CC BY
261
УДК 631.3.004.5:621.793
Л.В. Козырева, канд. техн. наук, ассистент
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
применение суо-метода металлоорганических соединений в технологиях изготовления и восстановления деталей ПоДЪЕМНо-ТРАНСПоРТИРУЮЩИХ МАШИН
Повышение надежности современной техники невозможно обеспечить без применения современных технологий, которые необходимо использовать на всех стадиях изготовления и эксплуатации бы-строизнашивающихся деталей и сборочных единиц подъемно-транспортирующих машин. Перспективным решением обозначенной проблемы может стать разработка композиционных материалов с использованием метода CVD (Chemical Vapor Deposition — химическое газофазное осаждение) металлоорганических соединений (МОС), целесообразность которого подтверждена многочисленными исследованиями [1, 2, 3].
Сущность данного метода заключается в следующем: металлоорганическое соединение испаряется в реакционной камере, переносится через газовую фазу и осаждается в нужной пропорции на подложку.
Исходные реагенты для CVD-процесса выбирают исходя из их доступности с точки зрения промышленного производства и технологических параметров, таких как оптимальная температура диссоциации соединения, отсутствие агрессивных свойств по отношению к подложке и применяемой технологической аппаратуре.
Перечисленным требованиям удовлетворяют циклопентадиенил никеля (никелецен) Ni(C5H5)2 и ацетилацетонат меди Cu(C5H7O2)2. Основные реакции разложения данных МОС в CVD-процессе:
Ni(C5H5)2 30°...350 °C > Ni + 8CO + 2CH4 + H2; (1)
400...450 °C
Cu(C5H7O2)2------------» Cu +
+ CH3COCH3 + ch3coch2coch3 +
+ CH3COOH + CO + CO2. (2)
Процессы термической диссоциации циклопен-тадиенила никеля и ацетилацетоната меди в CVD-процессе определяются температурами подложки, паров реагента и газовой смеси. В области низких температур подложки формирование металлической структуры определяется в основном скоростью разложения исходного соединения; при температурах 400 °С для Ni(C5H5)2 и 500 °С для Cu(C5H7O2)2 рост
104
покрытия замедляется и переходит в диффузионную область; при более высоких температурах прирост металлического слоя полностью прекращается, так как прекурсор разлагается в объеме, не достигая подложки. Подложка, находящаяся внутри реактора, может нагреваться электрическим током, индукционным током высокой частоты, ИК излучением и др. Температура нагрева летучего прекурсора в испарителе также значительно влияет на формирование металлической структуры, так как обусловливает скорость подачи паров в реактор.
Другие факторы, определяющие образование покрытия СУБ-методом МОС, — давление в реакторе и скорость откачки. При увеличении давления разложение исходных МОС на поверхности подложки замедляется и рост пленки прекращается, при уменьшении давления и скорости подачи прекурсора рост пленки также замедляется.
Следующий фактор, влияющий на образование металлического покрытия, — концентрация исходного МОС. Увеличение концентрации прекурсора ведет к его разложению уже в объеме реактора и образованию отдельных кластеров металла, как в аэрозольном методе. Разбавление паров реагента, а также применение ингибиторов приводит к снижению скорости образования пленки и ее модифицированию.
Таким образом, эффективное осуществление СУБ-процесса возможно только в зоне оптимума, когда обеспечивается не только стабильный приток исходного соединения к подложке, но и удаление продуктов его разложения из объема реактора.
Существует два основных варианта реализации СУБ-процесса: либо посредством совместного осаждения МОС различных металлов, либо при поочередном разложении нескольких металлоорганических соединений с чередованием слоев различных металлов и формированием комплексного многокомпонентного покрытия на подложке. При этом технологический процесс происходит как в вакууме, так и в среде транспортирующих газов [2].
Выбор способа разложения МОС и режима СУБ-процесса определяют физико-механические и структурные особенности формирующегося по-
крытия, что позволяет задавать эксплуатационные характеристики материала на молекулярном уровне.
