CC BY
45
МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.793.18
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ НА КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
Доктора техн. наук ИВАЩЕНКО С. А., ИВАНОВ И. А., аспиранты СУЛТАН С. А., КАРМАЖИ Х. Т.
Белорусский национальный технический университет
Для покрытий, осаждаемых в вакууме, характерно образование столбчатой структуры при относительно низкой температуре поверхности конденсации [1]. В соответствии с зонной теорией Мовчана - Демчишина - Торнтона управление структурой покрытий (следовательно, их свойствами) возможно только за счет варьирования температуры поверхности основы и давления газа. Однако, как показали результаты исследований, конденсация вакуумных покрытий в условиях ионной бомбардировки вносит некоторые изменения в процесс формирования их структуры [2]. Наблюдаемые структурные изменения должны вести, в свою очередь, к изменению физикомеханических свойств покрытий (например, к изменению величины коэффициента трения). Однако вопрос о влиянии структуры вакуумноплазменных покрытий на их свойства изучен слабо.
Цель работы - изучение особенностей формирования структуры вакуумных электродуго-вых покрытий типа металл - кремний - азот (где металл - титан или цирконий) и установление связи между величиной коэффициента трения и структурой осаждаемых покрытий.
Для получения покрытий типа металл -кремний - азот использовали установки вакуумного нанесения покрытий УВНИПА-1-001 моделей 3.279.079 и 3.279.048. В качестве материала расходуемых катодов выбраны сплавы металл - кремний (где металл - титан или цирконий). Шероховатость поверхности формируемых покрытий (параметр Ла) измеряли на
профилометре модели 296. Структуру покрытий исследовали на их поперечных шлифах и изломах. Коэффициент трения измеряли по схеме «палец - диск» в условиях трения без смазочного материала. В качестве контртела использовали незакаленную конструкционную сталь 45 твердостью НВ 188 и сталь 40Х твердостью HRC 50, а в качестве индентора, на который наносили покрытие, - термообработанную инструментальную сталь Р6М5.
Как известно, вакуумные электродуговые покрытия формируются в условиях совместного осаждения ионного потока и капель. Наличие капель в потоке является одной из причин возникновения дефектов в покрытии и способствует росту шероховатости обрабатываемой поверхности [3]. Исследования показывают, что покрытия, получаемые осаждением металл-кремниевой плазмы, ухудшают качество поверхности упрочняемых деталей. Так, при исходной шероховатости поверхности основы Ra = 0,212 мкм шероховатость поверхности покрытия составляет 0,8 мкм [1]. Такая же закономерность наблюдается при осаждении покрытий в среде технологического газа. Рост давления как азота, так и аргона способствует ухудшению качества поверхности формируемых покрытий (рис. 1).
При низких значениях отрицательного ускоряющего потенциала (иосн = 0-100 В) и давления азота осаждаемые покрытия являются многофазными и не имеют каких-либо структурных особенностей. Соединения с участием атомов азота в покрытиях отсутствуют [1].
Ка, мкм 1,32
1,30
1,28
1,26
1,24
1,22
1,20
1,18
2
г" і і і і і
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Давление газа • 10-4, Па
Рис. 1. Влияние давления технологического газа на шероховатость поверхности осаждаемых покрытий: 1 - в арго-
С ростом давления азота покрытия приобретают характерную столбчатую структуру (рис. 2а). При этом какие-либо существенные изменения в фазовом составе покрытий не наблюдаются.
Несмотря на отсутствие на рентгенограммах покрытий металл - кремний - азот осаждаемых при низких значениях ускоряющего потенциала линий, соответствующих нитридам металла или кремния, увеличение давления технологического газа ведет к росту его содержания в покрытии [4].
