентации кристаллитов покрытия и обеспечит максимальную миротвердость и минимальные внутренние напряжения.The claimed ratios of the reaction and inert gases in the gas mixture, depending on the crystallite size, maintain the ratio of wurtzite w-Zr ₃ AlN, cubic c-Zr ₃ AlN and orthorhombic Zr ₃ N4 phases in the Zr _1-x Al _x N layer and the coating as a whole, constant the direction of the predominant crystallographic orientation of the coating crystallites will provide the maximum world hardness and minimum internal stresses.

Вращение сателлитов подложкодержателя с планетарным механизмом, где закреплены образцы и/или детали, 20-25 об/мин позволяет получать наноразмерные чередующиеся слои Zr_1-xAl_xN толщиной 10-20 нм. Нанесение слоев покрытия на расстоянии от мишеней до подложки 140-150 мм позволит получить требуемую плотность потока пленкообразующих частиц.The rotation of the satellites of the substrate holder with a planetary mechanism, where the samples and / or parts are fixed, at 20-25 rpm, makes it possible to obtain nano-sized alternating layers of Zr _1-x Al _x N with a thickness of 10-20 nm. The deposition of coating layers at a distance of 140-150 mm from the targets to the substrate will make it possible to obtain the required flux density of film-forming particles.

При осаждении многослойного покрытия поддерживается температура осаждаемых слоев 200-250°С и тем самым регулируется поверхностная энергия слоев, что приводит к формированию покрытия с контролируемыми структурой и свойствами. Температура 200-250°С позволит использовать способ для упрочнения материалов с низкой температурой отпуска.During the deposition of a multilayer coating, the temperature of the deposited layers is maintained at 200-250 ° C and thereby the surface energy of the layers is regulated, which leads to the formation of a coating with a controlled structure and properties. A temperature of 200-250 ° C will make it possible to use the method for hardening materials with a low tempering temperature.

Многократное (не менее двух раз) чередование слоев нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с различным размером кристаллитов и нанесение верхнего слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм позволит сформировать покрытие с высокими физико-механическими и трибологическими свойствами, низким коэффициентом трения и высокой адгезионной прочностью подслоя с материалом подложки и между слоями.Multiple (at least two times) alternation of layers of zirconium nitride and aluminum Zr _1-x Al _x N with different crystallite sizes and the application of an upper layer of Zr _1-x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm will allow the formation of a coating with high physical and mechanical and tribological properties, low coefficient of friction and high adhesion strength of the underlayer to the backing material and between layers.

Для дополнительного сообщения покрытию трещиностойких, ударостойких и коррозионных свойств наносят внутренние слои разных составов (Ti, TiN, Cr, CrN).For additional communication of crack-resistant, shock-resistant and corrosion properties to the coating, internal layers of different compositions (Ti, TiN, Cr, CrN) are applied.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.The proposed method is illustrated by the drawings shown in Figures 1-5.

На фиг.1 изображен снимок излома покрытия Zr_1-xAl_xN, полученного известным способом, взятым за прототип.Figure 1 shows a snapshot of the fracture of the coating Zr _1-x Al _x N, obtained by a known method, taken as a prototype.

На фиг.2 изображен снимок излома слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм.Figure 2 shows a snapshot of the fracture of the Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 30-50 nm.

На фиг.3 изображен снимок излома слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 60-100 нм.Figure 3 shows a snapshot of the fracture of the Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 60-100 nm.

На фиг.4 изображен снимок излома заявляемого многослойного покрытия Zr_1-xAl_xN.Figure 4 shows a snapshot of the fracture of the inventive multilayer coating Zr _1-x Al _x N.

На фиг.5 представлена зависимость глубины проникновенияFigure 5 shows the dependence of the depth of penetration

индентора в покрытие l, характеризующей степень его разрушения, коэффициента трения ƒ и критической нагрузки F_Kp на индентор от содержания Аl и соотношения Zr/Al в покрытии Zr_1-xAl_xN.of the indenter into the coating l, which characterizes the degree of its destruction, the coefficient of friction ƒ and the critical load F _Kp on the indenter from the Al content and the Zr / Al ratio in the coating Zr _1-x Al _x N.

