CC BY
29
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.793.79
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАНЕСЕНИЯ ТОНКОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ МЕДИ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО
РАСПЫЛЕНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ОБРАЗЦОВ
ИЗ СТАЛИ 18Х2Н4ВА
С.Б. Скобелев, Г.Г. Бурый, И.К. Потеряев
Исследовано влияние параметров нанесенного с помощью магнетронного распыления тонкослойного покрытия на основе меди на износостойкость образцов из материала сталь 18Х2Н4ВА при работе в паре трения «сталь 18Х2Н4ВА - чугун СЧ 15». Определены рациональные значения толщины нанесенного медного покрытия, при которых достигается наименьший момент трения в период приработки и минимальное время приработки. С помощью растрового электронного микроскопа Мо1 ЗСМ-5700 проведено исследование дорожки трения образцов и контртел. Установлено, что в процессе трения осуществляется избирательный перенос покрытия из меди на поверхность контртела, что значительно снижает износ контртела.
Ключевые слова: магнетронное распыление, антифрикционные пленки, износостойкость, момент трения, массовый износ, дорожка трения, избирательный перенос.
Нанесение покрытий с помощью метода магнетронного распыления все чаще применяется для повышения износостойкости деталей пар трения. Данный метод имеет ряд преимуществ, таких как создание плотной микро (нано) кристаллической структуры металлических покрытий, возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких температурах, наиболее широкий спектр покрытий различного назначения, высокая скорость осаждения, высокие антифрикционные свойства металлических покрытий. И, несмотря на ряд недостатков, таких как относительная сложность технической реализации метода и довольно высокая стоимость оборудования, технологии на основе метода магне-тронного распыления все чаще находят применение при изготовлении деталей пар трения.
Одним из наиболее часто применяемых покрытий, наносимых с помощью магнетронного распыления, являются покрытия на основе меди. Это объясняется тем, что медные покрытия имеют ряд положительных
156
свойств, таких как: низкий коэффициент трения и высокая теплопроводность, необходимая для эффективного отвода тепла из зоны трения [1]; высокий коэффициент распыления, благодаря чему растет скорость осаждения покрытий, и уменьшаются затраты при их нанесении [2]; высокие антикоррозионные свойства медных покрытий (особенно покрытий, получаемых в стационарном магнетронном разряде с сопутствующим ионным ассистированием начального этапа и затем в магнетронном разряде с расплавленным катодом) [3]; высокая адгезия и плотность покрытия, особенно при нанесении на полимерные подложки [4].
Согласно [5] медная пленка и смазка способствуют улучшению условий приработки и снижению коэффициента трения и износа поверхностей скольжения деталей машин.
В некоторых случаях для повышения антифрикционных свойств медного покрытия вводится слоистая твердая смазка, например, графит. Однако применение таких покрытий во влажной среде, при повышенных температурах или в условиях окисления не приведет к улучшению трибо-технических характеристик [6]. Также одним из способов повышения антифрикционных свойств является применение покрытия в системе Си-В. В результате чего в 6 - 20 раз повышается твердость покрытия, повышается износостойкость покрытия в 2 - 7,5 раз, снижается коэффициент трения
[7].
Находит применение нанесение способом магнетронного распыления тонких пленок системы А1 - Си, имеющих твердость и величину модуля упругости выше, чем пленок на основе А1 и Си, что связано с уменьшением размера зерен фаз А1 и Си с образованием нанодисперсных интерме-таллидов, особенностями их примесного элементного состава, а также нанокристаллической субструктурой. [8]
Таким образом, получение тонкослойных покрытий на основе меди методом магнетронного распыления с целью повышения износостойкости деталей пар трения является актуальной задачей в области нанотехноло-гий, благодаря высокой практической значимости этого метода и материалов в технологиях производства тонкопленочных покрытий с высокими физическими, химическими и эксплуатационными характеристиками [9].
Целью данной работы является исследование влияния параметров тонкослойного покрытия из меди, нанесенного на цилиндрическую поверхность образца из стали 18Х2Н4ВА методом магнетронного распыления на износостойкость в период приработки в паре трения «сталь 18Х2Н4ВА - чугун СЧ 15» в условиях сухого трения.
