CC BY
24
УДК 621.791.927.55
ПРИМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ПАРОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
М.Н. Ерохин, Н.Н. Чупятов
В статье представлены результаты исследований о возможности применения карбидохромовых покрытий из газовой фазы для снижения уровня коррозион-но-механического изнашивания при эксплуатации гидравлических систем машин и оборудования в животноводстве.
Ключевые слова: упрочнение деталей, CVD-метод, металлизация, гидравлические системы.
Механизацию технологических процессов в животноводстве невозможно представить без применения гидравлических систем. Гидропривод является универсальным средством при механизации и обладает рядом преимуществ по сравнению с механическими передачами.
Одной из актуальных проблем при проектировании новых средств механизации является вопрос повышения их надёжности и, как следствие, вопрос увеличения долговечности узлов гидравлических систем. Эти узлы эксплуатируются в достаточно тяжёлых условиях, обусловленных воздействием агрессивной среды, повышенной запылённостью и ярко выраженной сезонностью, что приводят к повышению интенсивности процесса изнашивания сопрягаемых деталей. Анализ вышедших из строя узлов гидравлических систем позволяет выявить основные причины их отказа и номенклатуру максимально изношенных элементов. Например, в гидроцилиндрах наиболее подвержены процессу изнашивания наружные поверхности поршней и внутренние поверхности цилиндров; в лопастных насосах - поверхности статоров, лопастей, цапф; в шестеренных насосах - внутренние поверхности корпуса и втулки; в аксиально-поршневых насосах и гидродвигателях - поршни, шейки валов и др.
В исследованиях ряда авторов установлено, что около 30% отказов гидропривода происходит в результате нарушения работоспособности прецизионных пар, выполняющих роль вытеснительных элементов, распределителей или регуляторов. Основной причиной разрушения высокоточных деталей агрегатов, применяемых в животноводстве, является коррозионно-механическое изнашивание. При этом поверхности деталей, находящиеся в непосредственном контакте с агрессивной средой, во время простоя техники покрываются тонкой оксидной плёнкой. После возобновления рабочего цикла, плёнка разрушается и
Journal of VNIIMZH №4(12)-2013
61
отделяется с поверхности. Это происходит под воздействием локальных механических нагружений, вызванных взаимодействием поверхностей с абразивными частицами, потоком жидкости или друг с другом и приводит к изменению геометрии. Необходимым условием, для обеспечения требуемой длительности межремонтной эксплуатации оборудования, является правильный выбор конструкционных материалов при производстве сопрягаемых деталей. Эти материалы должны обладать достаточно высокой стойкостью против коррозии и изнашивания в агрессивных средах.
Реальный путь повышения долговечности прецизионных сопряжений гидравлических систем - получение на поверхности взаимодействующих деталей упрочняющих покрытий с заданными физико-механическими свойствами. Получаемые покрытия должны обладать высокими антикоррозионными свойствами и хорошо сопротивляться абразивному изнашиванию. В работах ряда авторов установлено, что для максимального снижения интенсивности корро-зионно-механического и абразивного изнашивания поверхность деталей должна быть химически инертна к компонентам среды и обладать микротвёрдостью не ниже 17000 МПа. В этом случае исключается возможность образования на элементах сопрягаемых деталей легкоразрушаемой плёнки окислов, а воздействие абразивных частиц на поверхность приобретает характер упругого оттеснения [1].
Одним из наиболее перспективных направлений, в области получения покрытий с заданными физическими, химическими и механическими свойствами, является внедрение в производственный цикл «химического парофазного осаждения» металлов (Chemicikal Vapor Deposition - CVD). Этот метод даёт возможность получать широкий спектр различных по химическому составу, структуре и свойствам нано, микро и макро покрытий [2,3,4].
В сравнении с другими методами модифицирования поверхностей такими как гальваническое осаждение, диффузионная металлизация, газопламенное и плазменное напыление, лазерная и газопорошковая наплавка, можно отметить следующие преимущества CVD-процесса: высокая скорость металлизации, до 10 мкм/мин; высокая плотность (беспористость) покрытий; способность к равномерному "омыванию" поверхности подложки парами реагента, что позволяет осуществлять металлизацию поверхностей сложной конфигурации; микротвердость покрытий до 32000 МПа; прочность сцепления покрытия с материалом подложки до 260 МПа; температурные интервалы ведения процесса от 70 до 650°С; возможность металлизации металлов и неметаллических материалов (керамики, пластмасс, резины и др.); процесс экологически чистый, проводится по замкнутому циклу и легко поддается автоматизации [4,5].