Способ получения многослойного термодинамически стабильного износостойкого покрытия осуществляют следующим образом.The method of obtaining a multilayer thermodynamically stable wear-resistant coating is as follows.

Подложку (инструмент и/или детали в оснастке) устанавливают на спицы - сателлиты планетарного механизма, расположенного в нижней части вакуумной камеры установки магнетронного распыления, оснащенной двумя дуговыми испарителями с катодами из титана ВТ 1-0, расположенными в вакуумной камере симметрично относительно подложкодержателя, двумя циркониевыми мишенями из сплава Э110 и двумя алюминиевыми мишенями из алюминия технической чистоты А89, расположенными в дверце вакуумной камеры в последовательности циркониевая мишень алюминиевая мишень - циркониевая мишень - алюминиевая мишень. Магнетроны с циркониевой и алюминиевой мишенями расположены рядом друг с другом и работают одновременно.The substrate (tool and / or parts in the equipment) is installed on the spokes - satellites of the planetary mechanism located in the lower part of the vacuum chamber of the magnetron sputtering installation, equipped with two arc evaporators with VT 1-0 titanium cathodes, located in the vacuum chamber symmetrically relative to the substrate holder, two zirconium targets made of alloy E110 and two aluminum targets made of aluminum of technical purity A89, located in the door of the vacuum chamber in the sequence zirconium target aluminum target - zirconium target - aluminum target. Magnetrons with zirconium and aluminum targets are located next to each other and work simultaneously.

Проводят ионную очистку подложки двумя дуговыми испарителями с титановыми катодами, обеспечивающую термическую активацию и нагрев подложки для обеспечения высокой адгезии к ней покрытия. При этом ионную очистку проводят в течение 5-15 мин при высоком напряжении на подложке: 700…800 В, давлении в вакуумной камере 5,0-10^-3 Па. Согласно первому варианту способа ионную очистку проводят с нагревом подложки до температуры 300-350°С.Ionic cleaning of the substrate is carried out by two arc evaporators with titanium cathodes, which provides thermal activation and heating of the substrate to ensure high adhesion of the coating to it. In this case, ionic cleaning is carried out for 5-15 minutes at a high voltage on the substrate: 700 ... 800 V, a pressure in the vacuum chamber of 5.0-10 ^-3 Pa. According to the first variant of the method, ionic cleaning is carried out by heating the substrate to a temperature of 300-350 ° C.

Затем, не выключая дуговых испарителей с титановыми катодами, наносят на подложку согласно первому варианту способа подслой Ti методом вакуумно-дугового испарения, и затем чередующиеся слои нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм (фиг.2) и 60-100 нм (фиг.3) методом магнетронного распыления двух циркониевых мишеней и двух алюминиевых мишеней при напряжении смещения на подложке - 90-95 В при управлении магнетронной распылительной системой импульсными источниками питания.Then, without switching off the arc evaporators with titanium cathodes, a Ti sublayer is applied to the substrate according to the first variant of the method by the vacuum arc evaporation method, and then alternating layers of zirconium nitride and aluminum Zr _1-x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm (Fig. 2) and 60-100 nm (Fig. 3) by the method of magnetron sputtering of two zirconium targets and two aluminum targets at a bias voltage on the substrate of 90-95 V when controlling the magnetron sputtering system with pulsed power supplies.

Подслой титана Ti наносят при отрицательном напряжении смещения на подложке - 250-280 В, давлении 5,0⋅10^-3 Па, токе на дуговых испарителях 90-100 А, расстоянии катод-подложка 160-170 мм и температуре процесса осаждения подслоя Ti 300-350°С.The titanium Ti sublayer is applied at a negative bias voltage on the substrate - 250-280 V, a pressure of 5.0⋅10 ^-3 Pa, a current on arc evaporators of 90-100 A, a cathode-substrate distance of 160-170 mm and a temperature of the Ti 300 sublayer deposition process. -350 ° C.