Для проведения экспериментальных исследований были подготовлены пять образцов из стали 18Х2Н4ВА - цилиндрических роликов наружным диаметром 40 мм и шириной 12 мм. Три образца использовались для нанесения покрытия методом магнетронного распыления, один образец проходил закалку в масло и отпуск, и один образец был после механической обработки без термообработки и без нанесения покрытия. Рабочая поверхность образцов шлифовалась до значения шероховатости Яа 0,63. Для достоверности результатов экспериментальных исследований все образцы были получены из одной плавки металла.
157
Выбор в качестве материала для образцов стали 18Х2Н4ВА объясняется тем, что такая марка стали применяется для ответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, вязкости и износостойкости, а также для деталей, подвергающихся высоким вибрационным и динамическим нагрузкам.
Нанесение покрытия на основе меди на образцы производилось на установке магнетронного напыления ЛОУЛУЛС У8М-200 в высокочастотном режиме при мощности источника 100 Вт, давлении аргона от 0,32 до 0,34 Па и предварительной ионной очистке камеры в течение 10 минут [10]. Перед помещением в вакуумную камеру образцы подвергались обезжириванию органическими растворителями, промывке этиловым спиртом и сушке.
Параметры нанесения покрытий представлены в таблице. На три образца было нанесено покрытие из меди разной толщины в течение 30, 60 и 90 минут при давлении 100 Вт и температуре 100 °С.
Параметры нанесения покрытий
Шифр образца Время нанесения покрытия, мин Мощность, Вт Давление, мкБар Температура, °С
627-3976-3 30
627-3976-2 60 100 3 100
627-3976-1 90
После нанесения покрытий производились испытания на износостойкость на машине трения ИИ - 5018. Испытания проводились по схеме «вращающийся диск - вращающийся диск». В качестве контртела для испытания на износостойкость были изготовлены образцы - ролики из материала СЧ 15 наружным диаметром 40 мм и шириной 12 мм, с шероховатостью наружной цилиндрической поверхности Ra =0,63 мкм.
Испытания на износостойкость проводили при комнатной температуре в условиях сухого трения при следующих режимах: нагрузка - 100 Н, частота вращения - 100 об/мин. Образцы испытывались в течении 30 мин, каждую минуту снимались показания момента трения.
С помощью аналитических весов БЬ-200 измерялась масса образцов до испытания на износостойкость и после испытания. На основании этих данных был рассчитан массовый износ по следующей формуле:
*(1)
« Ш Aa ■ Ll V '
где AQ - изменение массы образца до и после испытания, г.; AN - число оборотов образца за время испытаний; Аа - площадь поверхности контакта, м2; L1-длина окружности образца, м.
Поверхность образцов после испытания на износостойкость исследовалась с помощью растрового электронного микроскопа 1ео1 1СМ-5700.
На рис. 1 представлены зависимости изменения момента трения от времени испытания образцов в период приработки при указанных выше условиях испытаний.
4 3,5 3
2
= 2,5
5 2
М 0,5 2
I °
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
ВРЕМЯ, МИН
-627-3796-6 (после мех. оораоотки) — 627-3975 (с термообработкой)
627-3976-1 »=90 мин) -627-3976-2 »=60 мин)
-627-3976-3 »=30 мин)
Рис. 1. Зависимость момента трения от времени испытания образцов
Как видно из представленных зависимостей, образцы с нанесенным покрытием имеют более стабильные показатели момента трения во время периода приработки и низкие значения момента трения после 30 минут испытаний, чем образцы после механической обработки и без покрытия. Самые стабильные показатели момента трения (от 1,85 Н-м до 1,5 Н-м после 30 минут испытаний) наблюдались у образца 627-3976-2 (время нанесения покрытия - 60 мин) и у образца 627-3976-3 (от 1,75 Н- м до 1,4 Н-м после 30 минут испытаний, время нанесения покрытия - 30 мин).
У образца после термической обработки и механической обработки момент трения был гораздо менее стабилен и изменялся от 1,4 Н- м до 3,5 Н-м после 30 минут испытаний. У образца после механической обработки наблюдалось изменение момента трения от 1 Н- м до 3,3 Н-м после 30 минут испытаний.
После 8 минут испытаний у образцов без нанесенного покрытия наблюдалось резкое возрастание момента трения, в то время как у образцов с покрытием разной толщины показания момента трения изменялись незначительно.
По результатам эксперимента был рассчитан массовый износ по формуле (1). Результаты расчетов для образцов и контртел представлены на рис. 2. и 3.