Одно из основных преимуществ СУБ-метода по сравнению с другими способами получения металлических покрытий (гальваническим осаждением, диффузионной металлизацией, газопламенным и плазменным напылением, лазерной и порошковой наплавкой) — экологическая чистота и безопасность, так как при его применении исключается попадание токсичных соединений в окружающую среду.
Классификация способов осаждения МОС в СУБ-процессе представлена на рис. 1 [3].
В процессе исследований получены никелевые и медно-никелевые покрытия на искусственных неорганических волокнах, которые в дальнейшем использовали при создании композиционных материалов, применяемых в технологиях восстановления и изготовления деталей подъемно-транспортирующих машин, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивной среды.
Перспективное направление модификации искусственных неорганических волокон—применение СУБ-метода №(С5И5)2 отдельно и в комплексе с Си(С5Н702)2.
Реакции термического разложения циклопентадиенильных и ацетилацетонатных соединений металлов в СУБ-процессе приводят к созданию активного атомного фона и образованию зародышей новой фазы, что сопровождается спонтанным термодинамически выгодным расположением вещества. При этом возможно получение пленок металла толщиной 50.. .100 нм. Дальнейшее увеличение размеров металлического слоя приводит к растрескиванию и расслоению покрытия, что вызвано дестабилизацией системы в связи с ростом напряжений в зоне меж-фазных границ подложка — металлическая пленка.
Реализацию технологического процесса совместного разложения циклопентадиенила никеля и ацетилацетоната меди осуществляли по следующей схеме: подача паров №(С5Н5)2 в реакционную камеру, их разложение при температуре 450 °С, осаждение адгезионного подслоя никеля на поверхности волокна со скоростью
0,1 мкм/ч. Затем температура в ре-
акторе понижалась до 400 °С, и в систему параллельно с №(С5Н5)2 поступал Си(С5Н702)2, в результате чего формировалось комплексное медно-никелевое покрытие (скорость осаждения 0,2 мкм/ч). На последнем этапе подача паров №(С5Н5)2 блокировалась, температура процесса устанавливалась равной 350 °С, наносился слой меди (скорость осаждения 0,15 мкм/ч).
Внешний вид металлизированных стеклянных и углеродных волокон показан на рис. 2.
Модифицированные СУБ-методом МОС стеклянные и углеродные волокна целесообразно применять для создания различных композиционных материалов, в том числе на основе термопластов, так как металлизацией помимо повышения их стойкости к истиранию, изгибу и прочности при растяжении волокна достигается увеличение теплопроводности композиционного материала по сравнению с исходным полимером в 8.10 раз. Это объясняет-
Рис. 1. Классификация способов осаждения МОС в CVD-процессе - Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 1'2008 --- --------------------105
а б
Рис. 2. Внешний вид металлизированных волокон:
а — стеклянные волокна, покрытые пленкой никеля; б — углеродные волокна в комплексном медно-никелевом покрытии
Рис. 3. Структура модифицированного СУО-методом стеклопластика на основе полиамида-6.6
ся корреляцией признаков матрицы и наполнителя в композите и связано с высоким значением коэффициента теплопроводности никеля и меди. Оптимизацией теплофизических свойств угле- и стеклопластиков устраняется основной ограничительный фактор, препятствующий широкому применению композиционных материалов с полиамидной матрицей для изготовления деталей и восстановления
трибосопряжений подъемно-транспортирующих машин.
Структура композиционного материала на основе полиамида-6.6, армированного короткими случайно ориентированными стеклянными волокнами в никелевой пленке (25 об.%), изображена на рис. 3.