Согласно второму варианту способа наносят на подложку подслой Zr методом магнетронного распыления при использовании двух магнетронов с циркониевыми мишенями и двух магнетронов с алюминиевыми мишенями при напряжении смещения на подложке - 90-95 В. Подслой циркония наносят при давлении аргона 0,49-0,5 Па, мощности на двух магнетронах с циркониевыми мишенями (N_Zr) 2,4-2,5 кВт, токе на магнетронах 5-7,5 А в течение 5-15 мин, на расстоянии мишень-подложка L=140…150 мм и температуре процесса осаждения подслоя Zr 200-250°С, токи на двух циркониевых мишенях поддерживают 5-7,5 А и подают ток на две алюминиевые мишени 5-7,5 А.According to the second variant of the method, a Zr sublayer is applied to the substrate by the method of magnetron sputtering using two magnetrons with zirconium targets and two magnetrons with aluminum targets at a bias voltage on the substrate of 90-95 V. The zirconium sublayer is applied at an argon pressure of 0.49-0.5 Pa , power on two magnetrons with zirconium targets (N _Zr ) 2.4-2.5 kW, current on magnetrons 5-7.5 A for 5-15 minutes, at a target-substrate distance L = 140 ... 150 mm and temperature the deposition of the Zr sublayer 200-250 ° C, the currents on two zirconium targets are maintained at 5-7.5 A and a current is supplied to two aluminum targets 5-7.5 A.

После нанесения на подложку подслоя Ti или Zr наносят чередующиеся слои нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм (фиг.2) и 60-100 нм (фиг.3) методом магнетронного распыления двух циркониевых мишеней и двух алюминиевых мишеней при напряжении смещения на подложке - 90-95 В при управлении магнетронной распылительной системой импульсными источниками питания.After deposition of a Ti or Zr sublayer on the substrate, alternating layers of zirconium nitride and aluminum Zr _1-x Al _x N with a crystallite diameter of 30-50 nm (Fig. 2) and 60-100 nm (Fig. 3) are applied by magnetron sputtering of two zirconium targets and two aluminum targets with a bias voltage on the substrate - 90-95 V when controlling the magnetron sputtering system by switching power supplies.

Чередующиеся слои нитрида циркония и алюминия Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм и 60-100 нм наносят в газовой смеси азота и аргона при давлении 0,7-0,75Па. Устанавливают мощности на двух магнетронах с Zr мишенью Nz_r=2,4-2,5 кВт и на двух магнетронах с алюминиевой мишенью N_Al=2,7-2,8 кВт, при скорости вращения подложки V=20-25 об/мин. При осаждении слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм, импульсное магнетронное распыление проводят при работающих циркониевой и алюминиевой мишенях при содержании азота 5-10% и вращающейся подложке в течение не менее 40-50 мин. При осаждении слоя Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 60-100 нм импульсное магнетронное распыление проводят при содержании азота 12-15% в течение не менее 10- 20 мин. Осаждение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз и верхним наносят слой Zr_1-xAl_xN с диаметром кристаллитов 30-50 нм. Нанесение слоев проводят на расстоянии от мишеней до подложки 140-150 мм. Наноразмерные слои Zr_1-xAl_xN получали за счет вращения спиц, с закрепленной на них оснасткой с инструментом и/или деталями, являющихся сателлитами в планетарном механизме подложкодержателя, со скоростью вращения 20-25 об/мин. Температура подложки 200-250°С.Alternating layers of zirconium nitride and aluminum Zr _1-x Al _x N with crystallite diameters of 30-50 nm and 60-100 nm are applied in a gas mixture of nitrogen and argon at a pressure of 0.7-0.75 Pa. The power is set on two magnetrons with a Zr target Nz _r = 2.4-2.5 kW and on two magnetrons with an aluminum target N _Al = 2.7-2.8 kW, at a substrate rotation speed V = 20-25 rpm ... When a Zr _1-x Al _x N layer is deposited with a crystallite diameter of 30-50 nm, pulsed magnetron sputtering is carried out with operating zirconium and aluminum targets with a nitrogen content of 5-10% and a rotating substrate for at least 40-50 minutes. When a Zr _1-x Al _x N layer is deposited with a crystallite diameter of 60-100 nm, pulsed magnetron sputtering is carried out at a nitrogen content of 12-15% for at least 10-20 minutes. The deposition of alternating layers is repeated at least two times and the top layer is applied to the Zr _1-x Al _x N layer with a crystallite diameter of 30-50 nm. The layers are applied at a distance of 140-150 mm from the targets to the substrate. Nanoscale layers of Zr _1-x Al _x N were obtained by rotating the spokes with a fixture with a tool and / or parts attached to them, which are satellites in the planetary mechanism of the substrate holder, at a rotation speed of 20-25 rpm. Substrate temperature 200-250 ° C.

