CC BY
91
ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ И ПОКРЫТИЯ
УДК 621.891
ИЗУЧЕНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНЫХ Мо-С ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ГАЗОФАЗНЫМ МЕТОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАЛЛОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
А.В. Сагалович, начальник отдела, А.В. Кононыхин, зам. председателя правления, В.В. Попов, председатель правления, А.В. Г ригорьев, инженер,
В.В. Сагалович, профессор, д.т.н., ПАО «ФЭД», А.К. Олейник, к.т.н., нач. лаб.,
ГП «Завод имени Малышева»
Аннотация. Разработан процесс нанесения многослойных Мо-С покрытий методом газофазного осаждения с использованием металлорганических соединений. Трибологические испытания Мо-С покрытий свидетельствуют о перспективности разработанных покрытий для повышения износостойкости и снижения коэффициента трения скольжения пар трения прецизионных узлов агрегатостроения.
Ключевые слова: CVD процессы, многокомпонентные многослойные покрытия, трибология.
ВИВЧЕННЯ ТРИБОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК БАГАТОШАРОВИХ Мо-С ПОКРИТТІВ, ОТРИМАНИХ ГАЗОФАЗНИМ МЕТОДОМ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТАЛОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
О.В. Сагалович, начальник відділу, О.В. Кононихін, заст. голови правління, В.В. Попов, голова правління, О.В. Григор’єв, інженер,
В.В. Сагалович, професор, д.т.н., ПАТ «ФЕД»,
О.К. Олейнік, к.т.н., нач. лаб., ДП «Завод імені Малишева»
Анотація. Розроблено процес нанесення багатошарових Мо-С покриттів методом газофазного осадження з використанням металорганічних сполук. Трибологічні випробування Мо-С покриттів свідчать про перспективність розроблених покриттів для підвищення зносостійкості та зниження коефіцієнта тертя ковзання пар тертя прецизійних вузлів агрегатобудування.
Ключові слова: CVD процеси, багатокомпонентні багатошарові покриття, трибологія.
TRIBOLOGICAL INVESTIGATION OF MULTILAYER CVD
Мо-С COATINGS
A. Sagalovych, head of Depatment, A. Kononykhin, Vice-Chairman of Administration, V. Pороv, Chairman of Administration, А. Grigoryev, engineer,
V. Sagalovych, Professor, Doctor of Technical Science, A. Oleynik, Candidate of Technical Science, Chief of the laboratory, JSC «FED», SE «Malyshev Plant»
Abstract: The process of Мо-С multilayer coatings deposition by means of gas-phase method sedimentation with metal-organic compounds application is developed. The tribological test of Мо-С coatings revealed the perspectivity of developed coatings for mear resistance increase and friction coefficient decrease of friction pair sliding ofprecision units of unit-building.
Key words: CVD, multilayer coatings, tribology.
Введение
Повышение функциональных свойств деталей путем использования защитных покрытий является на сегодняшний день очень распространенным технологическим инструментом. Упрочняющие, износостойкие, коррозионностойкие и др. функциональные покрытия широко применяются в промышленности.
Анализ публикаций
Все возрастающие требования к повышению долговечности и эффективности различных вновь создаваемых деталей и механизмов, работающих в условиях трения, резко увеличивают требования к поиску новых материалов, работающих в условиях фрикционного контакта, и их триботехническим характеристикам. Сложность и комплексный характер этих требований стимулируют постоянный поиск новых материалов и технологий их получения. Особенно остро проблема создания новых высокоэффективных износостойких материалов стоит перед современными отраслями машиностроения - авиастроением, агрегатостроением, судостроением, ракетной и космической техникой.
Одними из методов нанесения покрытий являются газофазные методы осаждения (CVD - Chemical Vapor Deposition), в основе которых - пиролиз металлсодержащих соединений, находящихся в газообразном состоянии [1]. Относительная простота осуществления технологических процессов, отсутствие высоких требований к вакууму (зачастую процессы проходят при атмосферном давлении), большие скорости нанесения покрытий (до миллиметров в час), возможность нанесения равномерных качественных покрытий на сложнопрофильные, в том числе на внутренние поверхности с большим значением соотношения L/d, делают эти методы весьма перспективными для нанесения функциональных покрытий [1-5].