Из образцов с покрытием из меди наименьшее значение массового износа - 0,055 г/м3 наблюдалось у образца с временем нанесения покрытия 30 минут. Наибольшие значения - 0,088 г/м3 наблюдались у образцов с покрытием из меди, нанесенным за 60 и 90 минут. Наибольшее значение массового износа наблюдалось у образца после механической обработки и без покрытия - 0,104 г/м3.
По результатам расчетов массового износа контртел установлено, что наибольшее значение (0,019 г/м3) наблюдалось у образца, находящегося в паре трения с образцом после механической обработки и без нанесенного покрытия. Наименьшее значение (0,004 г/м3) наблюдалось у образца, находящегося в паре трения с образцом 627-3976-1 (время нанесения покрытия 90 мин), и у образца 627-3975 после термообработки и механической обработки.
0,06
0,088 0.088
0.076
0,055
■
627-3796-5 (после 627-3975 (с 627-3976-1 (1=90 627-3976-2 (1=60 627-3976-3 (1=30
механической термообработкой) мин) мин) мин) обработки)
Номер образца
Рис. 2. Массовый износ образцов
Рис. 3. Массовый износ контртел
Поверхность образцов после испытания на износостойкость была исследована с помощью растрового электронного микроскопа 1ео1 1СМ-5700. На рис. 4 представлена поверхность (а) и анализ состава участка поверхности (б) образца с покрытием из меди (время нанесения покрытия 60 минут) после испытания на износостойкость.
а б
Рис. 4. Поверхность образцов из стали 18Х2Н4ВА (время нанесения покрытия 30 минут) после испытания на износостойкость (а) и анализ состава участка поверхности (б)
На рис. 5 показана спектрограмма образца после испытания на износостойкость. Анализируя полученные изображения поверхности трения и спектрограмму, можно сказать, что после испытания на износостойкость
160
наблюдается резкое уменьшение содержания меди и увеличение содержания железа в покрытии, а также нарушается целостность нанесенного покрытия.
!0000 -9000-ЕООО-7000 -
В 6000 -§
13 5000 -4000 -3000 -2000 -1000 -О -
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 <5.<Ю 7.00 8.00 9.00 10.00
кеУ
Рис. 5. Спектрограмма образца с покрытием из меди (время нанесения 60 минут) после испытания на износостойкость
На рис. 6, а представлена поверхность контртела из материала СЧ 15, а также анализ состава дорожки трения (рис. 6, б). Данный рисунок, а также спектрограмма (рис. 7) показывают, что на поверхность контртела произошел перенос частей медной пленки.
—э о —
■« -Ьь- к: _
■й 1 и и >
А 2 я .а - 5 —а £
1 и Н1 1и1 •л - И
__ ,. . «
Х500 ' 50цт .03 БО БЕ!
а
б
Рис. 6. Поверхность образцов из чугуна СЧ 15 после испытания на износостойкость (а) и анализ состава участка поверхности (б)
ззоо-3000270024002100 ■ 1800 1500 1200 -900 -МО-3000-
£ X,
1
г.
£ И
а > 3 £
1 1?
-]Л I
1 1 1
0.00 1.130 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.09 9.00 10.00
Рис. 7. Спектрограмма поверхности контртела из чугуна СЧ 15 после испытания на износостойкость
161
Анализ дорожки трения контртела показывает, что на его поверхности, находившейся в паре трения с образцом, на поверхность которого с помощью метода магнетронного распыления было нанесено покрытие из меди, наблюдается перенос медной пленки, что значительно снижает износ контртела (рис. 3), т.е. присутствует явление избирательного переноса. В то время, как у контртела, находившегося в паре трения с образцом после механической обработки и без нанесения тонкой антифрикционной пленки, наблюдается отслоение и выкрашивание поверхности.
Выводы. С помощью метода магнетронного напыления в условиях ионной бомбардировки мишени из меди на образцах из легированной стали 18Х2Н4ВА получены защитные покрытия, обладающие повышенной стойкостью к износу при испытаниях пар трения «сталь 18Х2Н4ВА - чугун СЧ 15».
Рациональными режимами нанесения покрытия методом магне-тронного распыления, при которых обеспечивается наилучшая износостойкость образцов из материала сталь 18Х2Н4ВА в паре трения с образцом из СЧ 15 по схеме «вращающийся диск - вращающийся диск» являются: давление 100 Вт, температуре 100 °С, время нанесения покрытия 60 мин.