Как показывают результаты исследований, проведенных на покрытиях ТК [5], в этом случае адсорбированный, но не участвующий в образовании химических соединений азот будет концентрироваться по границам растущих кристаллов. Концентрация азота на фронте кристаллизации изменяет силы поверхностного натяжения и, следовательно, термодинамические условия взаимодействия плазменного потока с поверхностью растущего покрытия [6]. Следствием этого изменения является образование в покрытии прослоек, обогащенных азотом. Для покрытий титан - кремний - азот формирование таких структур наблюдается при иосн = -(150-250) В (рис. 2б).
Измерение коэффициента трения скольжения покрытий ц показало следующее: при трении имеет место окислительное изнашивание, о чем свидетельствует наличие черной полосы окислов на поверхности трения или по ее краям. Кроме этого, изнашивание сопровождается значительными колебаниями коэффициента трения (рис. 3).
При взаимодействии индентора из инструментальной стали без покрытия с вязким материалом (сталь 45) поверхность трения представляет собой широкую полосу, содержащую продукты износа темного цвета. Процесс трения характеризуется высокой скоростью изнашивания и сопровождается схватыванием индентора и диска.
б
Рис. 2. Структура покрытий ТіБі№ а - иосн = 0-100 В; б------(150-250) В
не, иосн = -150 В; 2 - в азоте, иосн = -50 В
а
Трение индентора по закаленной стали 40Х не сопровождается схватыванием. Поверхность трения узкая, черного цвета. Величина ц плавно растет с течением времени. Среднее значение коэффициента трения за время измерения составляет 0,35 для стали 45 и 0,25 - для стали 40Х.
Нанесение покрытия Т1К не изменяет интенсивность изнашивания. Коэффициент трения растет с течением времени более значительно (рис. 3 а). Поверхность трения имеет самую большую ширину. Цвет поверхности коричневый, по краям - черный. Через 600 с испытания ц = 0,65 при трении по стали 45 и ц = 0,5 - при трении по стали 40Х.
1,0
Ц
0,8
0,6
0,4
0,2
100
200
300
400
500 і, с 600
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения инструментальной стали по стали 45 и 40Х от времени испытания: а - покрытие КЫ; б - покрытие ZrSiN (иосн = -150 В)
Покрытия TiSiN и 2г8і^ осаждаемые при иосн = -70 В и имеющие конусообразную зернистую структуру, не обеспечивают постоянную величину коэффициента трения в течение времени испытания. Коэффициент трения данных покрытий выше, чем при трении индентора без покрытия. Поверхность трения с покрытием ZrSiN (иосн = -70 В) по стали 45 узкая черного цвета, через 300 с от начала измерения происходит схватывание с материалом диска. При трении по закаленной стали 40Х поверхность
имеет коричневый цвет, схватывание происходит через 420 с.
Покрытия 2гё1К, имеющие послойную структуру, дают наилучшие показатели по измеряемой величине (рис. 3б). Величина коэффициента трения индентора с покрытием (иосн = -150 В) не меняется в течение времени проведения испытаний и равна 0,22 при трении по незакаленной стали 45 и 0,2 - по закаленной стали 40Х. Поверхность трения узкая и имеет черный цвет. При взаимодействии индентора с покрытием Т181К (иосн = -150 В) с незакаленной сталью 45 коэффициент трения увеличивается. Через 30 с после начала испытаний наблюдается схватывание индентора с материалом вращающегося диска. Поверхность трения узкая, серого цвета. При трении покрытия Т1-81К (иосн = -150 В) по закаленной стали 40Х коэффициент трения не изменяется (ц = 0,25). Поверхность трения серого цвета самая узкая по ширине.
В Ы В О Д Ы
1. При относительно низких значениях ускоряющего потенциала (иосн = 0-100 В) формирование покрытий металл - кремний - азот происходит в условиях отсутствия химических реакций образования нитридов. Азот накапливается по границам растущих зерен покрытия. Увеличение иосн до -(150-250) В ведет к росту концентрации азота на фронте кристаллизации, что изменяет термодинамические условия роста зерен покрытия и способствует выделению обогащенного азотом слоя в виде прослоек. Повышение давления технологического газа (азота или аргона) способствует увеличению шероховатости поверхности осаждаемых покрытий.