Цель и постановка задачи
Целью работы является разработка процессов получения газофазных функциональных покрытий на сложнопрофильных прецизионных поверхностях высокого класса чистоты обработки (выше 10-го класса) и оценки возможности применения таких покрытий для пар трения в прецизионных узлах авиационного агрегатостроения.
Методики проведения исследований
Получение покрытий Мо-С проводили путем термического разложения металлсодержащего соединения - гексакарбонила молибдена Мо(СО)6. Разработку процесса проводили на газофазном блоке установки, предназначенной для проведения СУВ процессов и описанной нами в [8].
Процесс нанесения покрытия контролировали с помощью температуры образца, рабочего давления в камере, способа испарения карбонила молибдена.
Для нагрева образцов применяли ВЧ-индуктор с рабочей частотой 3 МГц и эффективной мощностью ~ 0,2 кВт. Давление регулировали, динамически изменяя скорость откачки вакуумной системы, в пределах 2,6-13 Па (0,02-0,1 Торр).
Для проведения металлографических анализов на образцы были нанесены многослойные и микрослойные покрытия на основе системы Мо-С.
Материал образцов - закаленная сталь Х12Ф1, 56-61 HRC, широко используемая в производстве прецизионных узлов трения авиационного агрегатостроения. Образцы размером 10х10х10 полировали до шероховатости 10-го класса = 0,063 мкм) по заводским технологиям до требуемых геометрических параметров (неплоскостность -< 0,001мм, шероховатость - Ra = 0,08 мкм).
Металлографические исследования структуры и свойств рабочих поверхностей (микрошлифы, твердость покрытия, определение геометрии поверхности после покрытия) проведены с использованием методов металлографического, химического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, измерения микротвердости, шероховатости поверхностей трения. Металлофизические исследования полученных покрытий выполнены на растровом электронном микроскопе JSM Т-300.
Трибологические испытания антифрикционных, износных свойств и схватывания образцов с покрытиями проведены на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «кубик-ролик» при ступенчатом нагружении (через 200Н),
при ступенчатом нагружении в интервале нагрузок 1-20 МПа по методикам, описанным в [6,7]. Линейные скорости скольжения -1,3 м/с. Время испытаний в каждом цикле -150 с. Рабочая жидкость - топливо ТС-1, ГОСТ 10227-86.
Для проведения трибологических испытаний на основные образцы - кубики из стали Х12Ф1 с твердостью 56-61 НИС (НВ~900) с рабочими плоскостями, притертыми алмазной пастой до требуемых геометрических параметров (неплоскостность - < 0,001 мм, шероховатость - Иа = 0,08 мкм), нанесены многослойные и микрослойные покрытия на основе системы Мо-С. Параметры CVD-процесса нанесения покрытия на исследуемые образцы приведены в табл. 1. После нанесения газофазного покрытия образцы полировали алмазной пастой АСМ7/3 со съемом припуска 0,004-0,006 мм до восстановления плоскостности.
Для воспроизводимости результатов испытаний на износ контролировалось сопряжение торцевых поверхностей по величине контактной площади: не менее 90 % рабочей поверхности каждого образца.
В процессе трибологических испытаний регистрировали:
- значения силы трения Fтр, нормальную нагрузку N контактное давление Р, по величине которых судили о механических потерях в трибосистемах;
- температуру элементов непрерывно регистрировали в реальном масштабе времени испытаний в непосредственной близости (1 мм) от зоны трения, с применением сколь-
зящей термопары. Коэффициенты трения определялись как /= Fтр/ N.
Обсуждение результатов исследований
В табл. 1 приведены основные параметры процесса нанесения и характеристики полученных СУВ-покрытий. На растровом электронном микроскопе JSM Т-300 проведены металлофизические исследования полученных образцов. На рис.1 показан внешний вид покрытия Мо-С (поперечный шлиф) с отмеченными зонами анализа; примерный химический состав анализируемых зон приведен в табл. 2.
