CC BY
76
УДК 621.001.4
Модификация рабочих поверхностей деталей нанесением упрочняющего нанопокрытия
А. 0. Горленко, И. Л. Шупиков, П. А. Тополянский, А. П. Тополянский
Введение
Одним из новых методов модификации поверхности, обеспечивающих нанесение износостойких аморфных нанопокрытий системы ЯЮ-С-К, является процесс финишного плазменного упрочнения (ФПУ), основанный на применении плазменной струи, истекающей при атмосферном давлении (рис. 1).
При безвакуумном ФПУ покрытие наносится слоями толщиной 30-3 нм при типичных скоростях перемещения плазменной струи (10-100 м/с). В отличие от конденсированных покрытий в вакууме, осуществляемых при физическом и химическом осаждении покрытий из паровой фазы, рассматриваемое покрытие формируется в локальной зоне
Ёй О
Т
Рис. 1. Вид плазмотрона с реактором (а) и общая схема оборудования ФПУ (б):
1 — плазмотрон; 2 — модуль водяного охлаждения; 3 — реактор; 4 — аргон; 5 — дозатор; 6 — система мониторинга; 7 — источник тока
касания плазменной струи подложки и только в условиях многослойного нанесения покрытия, что является важной особенностью технологии ФПУ. Циклическое взаимное перемещение плазменной струи и упрочняемой поверхности при ФПУ определяет получение слоистой структуры покрытия и позволяет до минимума уменьшить термическое воздействие плазмы на подложку, полностью исключая разупрочняющий отпуск для всех сталей. Как правило, интегральная температура упрочняемых деталей при нанесении покрытия не превышает 150 °С.
Критерии выбора упрочняющего покрытия по параметрам наноиндентирования
Физико-механические свойства поверхностного слоя с металлическими и неметаллическими покрытиями определяются методом наноиндентирования по ISO 14577-4:2007. Для повышения стойкости к упругой деформации разрушения и уменьшения пластической деформации материал поверхностного слоя должен обладать высокой твердостью и низким модулем упругости. Для количественной оценки стойкости материала покрытия к упругой деформации разрушения используется отношение нанотвердости к эффективному модулю упругости Hpiast/E , называемое также индексом пластичности покрытия, а для оценки сопротивления пластической деформации применяется параметр Hpiast3/E [1]. В качестве параметра, характеризующего прочность поверхностного слоя и связанного с упругим восстановлением свойств при наноинденти-ровании, используется параметр We. Эффективный модуль упругости Е = Е/(1 - v2), где E — модуль Юнга; v — коэффициент Пуассона, а величина упругого восстановления We = hm - hr/hm, где hm — наибольшая глубина погружения индентора; hr — глубина проникновения индентора после снятия нагрузки.
Таким образом, выбор оптимального упрочняющего покрытия по параметрам наноин-дентирования может быть произведен на основании определения названных критериев и их сравнении. При этом более износостойким
7
6
5
является покрытие с большими значениями параметров #plast/£*, #plast3/£*2 и We. Кроме того, для минимизации упругих напряжений на границе раздела «покрытие — подложка» и внутренних остаточных напряжений в системе необходимо стремиться получить близкие значения модулей упругости основы и покрытия. Эти принципы можно использовать и при оптимизации технологического процесса и выборе режимов нанесения упрочняющих покрытий.
Физико-механические свойства нанопо-крытия системы Si-O-C-N
Проведенный рентгенофазовый анализ подтвердил, что после ФПУ покрытие формируется в аморфном состоянии [2], когда отсутствует дислокационная активность и покрытие должно обладать высокими значениями сопротивления пластической деформации и упругого восстановления. При изучении микроструктуры покрытия системы Si-O-C-N, проведенном при помощи полевого эмиссионного растрового электронного микроскопа JSM-6700F с приставкой для энерго-дисперсионной спектрометрии JED-2300F (JEOL, Япония), было показано, что размер структурных элементов формируемого покрытия изменяется от 5 до 100 нм в зависимости от режимов его нанесения.
Оптимальный режим формирования покрытия можно выбрать на основе определения физико-механических свойств покрытия по ISO 14577-4:2007. Для этих целей использовался микротвердомер Dinamic Ultra Micro Hardness Tester DUN-211S (Shimadzu, Япония).
Обработка результатов измерений проводилась по методу Оливера и Фарра.
Исследованию подвергались образцы из стали Х12М, прошедшие термическую обработку — закалку и отпуск до твердости HRC 58-60, абразивную обработку и ФПУ. Толщина покрытия на образце № 1 составляла 0,5 мкм, на образце № 2 — 1,5 мкм. Толщина покрытия оценивалась на эталонных образцах с использованием профилограмм поверхности. Данный метод основан на замере расстояния между средними линиями профилограммы переходной зоны «участок с покрытием — участок без покрытия». При этом покрытие наносилось на образец с использованием маски.