Армирование металлизированными искусственными неорганическими волокнами способству-
Свойства композиционных материалов на основе полиамида-6.6, армированного металлизированными волокнами
Наполнитель Свойства
Вид волокон МОС- модификатор Содержание, % Усадка, % Коэффициент трения Ударная вязкость, кДж/м2 Тепло- стой- кость, °С Темпе- ратура полурас- пада, °С Скорость термо-деструкции, вес. %/мин Степень водопо- глоще- ния
без смазки со смазкой
Стеклян- N1(0^ 15 1,60 0,15 0,04 - 110 200 1,30 11,0
ные 20 1,24 0,15 0,05 - 125 215 1,10 10,9
25 0,91 0,15 0,05 4,7 160 220 1,00 10,7
30 0,90 0,16 0,05 - 175 220 1,00 10,6
35 0,89 0,16 0,05 - 175 220 0,90 10,4
40 0,90 0,18 0,06 - 175 220 0,80 10,4
Си(С5Н702)2/ 15 1,65 0,17 0,03 - 120 220 1,00 11,3
N1(05^2 20 1,30 0,19 0,04 - 130 220 0,70 11,3
25 0,97 0,21 0,04 4,6 165 225 0,50 11,2
30 0,97 0,23 0,05 - 180 255 0,40 11,0
35 0,96 0,23 0,05 - 190 255 0,20 10,8
40 0,96 0,25 0,05 - 190 260 0,05 10,8
Углерод- N1^5)2 15 1,50 0,13 0,02 - 115 160 2,60 11,2
ные 20 1,26 0,16 0,03 - 135 180 1,80 11,1
25 0,86 0,16 0,04 5,1 150 190 1,50 10,9
30 0,85 0,16 0,04 - 170 190 1,10 10,7
35 0,85 0,16 0,05 - 190 190 0,80 10,7
40 0,85 0,18 0,06 - 190 190 0,60 10,7
Си(С5Н702)2/ 15 1,62 0,13 0,03 - 130 195 0,20 11,4
N1^5)2 20 1,35 0,13 0,03 - 140 230 0,15 11,4
25 0,92 0,15 0,04 5,0 150 240 0,10 11,3
30 0,88 0,17 0,04 - 190 245 0,10 11,1
35 0,87 0,19 0,04 - 220 245 0,06 11,0
40 0,88 0,21 0,05 - 220 250 0,03 11,0
ет повышению стойкости композиционного материала к химическому и биологическому факторам воздействия среды. В частности, при контакте с органическими средами различной кислотности (рН = 6.8) износостойкость, адгезионная сдвиговая прочность, усадка и ударная вязкость модифицированных композиционных материалов изменяются в допустимых пределах, не превышая 15 % исходных значений.
Свойства композиционных материалов на основе полиамида 6.6, полученных СУБ-методом металлоорганических соединений никеля и меди, представлены в таблице.
Модифицированные стеклопластики, разработанные с использованием предложенных технологических рекомендаций, целесообразно применять при восстановлении и изготовлении деталей трибосопряжений, контактирующих с агрессивными средами органического происхождения в условиях несовершенного смазывания. В частности, заменой шариковых радиальных однорядных подшипников 60308 в поворотных опорах скребковых навозоуборочных транспортеров ТСН-160А, ТСН-3Б на подшипники скольжения с вкладышами из модифицированного стеклопластика достигается значительное увеличение ресурса опоры.
Исследовано применение термопластов, наполненных металлизированными медноникелевым комплексом МОС углеродными волокнами (30 об.%), для деталей, работающих
а б
Рис. 4. Общий вид подшипников с вкладышем из модифицированного CVD-методом стеклопластика:
а — подшипник, восстановленный с использованием внутреннего и наружного колец подшипника 60308; б — подшипник, изготовленный в условиях ремонтного производства с учетом замены в поворотной опоре транспортеров ТСН-160А, ТСН-3Б двух серийных подшипников 60308
в условиях воздействия абразивных материалов. В качестве объектов исследования выбраны детали и сборочные единицы крановой установки МТА-160К, при эксплуатации которой наблюдается преждевременный выход из строя дорогостоящих подшипников качения ША8Ь 045014 РР8М (Германия) и опор механизма перемещения груза, изготовленных из композиционных материалов УМТ»81раз» (Австрия).