Собственно покрытие представляет собой смесь чистого молибдена и карбида молибдена. Результаты исследований показали достаточно высокую степень совпадения фазового состава материала-основы - стали Х12Ф1 (зона 009).
На рис. 2 приведен микрорельеф поверхности покрытия после полировки.
Результаты трибологических испытаний представлены в табл. 3 и на рис. 3-5.
При проведении трибологических испытаний основное внимание было уделено изучению поведения разработанных покрытий в трибо-сопряжениях со сталью.
Как видно из полученных данных, а также по результатам выполненных нами ранее трибологических изучений [9, 10], наилучшие трибологические показатели в паре с метизной теплоустойчивой сталью ЭИ415 (20Х3МВФ) зафиксированы именно для покрытий Мо-С.
Таблица 1 Параметры процесса нанесения и характеристики СУР-покрытий
№ образца Т емпература образца, °С Экспозиция, мин Микротвердость, толщина Обработка
23 430 10 И = 2500 кГ/мм2, h = 15 мкм Доводка алмазной пастой АСМ7/3 со съемом припуска 0,004-0,006 мм до восстановления плоскостности. После доводки - h =5-10 мкм
24 360 10 И, = 1800 кГ/мм2, h = 10 мкм
25 290 10 И, = 2500 кГ/мм2, h = 10 мкм
Рис. 1. Внешний вид покрытия Мо-С на образце с отмеченными зонами анализа. Толщина покрытия ~ 10 мкм
Т аблица 2 Примерный химический состав анализируемых зон
№ точки Si Сг Fe № Мо С Всего, %
003 97,0 3,0 100
004 96,5 3,5 100
005 2,21 94,79 3,0 100
006 3,17 94,83 2,0 100
007 10,13 22,67 9,90 55,31 2,0 100
008 0,21 6,85 92,13 0,8 100
009 0,34 7,13 91,73 0,8 100
Рис. 2. Микрорельеф поверхности образца 24 после полировки
Хорошие трибологические свойства обнару- которые уже нашли применение для пар тре-
живают покрытия Мо-С при трении в парах ния в прецизионных узлах авиационного аг-
с твердыми и очень твердыми покрытиями, регатостроения [9, 10].
ОЭИ-415 МоС(25)
•ЭИ-415 МоС(24)
■й-ЭИ-415 о о 2
-♦-ЭИ-415 МоС (23)
-•-ЭИ-415 МоС:Н (26)
0,14
ОДЗ
0,12 У /
о,11 —а----* —
ОД --------1-----1------1------1------!------1------1
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения от нагрузки для пары трения Мо-С / сталь
При трении кубиков с Мо-С покрытиями по роликам, покрытым Мо-К, также наблюда-
ются довольно низкие антифрикционные параметры.
Ролики с очень твердыми покрытиями типа Т>А1-К обнаруживают более высокие коэффициенты трения; есть случаи задира покрытия Мо-С.
В табл. 4 приведены результаты оценки следов приработки в испытанных парах трения после трибологических испытаний.
Отмечено, что при использовании уже приработанных роликов коэффициенты трения получаются самыми минимальными; случаи задира покрытия Мо-С при этом отсутствуют.
