Full Text

Современная высокотехнологичная техника диктует жесткие требования к работе подвижных сопряжений, а также материалам и технологиям их изготовления. Например, перед конструкторами космических аппаратов возникали проблемы разрушения пар трения и выхода их из строя в результате адгезии поверхностей контактирующих металлов, испарения или замерзания смазки, адсорбции граничных пленок или разрушения оксидов. Всё это нередко приводило не только к отказам оборудования, но и гибели космонавтов [1]. Известными методами эту проблему решить не удается, поэтому со времен начала освоения околоземного и межпланетного пространства и до наших дней остаются актуальными твердые смазочные покрытия. Существует большое количество научных исследований в области трибологии, материаловедения, методологии нанесения покрытий [2-13], а также работ, свидетельствующих о повышении эксплуатационной надежности и работоспособности подвижных сопряжений деталей машин [14, 15] и др., но в научно-технической литературе по покрытиям редко встречаются данные о физико-механических характеристиках нанесенных покрытий. В этой связи разработка состава покрытия, обладающего высокими прочностными, износостойкими и трибологическими свойствами, является актуальной научно-технической задачей. Это подтверждается рядом исследований, в которых выполнена разработка как состава самих покрытий, так и режимов их нанесения на подложку. Например, в работе [8] получены математические зависимости влияния режима плазменного напыления на трибологические и механические свойства антифрикционных покрытий на основе алюминия. При анализе направлений научных поисков ученых в области нанесения покрытий, в том числе наноструктурированных, прослеживается целый ряд используемых материалов и технологий. В исследовании [11] разработано твердое смазочное покрытие на основе фторэластомера СКФ-32 и рассмотрено его формирование на металлической поверхности непрерывным излучением CO2-лазера, а в работе [10] экспериментально установлен эффект ионно-пучкового наноструктурирования поверхностного слоя, приводящий к одновременному повышению как прочности, так и пластичности материалов. Большой интерес представляют многокомпонентные покрытия с заданным составом и равномерным распределением компонентов, нанокристаллические и аморфные покрытия, полученные методом магнетронного распыления. Ключевым фактором в формировании последних является конструкция магнетрона и материал мишеней, в этой связи усовершенствован метод магнетронного распыления при помощи магнетрона с мозаичным катодом (мишенью). Совмещение физических методов модифицирования поверхности и нанесения покрытий имеет положительный эффект в образовании градиентно-слоистых трибологических покрытий. При выполнении настоящих исследований покрытия получали в результате реализации PVD-процесса (physical vapor deposition - физического осаждения из паровой фазы) на установке Unicoat 600SL (НПФ «Элан-Практик», г. Дзержинск), внешний вид которой представлен на рис. 1. Перед нанесением покрытий осуществлялся комплекс подготовительных мероприятий, включающий в себя предварительную очистку, ультразвуковое обезжиривание в моющем растворе, промывку в дистиллированной воде и сушку. Процесс PVD-покрытия проводили в атмосфере инертного газа с содержанием реакционного газа - азота и/или метана при приложении к подложке отрицательного потенциала смещения Uсм. 3 2 1 3 Рис. 1. Установка Unicoat 600SL для нанесения нанокомпозитных покрытий: 1 - вакуумная камера; 2 - источники питания магнетронов; 3 - стойка управления Для улучшения переноса частиц в камере создавали вакуум (10-3 Па). Заготовки совершали планетарное движение вокруг двух магнетронов, снабженных мишенями из химически чистых материалов - Cr (ЭРХ-1), сплав алюминия с кремнием АК12пч, титан (ВТ1-0). Схема нанесения покрытий изображена на рис. 2, а магнетрон с титановой мишенью - на рис. 3. При нанесении покрытия использовались несбалансированные магнетроны 1, в которых магнитное поле для увеличения ионизации реализовано с помощью постоянных магнитов на основе неодима. В каждый магнетрон устанавливается мишень 2 из материала, который требуется для получения необходимого состава покрытия. Осаждаемые детали 3 совершают планетарное движение (вращаются вокруг своей оси со скоростью ω1 = 5 мин-1, а также вокруг магнетронов со скоростью ω2 = 10 мин-1). Толщина покрытий, полученных при осаждении в таком режиме, составила 50 нм. Рис. 2. Схема нанесения нанопокрытия Рис. 3. Магнетрон с титановой мишенью В результате бомбардировки ионами аргона из мишеней 2 выбиваются электроны распыляемого материала 4, которые, ускоряясь в электрическом поле, созданном потенциалом Ucм порядка 40-70 В, внедряются в поверхность деталей 3. Магнитное поле 5 заставляет электроны материала мишени двигаться по циклоиде, при этом электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может в результате столкновения с другой частицей. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока электрон не покинет область действия магнитного и электрического поля. В конечном счете эффективность распыления увеличивается. Покрытия наносили согласно режимам (табл. 1). Параметры, приведенные в табл. 1: рбаз - базовое давление в камере, при котором осуществлялся технологический процесс, Па; Qн -значение натекания газов при откачке, sccm (sccm - внесистемная единица измерения расхода газа, равная 1 см3/мин); рр - давление газа в камере при проведении технологической операции, Па; Id - ток разряда, А; Uсм - напряжение смещения, В; Т - время операции, мин; nвр - частота вращения, мин-1; р1 - давление на входе в форвакуумный агрегат, Па; р2 - давление на выходе диффузионного насоса, Па; р4 - давление на входе диффузионного насоса, Па; Ii - сила электрического тока при ионной очистке, А; QAr - расход аргона, sccm; Iсм - сила тока смещения, А; Ud - напряжение разряда, В; hм - глубина эрозии мишени, мм. Таблица 1 Режимы нанесения покрытий Технологическая операция Определяющие параметры Контролируемые параметры Откачка вакуумной камеры рбаз = 0,18 Па Qн = 0,2 sccm р1 р2 р4 Ионная очистка изделий рр = 0,18 Па Id = 1,5…3,0 А Uсм = 600…1000 В T = 5…15 мин Ii QAr Нанесение металлического подслоя рр = 0,18 Па Id = 15…18 А Uсм = 40…70 В T = 25…30 мин Iсм Ud QAr Нанесение реактивного слоя рр = 0,18 Па Id = 15…18 А Uсм = 40…70 В T = 120…130 мин nвр = 10…12 мин-1 Iсм Ud QAr hм Остывание изделий рр = 0.18 Па T = 15…20 мин QAr Микротвердость покрытий измеряли на нанотвердомере Micro-Combi Tester фирмы CSM (Швейцария). В процессе приложения внешней нагрузки P индентор, представляющий собой четырехгранную алмазную пирамиду Виккерса, проникает вглубь покрытия перпендикулярно к поверхности образца. Нагрузку на индентор равномерно увеличивали от нуля до 0,05 Н, после чего она равномерно уменьшалась, при этом исследуемый поверхностный слой частично или полностью упруго восстанавливался. Данные о нагрузке и перемещении регистрировали в ходе всего испытания с частотой 10 Гц и выводили на экран компьютера. Программное обеспечение нанотвердомера автоматически вычисляет твердость H и модуль упругости Е в соответствии с методикой Оливера-Фарра: где Рmax - максимальная нагрузка; А - площадь контакта индентора с образцом; где Е* - эффективный модуль упругости системы покрытие - индентор; νs - коэффициент Пуассона, для покрытия он равен 0,3. Эффективный модуль упругости определяется по формуле где - приведенный модуль упругости; νi - коэффициент Пуассона индентора, νi = 0,07; - модуль упругости индентора (для алмаза модуль равен 1140 ГПа). Приведенный модуль упругости определяли по формуле где S - контактная жесткость при максимальной нагрузке; β - геометрический фактор, β = 1,012; Ар - проекционная площадь контакта; hc - глубина контакта индентора с образцом при максимальной нагрузке. Еще одна, не менее важная характеристика покрытия, необходимая для оценки его износостойкости, - величина упругого восстановления We, которая определяется по формуле где hm - максимальная глубина проникновения индентора; hr - глубина проникновения индентора после снятия нагрузки. Данные измерений по полученным покрытиям приведены в табл. 2. Таблица 2 Значения инденторной твердости и модуля упругости покрытий при глубинах проникновения индентора hm и hr Покрытия Параметры HIT, ГПа EIT, ГПа E*, ГПа hm, мкм hr, мкм (AlSiCr)N 49,344 422,506 464,292 0,21 0,079 (AlSiTi)N 51,34 438,770 482,160 0,20 0,070 (AlSiCr)C:H 23,97 221,620 243,540 0,34 0,190 (AlSiTi)C:H 21,32 160,530 176,410 0,39 0,200 Для оценки износостойкости покрытий используют индекс пластичности НIT/E*; коэффициент отражающий сопротивление пластической деформации, и коэффициент упругого восстановления We. Значения этих величин для каждого покрытия приведены в табл. 3. Таблица 3 Параметры износостойкости покрытий Покрытия НIT/E* We (AlSiCr)N 0,106 0,557 0,62 (AlSiTi)N 0,106 0,582 0,65 (AlSiCr)C:H 0,098 0,280 0,44 (AlSiTi)C:H 0,121 0,311 0,49 Сравнением полученных результатов установлено, что наиболее износостойким является покрытие с более высокими значениями индекса пластичности, сопротивления пластической деформации и коэффициента упругого восстановления, а именно: нитрид алюминия-кремния-титана (AlSiTi)N, который рекомендуется для нанесения на детали планетарных ролико-винтовых передач и других механизмов, работающих в приближенных условиях трения и износа. Для применения деталей ролико-винтовых механизмов в условиях высокой тепловой напряженности необходимы покрытия более сложного состава, при этом отдельные слои покрытия должны обеспечивать надежное функционирование механизма в условиях высоких температур.

About the authors

V. G Gusev

Vladimir State University named under A.G. and N.G. Stoletovyh

Email: prof_gusev@mail.ru

D. O Kochetov

Vladimir State University named under A.G. and N.G. Stoletovyh

Email: dencrown@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 73

Refbacks

• There are currently no refbacks.