На основании анализа параметров физико-механических свойств была произведена оптимизация режимов нанесения покрытия системы Si-O-C-N. На рис. 2 представлены протоколы и кривые непрерывного индентирования, а также результаты обработки для образцов с разной толщиной покрытия при оптимальном режиме его нанесения. Значения характеристик наноиндентирования по ISO 14577-4:2007 приведены в табл. 1. Как видно, при меньшей толщине покрытия (образец № 1) значение твердости выше, что может быть объяснено более высокой плотностью нанесенного покрытия. Значения универсальной микротвердости HU (при нагрузке 1мН) и нанот-вердости, полученной методом наноинден-тирования Hpiast, отличаются почти в 5 раз, что свидетельствует о некорректности измерений микротвердости наноструктурирован-ных покрытий при больших нагрузках. Важно отметить, что покрытие системы Si-O-C-N обладает низким модулем упругости (порядка
а)
0,070
0,065
I 0,060 ,а
i
0,055
£
0,050 0,045
HU 0,001/10,0 = 7478 N/HM2
0,02
We, нДж 0,02
W„ нДж 0,00
E/(1 - V2), ГПа158,69 Hpiast, H/MM2 33797 h„ mkm 0,033
91,46 % 8,54 % ± 11,75 ± 3652 ± 0,002
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Нагрузка, mH
0,9 1,0
6)
0,095 -i 0,090 -0,085 -
щ 0,080 -
a
N
| 0,075 -
$
$0,070£
0,065 -0,060 -0,055 -
0 4
HU 0,001/10,0 = 4418 N/HM2
0 5
Wt We W,
р нДж
нДж нДж
0,02 0,02 0,00
E/(1 - v2), ГПа 92,09 Hpiast H/MM2 21107 h„ mkm 0,042
92,53 % 7,47 % ± 3,39 ± 1144 ± 0,001
0,6 0,7 Нагрузка, мН
0,8 0,9 1,0
Рис. 2. Протоколы измерения микротвердости и наноиндентирования покрытия на основе системы 81-О-С-М после ФПУ: а — образец № 1 с толщиной покрытия 0,5 мкм; б — образец № 2 с толщиной покрытия 1,5 мкм
Таблица 1
Результаты измерения микротвердости и наноиндентирования покрытия на основе системы вЮ-С-К после ФПУ
Характеристика № образца Характеристика № образца
1 2 1 2
Универстальная микротвердость Ни, ГПа 7,5 4,4 Упругое восстановление Же, % 91,46 92,53
Нанотвердость Нр!^, ГПа 34 21 Индекс пластичности Н^^/Е* 0,21 0,23
Эффективный модуль упругости Е*, ГПа 159 92 Сопротивление пластической деформации Нр1а^3/Е*2 1,53 1,09
160 ГПа), которое близко к модулю упругости подложки — стали Х12М (182 ГПа).
На основе данных исследований определен оптимальный режим нанесения нанопокрытия:
• ток — 100 А;
• напряжение — 31,4 В;
• расстояние до образца — 10 мм;
• расход плазмообразующего газа — 2,9 л/мин;
• расход транспортирующего газа — 1,1 л/мин;
• расход защитного газа — 2,0 л/мин.
В процессе нанесения покрытия температура образцов не превышала 120 °С.
Триботехнические испытания нанопокры-тия системы вьО-С-К
Комплексные испытания проводились в условиях трения скольжения при граничной смазке нормализованным методом на установке (рис. 3), созданной на базе машины трения МИ-1М [3, 4]. Исследовались цилиндрические образцы из стали 45, Х12, У8 с нанопокры-тием системы Я1-0-С-К и аналогичные образцы без покрытия. Нормализованный метод используется для проведения комплексных триботехнических испытаний с целью установить закономерности влияния технологий модификации и режимов обработки на показатели триботехнических свойств цилиндрических поверхностей трения.
При испытаниях с установленными нагрузкой и скоростью скольжения к вращающейся цилиндрической поверхности образца,
Рис. 3. Установка для триботехнических испытаний
частично погруженного в смазочный материал, прижимался неподвижный индентор (рис. 4). Для установки образцов и индентора
Датчик нагрузки
Датчик износа
Датчик момента трения
Датчик температуры
Модуль согласования сигналов
>
>
>
>
Персональный компьютер с программным обеспечением
Плата сбора данных
Рис. 4. Модернизированная машина трения МИ-1М: а — нагружающее устройство:
1 — датчик износа; 2 — датчик нагрузки; 3 — инден-тор; 4 — образец;
б — схема системы сбора данных
использовалась схема со сменными держателями, обеспечивающая самоустановку инден-тора относительно испытываемой поверхности образца на промежуточной сферической опоре.
