МНОГОСЛОЙНЫЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ В ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛАХ ТРЕНИЯ
Петров Л.М., Сычев А.П., Иваночкин П.Г., Жукова Ю.В.
(НИАТ, Москва; ЮНЦ РАН, РГУПС, Ростов-на-Дону, РФ)
The use of a multi-layer ionic-plasma covering which consists of alternating layers of titanium and nitrite of titanium is proposed for of clusters of friction
Отличительной особенностью современного машиностроения является широкое применение методов инженерии поверхности, позволяющих радикально изменять свойства поверхностных слоев конструкционных материалов [1]. Это связано, прежде всего, с тем, что поверхностный слой, как правило, ответственен за обеспечение работоспособности изделия и формирует необходимый уровень эксплуатационных свойств. Защитные покрытия позволяют не только получать новые свойства изделий за счет образующихся композиций, сочетающих высокую долговечность с достаточной надежностью, но и повышать эксплуатационную стойкость деталей машин и инструментов, восстанавливать изношенные поверхности и, следовательно, снижать потребности в запасных частях.
В результате формирования поверхностно измененного слоя деталей существенно изменяются также условия их контактирования с контртелом: происходит перераспределение контактных давлений, изменяется размер зоны контакта, изменяются трибологические характеристики [2].
Одними из наиболее универсальных и высокоэффективных средств изменения свойств поверхности являются методы вакуумной ионно-плазменной обработки. Это объясняется широтой выбора наносимых покрытий, их структурным многообразием, возможностью создания многокомпонентных композиций и большой номенклатурой материала подложек. При этом изменение свойств поверхности дает значительное ресурсосбережение, как за счет существенного удлинения срока службы изделий, так и за счет экономии дорогостоящих легирующих элементов. Однако широкое применение этих покрытий сдерживается высокой нестабильностью свойств из-за значительного разброса толщины, химического и фазового состава, текстуры, морфологии и твердости. Связано это с существенной зависимостью свойств от параметров технологического процесса формирования покрытия и состояния исходной поверхности.
Вакуумно-плазменная технология нанесения покрытия методом конденсации с ионной бомбардировкой в вакууме (КИБ), благодаря высокой степени ионизации и возбуждения компонентов конденсируемого плазменного потока, обеспечивает возможность синтеза тугоплавких соединений при относительно низкой температуре [3]. Для нанесения покрытий использовалась установка «Булат-6».
При конденсации плазменных потоков на поверхности образуются покрытия, фазовый состав и свойства которых определяются главным образом давлением азота в камере.
Воздействие активной плазмы титана на поверхность приводит к образованию промежуточного слоя по границе подложка-покрытие, обогащенного титаном.
Введение в камеру на различных этапах процесса азота приводит к образованию на поверхности плазмохимической реакции с образованием TiN в виде слоев различной толщины.
Таким образом, сформированное композиционное покрытие представляет собой чередующиеся слои титана и нитрида титана, причем первые слои, имеющие контакт с подложкой состоят из титана.
Одним из важнейших параметров, определяющих работоспособность покрытия, является прочность сцепления его с подложкой. Прочность сцепления покрытия с подложкой определяется тщательностью очистки покрываемой поверхности, так как чистые металлические поверхности необходимы для обеспечения высоких адгезионных свойств покрытий, осаждаемых в вакууме.
Подготавливаемые детали перед нанесением покрытия проходили ультразвуковую и химическую обработку. Они помещались в специальную тару для обезжиривания в ультразвуковой ванне, затем промывка в воде с последующим окунанием в дистиллированную воду с помощью пинцета. Качество обезжиривания определялось визуально (полное равномерное смачивание поверхности дистиллированной водой). Затем проводилась финишная сушка окунанием в этиловый спирт.
Время между загрузкой в вакуумную камеру и ультразвуковой очисткой поверхности не превышало 0,5 часа.
Так как прочность сцепления покрытия с поверхностью подложки и пористость покрытия зависят от температуры нагрева подложки, и с повышением температуры подложки прочность сцепления увеличивается, то при отработке режимов окончательной очистки ионной бомбардировкой прогрев деталей и инструмента производился в импульсном режиме. Общее время прогрева зависит от типоразмера детали.
В целях предупреждения температурного перегрева деталей определялись оптимальные значения напряжений на подложке и ток дуги.
При отработке режимов нанесения покрытия изменялось парциальное давление азота в камере и время нанесения покрытия.
При изменении парциального давления реактивного газа (азота), вводимого в металлическую плазму разряда изменялась микротвердость. Замеры микротвердости проводились на образцах-свидетелях на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 50 г.
Изменяя время нанесения покрытия, можно менять толщину покрытия. Толщина покрытия и равномерность покрытия измерялись на образцах-свидетелях с помощью микроскопа на продольных шлифах.
Комплекс физико-механических свойств наносимых покрытий позволяет предположить, что данное покрытие может быть успешно использовано при изготовлении и восстановлении деталей машин, работающих в условиях трения скольжения, особенно без смазки.
На машине трения УРМТ-5, позволяющей проводить трибологические испытания по схеме «вал-частичный вкладыш», как в режиме одностороннего вращения, так и в режиме возвратно-качательного движения, проведены исследования влияния многослойного ионно-плазменного покрытия титан-нитрид титана при скольжении по термообработанной стали 45 (HRC 35-37).
По сравнению со стандартными испытательными машинами трения, в используемой машине помимо обеспечения возвратно-вращательного движения качающегося ролика, увеличено усилие прижатия испытуемых образцов, а так же расширен диапазон изменения частот вращения или циклов качания испытуемого ролика.
Испытания проводили без подвода внешней смазки при контактном давлении 2,0…37,0 Мпа и относительной скорости скольжения 0,005…0,19 м/с. В исследовании использовался статистический метод планирования многофакторного эксперимента. В качестве функции отклика выбраны интенсивность изнашивания и коэффициент трения, а в качестве варьируемых параметров – контактное давление и скорость относительного скольжения.
Испытания показали, что нанесение покрытия на обе поверхности трения приводит к снижению коэффициента трения с 0,6-0,7 до 0,2-0,4. Однако результат значительно улучшается при нанесении покрытия только на одну из поверхностей трения. При этом коэффициент трения имеет значение 0,09-0,15, а механизм повреждаемости поверхностей трения можно охарактеризовать как «нормальный механохимический износ», которому соответствует интенсивность изнашивания 0,001-0,1 мм3/см2 за 1000 м пути трения.
Сравнение профилограмм исходных образцов из Ст.45 и образцов из той же партии, но с нанесенным многослойным покрытием показало снижение шероховатости (Ra с 0.9 до 0,52; Rz с 4,75 до 4,05).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-08-00730, 07-08-00697).
Литература
1. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. – М.: Машиностроение, 1991.