Установлено, что при модификации элементов наполнителя пленкой никеля и меди достигается оптимальное сочетание степени смачиваемости стеклянных и углеродных волокон в полиамидной матрице и одновременного снижения реакционной способности их поверхностных образований. Это повышает эксплуатационные характеристи-
а б
Рис. 5. Детали и сборочные единицы крановой установки МТА-160К:
а — подшипник МЛ8Ь 045014 РР8М механизма подъема груза, восстановленный с применением вкладыша из модифицированного углепластика; б — направляющие опоры механизма перемещения стрелы, изготовленные с использованием металлизированного углепластика
ки композиции и предопределяет эффективность применения данных материалов для увеличения ресурса деталей и сборочных единиц подъемно-транспортирующих машин, работающих в условиях воздействия абразивной среды и постоянного контакта с органическими средами различной кислотности.
Примеры восстановленных и изготовленных деталей и сборочных единиц представлены на рис. 4 и рис. 5.
Выводы
1. СУБ-процесс экологически безопасен, так как проводится по замкнутому циклу, что исключает попадание токсичных соединений в окружающую среду.
2. Композиционные материалы, модифицированные СУБ-методом, в зависимости от типа и объемного содержания армирующих волокон имеют следующие свойства: усадка при литье под давлением 0,85.0,92; износостойкость в парах «композит — сталь 45» 0,3; коэффициент трения без смазочного материала 0,15.0,21; коэффициент трения со смазочными материалами 0,04.0,06; теплостой-
кость по Вика 160.220 °С; степень водопоглоще-ния 10,6.11,4.
3. Результаты производственных испытаний:
• ресурс подшипников поворотных опор транспортеров ТСН-3Б, ТСН-160А и подшипников механизма подъема крановой установки МТА-160К, которые изготовлены и восстановлены с использованием композиционных материалов, модифицированных СУБ-методом, в 2.5 раз выше, чем у серийных;
• износ изготовленных из модифицированного углепластика направляющих опор крановых установок МТА- 160К на 75.80 % меньше, чем у аналогичных деталей, изготовленных из композиционного материала УМТ «81раБ» (Австрия).
Список литературы
1. Сыркин В.Г. СУБ-метод. Химическая парофазная металлизация. — М.: Наука, 2000. — 496 с.
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: Ком-Книга, 2006. — 592 с.
3. Козырев В.В. Металлоорганические соединения в машиностроении и ремонтном производстве. — Тверь: Студия-С, 2003. — 160 с.
УДК 631.3.004.5; 621.664; 621.762.214 П.С. Орлов, канд. техн. наук, доцент
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»
фазовый перенос легирующего атома в стали
Для повышения прочностных характеристик конструкционных материалов кроме традиционных методов цементации применяют ускоренные технологические процессы упрочнения деталей [1], используют цементацию при косвенном воздействии высокотемпературного пламени угольной дуги на обрабатываемый материал. Угольная дуга — мощный источник атомарного и ионизированного углерода, обладающего значительной кинетической энергией. При этом температура цементируемой поверхности не превышает 1300 К, а глубина цементации составляет 0,1__2,0 мм [2]. При воздей-
ствии на упрочняемую деталь угольной дугой прямого действия процесс цементации идет непосредственно в контакте с низкотемпературной плазмой дуги обратной полярности, горящей между обрабатываемой деталью и угольным электродом. Интенсивное науглероживание сварного шва при сварке угольной дугой обратной полярности было отмечено в 1882 г. изобретателем электросварки угольной дугой Н.Н. Бенардосом (1842-1905 гг.). Воздейст-
108
вие на обрабатываемую поверхность электрической угольной дуги, направленно транспортирующей атомарный углерод в ванну расплава, ускоряет процесс науглероживания металла, поскольку диффузия в расплаве протекает на порядки быстрее, чем в твердом теле.
Сложнее объяснить увеличение скорости цементации при воздействии на поверхность упрочняемой детали угольной дугой косвенного действия, когда температура поверхности упрочняемого металла не превышает температуры его плавления ввиду отсутствия прямого контакта между столбом дуги и цементируемой поверхностью. Тем не менее скорость диффузии углерода в металл по сравнению с традиционными методами цементации увеличивается с 0,15 мм/ч до 0,1 мм/с.
Скорость диффузии углерода в железе при традиционных способах цементации в твердом карбюризаторе в значительной степени ограничивается скоростью генерации атомарного углерода, так как процесс ведется при температурах, когда выход ато-