Т аблица 3 Коэффициенты трения образцов в процессе трибологических испытаний
Ролик Кубик Приложенная нагрузка, кН
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
МоК t - 1,5 мкм, 2200 HV Мо-С (23) 0,14 0,13 0,127 0,13 0,124 0,12 0,12
Мо-С (24) 0,15 0,16 0,16 0,157 0,152 0,127 0,107
Мо-С (24) 0С 0,13 0,11 0,133 0,122 0,108 0,105 0,101
Мо-С (25) 0,14 0,15 0,153 0,148 0,146 0,145 0,134
Мо-С:Н (26) 0,16 0,145 0,143 0,147 0,15 0,148 0,147
п (ТьАШ) t - 1,5 мкм, 3500 HV Мо-С (23) задир
Мо-С (24) 0,18 0,17 0,193 0,175 0,16 0,15
Мо-С (25) задир
Мо-С:Н (26) 0,09 0,09 0,097 0,105 0,102
То же приработан отдельно Мо-С (25) 0,16 0,18 0,167 0,157 0,152 0,157 0,153
То же приработан отдельно Мо-С (23) 0,12 0,12 0,12 0,125 0,126 0,125 0,12
20Х3МВФ, цементация, >88ЖШ5 Мо-С (23) 0,14 0,14 0,143 0,135 0,128 0,123 0,12
Мо-С (24) 0,14 0,14 0,137 0,137
Мо-С (25) 0,11 0,125 0,127 0,122 0,132 0,127 0,12
Мо-С:Н (26) 0,14 0,11 0,123 0,123 0,132
20Х3МВФ, приработан отдельно МоС (24) 0,14 0,14 0,133 0,13 0,126 0,123 0,123
Т аблица 4 Оценка следов приработки на образцах после трибологических испытаний
Кубик Мо-С (№ 23) t ~ 15 мкм, 2500 HV; после притирки алмазной пастой h ~ 10 мкм
№ Ролик (покрытие) Результаты испытаний
1 20Х3МВФ, цементация, >88ЖШ5 Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 0,4 мкм; ширина - 0,6 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
Окончание табл. 4
Кубик Мо-С (№ 23) t ~ 15 мкм, 2500 HV; после притирки алмазной пастой h ~ 10 мкм
№ Ролик (покрытие) Результаты испытаний
2 MoN t = 1,5 мкм, 2200 HV Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 0,5 мкм; ширина - 0,8 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
3 п (Ті-АШ) t = 1,5 мкм, 3500HV На кубике 2 очага схватывания, расположенные вблизи ребер кубика, основной след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 3,4 мкм; ширина - 1 мм. Ролик имеет две кольцевых борозды, ответных очагам схватывания на кубике.
3а п (Ті-АШ) приработан отдельно, t = 1,5 мкм, 3500 HV Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 1,2 мкм; ширина - 0,8 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
Кубик Мо-С (№ 24) t ~ 10 мкм, 1800 HV; после притирки алмазной пастой h ~ 5 мкм
4 20Х3МВФ, цементация, >88ЖШ5 Кубик имеет мощную выработку шириной ~ 7 мм. Ролик имеет кольцевые следы переноса материала кубика.
5 MoN t =1,5 мкм, 2200HV Кубик имеет след приработки. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
5а Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 18 мкм; ширина - 1,8 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
6 п (Ті-АШ) t = 1,5 мкм, 3500 HV Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): -глубина - ~ 19 мкм; ширина - 1,9 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
6а 20Х3МВФ, цементация, >88ЖШ5, приработан отдельно Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - 0,4 мкм; ширина - 0,5 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
Кубик Мо-С (№ 25) t ~ 10 мкм, 2000-2500HV; после притирки алмазной пастой h ~ 5 мкм
7 20Х3МВФ, цементация, >88НЯШ5 Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 0,3 мкм; ширина - ~ 0,5 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
8 МоК t = 1,5 мкм, 2200 HV Визуально покрытие на кубике внутри следа изношено до основы. Кубик имеет след приработки с параметрами (определено по профилограмме): глубина - ~ 4,4 мкм; ширина - 1 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
9 п (Ті-АШ) t = 1,5 мкм, 3500 HV На кубике 2 очага схватывания, расположенные вблизи ребер кубика, на этой же грани кубика образовались трещины на покрытии. Ролик имеет две кольцевых борозды, ответных очагам схватывания на кубике.
9а п (Ті-АШ), приработан отдельно На данной грани кубика, вдоль следа приработки с обеих сторон, имеется слущи-вание покрытия, параметры следа приработки (определено по профилограмме): глубина - 19 мкм; ширина - 2 мм. Ролик имеет нормальный след приработки, визуально признаков износа не имеется.
Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от нагрузки для пары трения Мо-С / Мо-К
Проведенные трибологические испытания Мо-С покрытий свидетельствуют о перспективности разработанных покрытий при выборе оптимальных конструкций покрытий для пар трения («сталь - покрытие» и «покрытие
- покрытие») с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения в прецизионных узлах авиационного агрегато-строения.