С помощью растрового электронного микроскопа Jeol JCM-5700 проведено исследование дорожки трения образцов и контртел. Установлено, что в процессе трения осуществляется избирательный перенос покрытия из меди на поверхность контртела, что значительно снижает износ контртела.
Список литературы
1. Ghorbani M., Mazaheri M., Afshar A. Wear and friction characteristics of electrodeposited graphite-bronze composite coatings // Surface & Coatings Technology. 2005. V. 190. P. 32-38.
2. Ghorbani M., Mazaheri M., Khangholi K., Kharazi Y. Electrodeposi-tion of graphite_brass composite coatings and characterization of the tribologi-cal properties // Surface & Coatings Technology. 2001. V. 148. P. 71-76.
2. Musil J., Louda M., Soukup Z., Kubбsek M. Relationship between mechanical properties and coefficient of friction of sputtered a_C/Cu composite thin films // Diamond & Related Materials. 2008. V. 17. P. 1905-1911.
3. Зибров М.С., Ходаченко Г.В., Тумаркин А.В. и др. Создание защитных металлических покрытий на алюминии методом магнетронного распыления // Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2013. №12. С. 45 - 51.
4. Богатов В.А., Захаров С.С., Кисляков П.П. и др. Влияние режимов магнетронного напыления на оптико-физические свойства медных нанопокрытий // Наноматериалы и нанотехнологии. 2011. №4. С. 45 -51.
5. Погонышев В.А., Панов М.В. Повышение износостойкости шеек коленчатого вала // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2011. №1. С. 83 - 85.
162
6. Kubart T., Polcar T., Kopecky L., Novak R., Novakova D. Temperature dependence of tribological properties of MoS2 and MoSe2 coatings // Surface & Coatings Technology. 2005. V. 193. P. 230-233.
7. Кирюханцев Ф.В., Труханов П.А., Бондарев А.В. и др. Структура и свойства антифрикционных покрытий в системе Cu-B // Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. № .7. С. 763-770.
8. Кущев С.Б., Максименко А. А., Босых М.А. и др. Твердость пленок системы Al - Cu // Конденсированные среды и межфазные границы, 2012. Т. 14. № 1. С. 53-59.
9. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum. 2000. Vol. 56(3). P. 159-172.
10. Полонянкин Д. А., Блесман А.И., Постников Д.В. Влияние микроструктуры и шероховатости на электропроводность тонких пленок из меди и серебра, полученных методом магнетронного распыления // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5. №2. С. 204 - 208.
Скобелев Станислав Борисович, канд. техн. наук, доцент, skohelewaramhler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Бурый Григорий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, huryy1989@hk.ru, Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ),
Потеряев Илья Константинович, канд. техн. наук, доцент, poteryaev_ik@,mail.ru, Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE INFLUENCE OF CU-BASED THIN-LAYER COATING PARAMETERS BY THE METHOD OF MAGNETRON SPUTTERING
ON THE WEAR-RESISTANCE OF SAMPLES FROM 18CR2NI4WA STEEL
S.B. Skohelev, G.G. Buryy, I.K. Poteryaev
The paper studies the effect of parameters of a thin-layer copper-hased coating applied hy magnetron sputtering on the wear resistance of samples made of steel 18Cr2Ni4WA when working in a friction pair "18Cr2Ni4WA - cast iron GG 15". The rational values for the thickness of the applied copper coating are determined, at which the lowest friction torque during the hurn-in period and the minimum hurn-in time are achieved. Jeol JCM-5700 Scanning Electron Microscope is used to study the friction track of samples and counter hodies. It is found that in the process of friction, the coating is selectively transferredfrom copper to the surface of the counter hody, which significantly reduces the wear of the counter hody.
Key words: magnetron sputtering, wear resistance, thin-layer copper-hased coating, friction torque, friction pair, phenomenon of selective transfer.
Skohelew Stanislav Borisovich, candidate of technical sciences, docent, skohelewa ramhler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Buryy Gregory Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, huryy1989@hk. ru, Russia, Omsk, Siherian State Automohile and Highway University,
Poteryaev Ilya Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, poteryaev ikamail. ru, Russia, Omsk, Siherian State Automohile and Highway University