С помощью системы датчиков непрерывно и синхронно регистрировались время испытания, нагрузка, температура, коэффициент трения и линейный износ. Их численные значения выводились на монитор компьютера. Для измерения момента трения и нагрузки использовались тензодатчики, для измерения температуры — термопара. Для непрерывного измерения износа при испытаниях была разработана специальная схема с применением индуктивного датчика, позволяющая исключить влияние на результаты измерений радиального биения и тепловых деформаций образца.
Для обработки сигналов, получаемых с датчиков, в режиме постоянного времени использовалась автоматизированная система научных исследований (АСНИ), которая состоит из испытательного блока, блоков привода и нагру-жения, датчиков, мобильного измерительного комплекса, компьютера и специально разработанного программного обеспечения. Питание датчиков и регистрация поступающих с них сигналов производились системой сбора данных — мобильным измерительным комплексом, включающим в себя систему согласования SC-2345 и плату сбора данных М-серии PCI 6220 (см. рис. 4). Программное обеспечение АСНИ разработано в среде программирования NI LabVIEW 7.
Последовательность испытаний:
• установка частоты вращения — 400 ± ± 4% мин-1.
• плавное сближение испытуемой поверхности образца и индентора, введение их в соприкосновение, обеспечение нагружения требуемым усилием N, включение непрерывного отсчета времени испытания t, синхронная регистрация линейного сближения в результате износа h и коэффициента трения f. Длительность испытания составляла 8 ч;
• отключение системы нагружения образца, вывод индентора из контакта с поверхностью образца, отключение привода установки по окончании испытания;
• ослабление крепления индентора и поворот его вокруг продольной оси на угол 2-3° для обеспечения смещения поверхности с пятном износа, после чего новая фиксация ин-дентора;
• проведение каждого испытания на новых рабочих поверхностях одного образца при смещении перед каждым новым испытанием ин-дентора на величину, большую его ширины;
• последовательное протирание поверхностей образца и индентора бензином и ацетоном перед каждым испытанием, при этом на поверхностях исключались остатки обтирочного материала, в качестве которого применялся батист. Емкость для смазочного материала промывали бензином и высушивали на воздухе при нормальной температуре, затем устанавливали и заполняли новым маслом. Повторное использование масла не допускалось;
• проведение двух испытаний для одной исследуемой поверхности, по результатам которых составлялся протокол испытаний.
По завершении испытаний обработку результатов проводили в последовательности:
• по результатам анализа графиков изменения регистрируемых параметров (рис. 5) определяли следующие показатели триботех-нических свойств:
■ время приработки ¿о, ч, определяемое как время от начала испытания до момента времени выхода кривой изнашивания (кривой накопления износа) на линейный участок;
■ приработочный износ Но, мкм, как величину сближения, определяемую в момент времени окончания приработки ¿о;
■ среднее значение коэффициента трения в период нормального изнашивания /;
■ отношение максимального значения коэффициента трения в период приработки fо к его среднему значению в период нормального изнашивания ^
■ среднее значение интенсивности изнашивания за время испытаний 1н = (Н - Ни)/Ь, где
а)
h -
¡X
б)
а s а
t
Время
Время приработку
to Время нормального изнашивания
К->1
t
Время
Рис. 5. Изменение линейного сближения (кривая изнашивания) (а) и коэффициента трения (б) в зависимости от времени испытаний
h
0
0
f
Таблица 2
Результаты испытаний закаленных и шлифованных образцов из различных марок сталей без нанопокры-тия (числитель) и с нанопокрытием (знаменатель)
Триботехн. свойство Показатель Показатель для материала образца
Х12 45 У8
Прирабатываемость Время приработки ¿0, 4 1,10/3,50 0,83/2,25 2,42/2,17
Приработочный износ йд, мкм 1,80/2,0 4,50/2,00 2,50/2,00
Отношение макс. коэффициента трения в период приработки к его средн. значению в период нормального изнашивания /0// 2,00/2,75 1,83/4,5 3,90/3,00
Антифрикционность Средний коэффициент трения / 0,05/0,03 0,03/0,02 0,02/0,025
Износостойкость Средняя интенсивность изнашивания 1Н • 10-10 1,35/0,68 2,57/1,73 1,95/1,75
а)
Ч 7
* 5-
й 3
¡^ 1-1
к 0,12 ^ ^ ■
£
Износ — 4,6 мкм
Коэффициент трения — 0,005
б)
м 12
мм10
Износ — 7,9 мкм
к 0,10 | §0,08-10,06 ■ ||0,04-¡2 0,02 0■
Коэффициент трения — 0,002
40
I I 30 й I 23
Температура — 36,64
13:00:00
15:00:00
17:00:00 19:00:00
з У
£ е
43
23
Температура — 40,21
13:00:00
15:00:00
17:00:00
19:00:00
0
Рис. 6. Протокол испытаний образца из стали 45
Н — суммарная величина сближения инден-тора с образцом за время испытаний, мкм; Ни — износ индентора за время испытаний, мкм; Ь — путь трения, пройденный поверхностью образца за время испытаний, мкм.