Чередующиеся слои Zr_1-xAl_xN с контролируемым содержанием алюминия, подслой Ti или Zr осаждается на подложку перед осаждением верхнего слоя Zr_1-xAl_xN.Alternating layers of Zr _1-x Al _x N with controlled aluminum content, a Ti or Zr sub-layer is deposited on the substrate before the top layer of Zr _1-x Al _x N is deposited.

Для сообщения покрытию дополнительных свойств наносят внутренние слои разных составов (Ti, TiN, Cr, CrN).To impart additional properties to the coating, internal layers of different compositions (Ti, TiN, Cr, CrN) are applied.

Свойства нанесенного покрытия контролируются путем измерения механических свойств покрытий методом наноиндентации и адгезионной прочности покрытия с помощью адгезионного теста Роквелла.The properties of the applied coating are controlled by measuring the mechanical properties of the coatings by the nanoindentation method and the adhesion strength of the coating using the Rockwell adhesion test.

Из представленных в таблице результатов испытаний и снимка изломов покрытия (фиг. 4) следует, что покрытие, полученное по обоим вариантам заявленного способа, по сравнению с покрытием (фиг. 1), полученным известным способом, взятым за прототип, обладает высокими физико-механическими свойствами, имеет низкий коэффициент трения и высокую адгезионную прочность подслоя с материалом подложки и между слоями.From the test results presented in the table and a snapshot of the fractures of the coating (Fig. 4), it follows that the coating obtained by both versions of the claimed method, in comparison with the coating (Fig. 1), obtained by a known method, taken as a prototype, has high physical and mechanical properties, has a low coefficient of friction and high adhesive strength of the underlayer with the substrate material and between layers.

Преимущество заявляемого способа состоит в том, что он позволяет получить гарантированно заданный состав, структуру и свойства покрытия.The advantage of the proposed method is that it allows you to obtain a guaranteed specified composition, structure and properties of the coating.

Способ позволяет управлять структурообразованием покрытия Zr_1-xAl_xN путем изменения основных технологических параметров осаждения.The method makes it possible to control the structure formation of the Zr _1-x Al _x N coating by changing the basic technological parameters of the deposition.

Заявляемые технологические режимы позволяют получить многофункциональное покрытие с высокими термодинамически стабильными и износостойкими свойствами.The claimed technological modes make it possible to obtain a multifunctional coating with high thermodynamically stable and wear-resistant properties.

Для установления влияния содержание алюминия на микротвердость, коэффициент трения, величину деформации покрытия Zr_1-xAl_xN при царапании с использованием твердосплавного индентора адгезиметра скретч-тестера REVETEST (CSM Instruments, Швейцария) покрытия получали при различном содержании азота и давления в газовой смеси.To establish the effect of the aluminum content on the microhardness, friction coefficient, and the deformation of the Zr _1-x Al _x N coating during scratching using a hard-alloy indenter of the REVETEST adhesive scratch tester (CSM Instruments, Switzerland), the coatings were obtained at different nitrogen contents and pressure in the gas mixture.