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от нагрузки для пары трения Мо-С/Т>А1-К
Выводы
1. Разработан процесс нанесения многослойных покрытий Мо-С покрытий методом газофазного осаждения с использованием металлорганических соединений. Получены многослойные композиционные покрытия на основе системы Мо-С. Проведена оптимизация процессов нанесения качественных проч-носцепленных покрытий на опытных образцах. Измерены характеристики покрытий (микротвердость, фазовый состав, шероховатость, твердость основы).
2. Металлографические исследования подтверждают возможность низкотемпературного нанесения качественных высокотвердых покрытий Мо-С в разработанном CVD процессе, при этом обеспечивается хорошая адгезия к материалам подложки (сталь Х12Ф1) без снижения прочностных характеристик стали и без ухудшения класса чистоты исходной поверхности.
3. Получены многослойные и нанослойные покрытия на образцах для трибологических испытаний и проведены трибологические испытания образцов с покрытиями.
4. Показана возможность послеоперационной обработки покрытий промышленными методами без потери функциональных качеств покрытий.
5. Проведенные трибологические испытания обнаруживают высокие трибологические характеристики Мо-С покрытий и свидетельствуют о перспективности разработанных покрытий при выборе оптимальных конструкций покрытий для пар трения («сталь -покрытие» и «покрытие - покрытие») с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения в прецизионных узлах авиационного агрегатостроения.
Литература
1. Иванов В.Е. Кристаллизация тугоплавких
металлов из газовой фазы / В.Е. Иванов, Е.П. Нечипоренко, В.М. Криворучко, В.В. Сагалович. - М.: Атомиздат, 1974.
2. Белозерский Н.А. Карбонилы металлов. -
М.: Металлургиздат, 1958.
3. Wen-Cheng J. Wei and Ming-Hung Lo. Proc-
essing and Properties of (Mo,Cr) Oxycar-bides from MOCVD / J. Wen-Cheng // Appl. Organometallic Chemistry. - 1998. -Vol. 12. - P. 201-220.
4. Скудин В.В. Получение мембран методом
химического осаждения из газовой фазы в реакторе с «холодными» стенками /
В.В. Скудин, С.Г. Стрельцов // Крит. технологии. Мембраны. - 2007. - № 2 (34). - С. 22-33.
5. Douard A. Reactivity of Cr(CO)6 in
atmospheric pressure CVD processes for the growth of various metallurgical coating / A. Douard, F. Maury ea. // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2007. - W. 15. - P. 24-32.
6. Любченко А.П. Исследование износа ва-
куумно-плазменных покрытий из ТіК при трении на металлических материалах / А.П. Любченко, А.К. Олейник, В.М. Мацевитый и др. // Трение и износ.
- 1981. - № 6. - С. 29-31.
7. Дудник С.Ф. Исследование характеристик
трения и износа ионно-плазменных покрытий, полученных на алюминиевом сплаве / С.Ф. Дудник, А.В. Сагалович,
B.В. Сагалович и др. // Физическая инженерия поверхности. - 2004. - Т. 2. -
C.110-114.
8. Сагалович О.В. Установка Ауіпії для нане-
сення багатошарових функціональних покриттів // О.В. Сагалович, О.В. Ко-нонихін, В.В. Попов та ін. // Физическая инженерия поверхности. - 2010. - Т.8. -Р. 336-347.
9. Сагалович А.В. Исследования трибологи-
ческих характеристик многокомпонентных многослойных покрытий типа Avinit / А.В. Сагалович, В.В. Сагалович, А.В. Кононыхин и др. // Вестник ХНАДУ: сб. научн. тр. - 2011. - Вып. 53.
- С. 143-154.
10. Sagalovych A. The Tribological Inves-
tigation of Multicomponent Multilayered Ion-plasma Coatings Avinit / A. Sagalovych, V. Sagalovych, A. Kononyhin ea]. // Proc. 12-th Intern. Conf. on Tribology SERBIATRIB ’11. - Kragujevac. - Serbia. 11-13 May 2011.
Рецензент: Л.П. Тимофеева, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 26 августа 2011 г.