• определенные выше показатели усредняли по результатам испытаний одной исследуемой поверхности и заносили в протокол.
Испытания образцов с покрытием системы Я1-0-С-К и без него проводились в условиях:
• скорость скольжения и = 1 м/с;
• нормальная нагрузка Ы= 100 ± 2 % Н;
• вид первоначального контакта — пластический насыщенный;
• величина первоначального относительного сближения в = 0,35;
• вид смазки — граничная;
• вид смазывания — окунание;
• ведущий вид изнашивания — усталостное. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Результаты испытаний в графическом виде
с покрытием системы 8Ю-С-М (а) и без него (б)
(интерфейс пользователя АСНИ) для триботехни-ческих испытаний образцов, изготовленных стали из 45, представлены на рис. 6, который вместе с табл. 2 составляет основу протокола три-ботехнических испытаний.
Применение нанопокрытия системы в1-О-С-К в машиностроении
На основании проведенных исследований технология ФПУ с нанесением упрочняющего нанопокрытия системы 81-О-С-К может быть рекомендована для повышения долговечности различных изделий из конструкционных и инструментальных материалов, работающих в условиях трения и износа. Промышленные испытания и последующее внедрение на нескольких российских и зарубежных предприятиях подтвердили эффективность применения этого процесса [5]. На рис. 7 показаны примеры использования данной технологии
Рис. 7. Нанесение покрытия методом ФПУ: а — на матрицу вырубного штампа из стали Х12; б — на вытяжную матрицу из стали Х12; в — на вал из стали 45; г — на холодновысадочный инструмент из стали У10
(долговечность упрочненных изделий увеличилась от 2 до 4 раз).
Выводы
Оптимизация технологии модификации поверхности с использованием нанесения нано-покрытия методом ФПУ может быть произ-
ведена на основе исследования параметров наноиндентирования и триботехнических испытаний.
Покрытие системы ЯЮ-С-К, нанесенное с использованием технологии ФПУ, характеризуется высокой твердостью при низком значении модуля упругости и близостью значений модуля упругости покрытия и основы, что объективно должно приводить к увеличению износостойкости поверхностного слоя. Триботехнические испытания образцов с покрытием подтверждают повышение ресурса изделий с покрытием системы 81-0-С-№
Литература
1. Наноструктурные покрытия / Под ред. А. Ка-валейро. М.: Техносфера, 2011. 752 с.
2. Тополянский П. А., Соснин Н. А., Ермаков С. А. и др. Исследования свойств нанопокры-тия, наносимого методом финишного плазменного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 2. С. 28-34.
3. Горленко А. О., Прудников М. И. Нормализация триботехнических испытаний для создания базы данных по одноступенчатому технологическому обеспечению износостойкости // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2008. № 9. С. 7-13.
4. Горленко А. О., Прудников М. И. Триботехни-ческие испытания поверхностей деталей нормализованным методом: Справочник // Инженерный журнал. 2009. Прилож. № 10. С. 22-24.
5. Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии: Руководство для инженеров. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 406 с.
УДК 621.78/79:629
Исследование наноструктурного покрытия для повышения эффективности работы деталей валопровода
В. Б. Хмелевская, Е. С. Мосейко, В. И. Черненко
Судовой валопровод представляет собой систему валов, соединенных в единую линию для передачи гребному винту крутящего момента, развиваемого двигателем, а также восприятия осевой силы, создаваемой гребным винтом при вращении и передаче нагрузок на вал при вибрации судна. В состав валопровода одновальной установки входят гребной 3, промежуточный 4 и упорный 6 валы (рис. 1). Количество промежуточных
валов зависит от длины валопровода и производственных возможностей. Наибольшая нагрузка приходится на гребной вал, на нем крепится гребной винт 1. Для выхода гребного вала наружу, для его опоры и уплотнения служит дейд-вудное устройство 2. Опорами промежуточных валов являются подшипники 5. В месте прохода валопровода через водонепроницаемые переборки устанавливаются переборочные сальники.