2. Наибольший эффект от покрытий получен при использовании закаленного контртела из стали 40Х. При применении в качестве контртела (диска) более вязкого материала (из незакаленной стали 45) наблюдается рост коэффициента трения. Наименьшей и наиболее стабильной величиной коэффициент трения (0,22 - при трении по незакаленной стали 45 и 0,2 - по закаленной стали 40Х) обладает инструментальное покрытие 2гё1К, осаждаемое при иосн = -150 В и имеющее послойную структуру.
а
б
ДЫМ 1501В по 40ІХ ДгЫМ 150В по ст45
0
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Плазменно-вакуумные покрытия / под общ. ред. Ж. А. Мрочека. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - 369 с.
2. Microstructural evolution during film growth / I. Ре^ rov [et al.] // Vac. Sci. Technol. A. - 2003. - A 21 (5). -
S. 117-126.
3. Султан, С. А. И. Технологические основы нанесения защитных покрытий в вакууме / С. А. И. Султан, И. А. Иванов // Проблемы инженерно-педагогического образования в Республике Беларусь. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - С. 302-304.
4. Мрочек, Ж. А. Основы технологии формирования многокомпонентных покрытий в вакууме / Ж. А. Мрочек,
Б. А. Эйзнер, Г. В. Марков. - Минск: Навука i тэхшка, 1991. - 96 с.
5. Poitevin, J. M. Influence of substrate bias on the composition, structure and electrical properties of reactively D.C.-sputtered TiN films / J. M. Poitevin, G. Lemperiere, J. Tardy // Thin Solid Films. - 1982. - Vol. 97. - P. 69-77.
6. Кармажи, Х Т. Е. Формирование структуры вакуумных электродуговых покрытий / Х. Т. Е. Кармажи, И. А. Иванов // Машиностроение и техносфера XXI века. - Донецк: ДонНТУ. - 2004. - С. 50-54.
Поступила 24.04.2006
УДК 621.867.2
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ
Лауреат Государственной премии Республики Беларусь, докт. техн. наук, проф. ПРУШАК В. Я., канд. техн. наук МИРАНОВИЧ О. Л.
ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством», Международный гуманитарно-экономический институт
Ленточные конвейерные машины в настоящее время - наиболее эффективный и высокопроизводительный вид конвейерного транспорта для комплексной механизации и автоматизации добычи руд, угля и нерудных ископаемых. Создание и внедрение названных машин позволяет использовать поточную и циклично -поточную технологии, обеспечивающие возможность повышения пропускной способности, производительности труда, комплексной механизации и полной автоматизации транспортных процессов, снижения себестоимости получаемой продукции, а также обеспечивающие улучшение условий и повышение безопасности труда в соответствии с техническими и экономическими параметрами горных машин. Эффективность использования ленточных конвейеров зависит от показателей надежности последних, т. е. от совершенствования барабана, ленты, роликовых опор, роликов и т. д.
Конструкции элементов ленточных конвейеров (роликовые опоры, ролики и лента) определяются условиями работы конвейерной машины и зависят от физических свойств и гранулометрического состава транспортируемого груза. При перемещении тяжелых сыпучих грузов, состоящих из крупных кусковых частиц, применяются ленты со значительным количеством прокладок и большей толщиной рабочей обкладки, используются ролики с большим наружным диаметром и диаметром оси и т. д. Однако проблему обеспечения долговечности этих элементов нельзя считать полностью решенной, так как на практике они часто преждевременно выходят из строя. Известны случаи, когда срок службы роликов конвейеров, транспортирующих крупнокусковую скальную породу, не превышал 40-50 ч [1]. Низкую долговечность роликов можно объяснить использованием роликовых опор, не приспособленных для этих случаев, а также недостаточным ана-