Процентное содержание N₂ в газовой смеси N₂+Ar изменяли в интервале 5…40%, остальные параметры поддерживали постоянными: давление газовой смеси - Р=0,75 Па; ток на магнетроне - I_магн.Zr=I_магн.Al=6 А; напряжение смещения на подложке - U_см=150 В; продолжительность осаждения покрытия Zr_1-xAl_xN-Т_осаж=60 мин. Технологические и температурные параметры процесса осаждения покрытий Zr_1-xAl_xN приведены в таблице.The percentage of N ₂ in the gas mixture N ₂ + Ar was changed in the range of 5 ... 40%, the other parameters were kept constant: pressure of the gas mixture - P = 0.75 Pa; magnetron current - I _magn.Zr = I _magn.Al = 6 A; bias voltage on the substrate - U _cm = 150 V; the duration of the deposition of the coating Zr _1-x Al _x N-T _deposition = 60 min. Technological and temperature parameters of the deposition process of coatings Zr _1-x Al _x N are given in the table.

Результаты испытаний приведены на фиг. 5.The test results are shown in FIG. 5.

В работе [Y.H. Chen, L. Rogström, J.J. Roa, J.Q. Zhu, I.C. Schramm, L.J.S. Johnson, N. Schell, F. Mücklich, M.J. Anglada, M. Odén. Thermal and mechanical stability of wurtzite-ZrAlN/cubic-TiN and wurtzite-ZrAlN/cubic-ZrN multilayers // Surface & Coatings Technology 324 (2017) 328-337] было показано, что твердые растворы w-Zr_1-xAl_xN со структурой вюрцита обладают высокой термической стабильностью при содержании Al выше ~ 70%. Также было показано, что при высоких температурах наблюдается спинодальный распад на кубические фазы c-AlN и c-ZrN, которые способствует хорошему износу при резке. Таким образом, верхний слой покрытия Zr_0,3Al_0,7N помимо высокой твердости, минимального коэффициента трения и высокой способности к упругому восстановлению будет также обладать высокой термической стабильностью благодаря максимальному содержанию (объемная доля 27,56%) в покрытии фазы w-Zr_1-xAl_xN со структурой вюрцита.In [YH Chen, L. Rogström, JJ Roa, JQ Zhu, IC Schramm, LJS Johnson, N. Schell, F. Mücklich, MJ Anglada, M. Odén. Thermal and mechanical stability of wurtzite-ZrAlN / cubic-TiN and wurtzite-ZrAlN / cubic-ZrN multilayers // Surface & Coatings Technology 324 (2017) 328-337] it was shown that solid solutions w-Zr _1-x Al _x N with a wurtzite structure have high thermal stability at an Al content above ~ 70%. It was also shown that at high temperatures spinodal decomposition into cubic phases c-AlN and c-ZrN is observed, which contributes to good wear during cutting. Thus, the top layer of the Zr _0.3 Al _0.7 N coating, in addition to high hardness, minimum friction coefficient and high elastic recovery ability, will also have high thermal stability due to the maximum content (volume fraction 27.56%) of the w- phase in the coating. Zr _1-x Al _x N with wurtzite structure.

Фазовый переход c-AlN→w-AlN связан с увеличением объема, что способствует закрытию трещин и дает повышенную трещиностойкость покрытию w-Zr_0,28Al_0,72N, у которого минимальный коэффициент трения, максимальные твердость, адгезионная прочность и износостойкость. Кроме того, повышение твердости покрытия w-Zr_0,28Al_0,72N происходит благодаря выделению вторичной фазы c-Zr_1-xAl_xN в процессе осаждения при оптимальном давлении и содержании азота в газовой смеси. Кроме того, трибологические испытания на когезию/адгезию и износостойкость продемонстрировали улучшение данных свойства у многослойных структур.The c-AlN → w-AlN phase transition is associated with an increase in volume, which promotes crack closure and gives increased crack resistance to the w-Zr _0.28 Al _0.72 N coating, which has a minimum friction coefficient, maximum hardness, adhesion strength and wear resistance. In addition, the increase in the hardness of the coating w-Zr _0.28 Al _0.72 N occurs due to the release of the secondary phase c-Zr _1-x Al _x N during deposition at an optimal pressure and nitrogen content in the gas mixture. In addition, tribological tests for cohesion / adhesion and wear resistance have shown an improvement in these properties in multilayer structures.