Сущность CVD процесса заключается в следующем: исходное металло-органическое соединение (МОС) переводится в газообразное состояние путем испарения или возгонки. Полученная газовая смесь подается в реакционную камеру, где реагирует с подложкой, нагретой до температуры разложения исполь-
зуемого соединения и образует металлическое покрытие. Осаждение покрытий может проводиться как в вакууме, так и в среде транспортирующих газов. Пример аппаратурного оформления процесса металлизации представлен на рис. 1.
а) б)
Рис. 1. Пример аппаратурного оформления СУБ-процесса:
а) схема установки (1 - реактор; 2 - сублиматор; 3 - фильтр; 4 - вакуум-насос; 5 - термостат;
6,7 - ёмкости с жидким МОС; 8 - расходомер; 9 - ИК лампы); б) общий вид установки
Применение СУО-метода для получения упрочняющих покрытий на рабочих поверхностях деталей гидравлических систем позволит значительно увеличить ресурс сопряжений. В качестве исходного реагента целесообразно использовать гексакарбонил хрома Сг(СО)6. Применение данного соединения даёт возможность, варьируя режимы процесса, получать качественные карбидо-хромовые покрытия с заданной (в пределах от 10 до 20 ГПа) микротвёрдостью. Наиболее активно протекающие в СУО-процессе и максимально влияющие на свойства получаемого покрытия химические реакции имеют следующий вид:
Сг(СО)б 600 • ^ > Сг + 6СО
13Сг + 6СО -2СГ2О3+ЗСО
600• •700К
> 2СГ2О3 + ЗСГС2
600 • •700К
■> 2СГ+3СО2
Установлено, что процесс образования хромовых покрытий начинается при Т=290°С, максимальная скорость роста наблюдается при 300°С. Основными технологическими параметрами, значительно влияющими на свойства получаемых покрытий, являются температура подогрева Сг(СО)6 и температура подложки (рис. 2). Содержание примесей карбида хрома Сг3С2 с возрастанием температуры подложки монотонно снижается как и связанная с ним микротвёрдость. Таким образом, меняя режим СУО-процесса, можно задавать микротвёрдость покрытий, которая постоянна по сечению и не зависит от толщины.
Прочность сцепления покрытия с подложкой растает при увеличении температуры процесса до 350°С, а затем резко снижается. Это связано с выделением в объёме камеры высокодисперсного хромового порошка, часть которого попадает на подложку и способствует снижению адгезии [3].
|оигпа1 оГ УШ1М7И №4(12)-2013
63
Рис. 2. Влияние температуры подложки и температуры подогрева Сг(СО)6 на микротвёрдость покрытий
Анализ материалов, выработанных термическим разложением гексакар-бонила хрома, а также анализ протекающих в газовой фазе процессов позволяют утверждать о возможности получения данным способом покрытий с заданными физико-механическими и химическими свойствами. Полученные CVD-способом упрочняющие покрытия целесообразно использовать для повышения ресурса деталей гидравлических систем машин и оборудования, применяемых в животноводстве. Значительный практический интерес представляет разработка и внедрение технологии нанесения упрочняющих карбидохромовых покрытий на рабочие поверхности гидроцилиндров и сопрягаемых деталей гидрораспределителей при их изготовлении в условиях серийного производства.
Литература:
1. Диффузионные покрытия в ремонтном производстве / М.Н. Ерохин и др. М., 2006. 124с.
2. Козырев В.В. Применение CVD-метода металлоорганических соединений никеля при создании композиционных материалов и покрытий // Технология машиностроения. 2008. №2.
3. Применение металлизированных материалов на основе технической керамики для ремонтных производств / В.В.Козырев и др. // Грузовик. 2010. №11. С. 16-19.
4. Козырев В.В. Металлоорганические соединения в машиностроении и ремонтном производстве: монография. Тверь: Изд-во Студия-С, 2003. 160с.
5. Сыркин В.Г. CVD-метод. Химическая парофазная металлизация. М.: Наука, 2000. 496с.
6. Ерахтин Д.Д., Брагин Ю.И. Гидросистемы лесозаготовительных машин. М., 1979. 200с.
Ерохин Михаил Никитьевич, академик Россельхозакадемии, доктор техн. наук, профессор Чупятов Николай Николаевич, кандидат технических наук, докторант Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина Тел. 8-915-721-40-71 E-mail: nikolaj-ch@mail.ru
Results of researches are presented in article about possibility of application of kar-bidokhromovy coverings from a gas phase for decrease in level of corrosion and mechanical wear at operation of hydraulic systems of cars and the equipment in animal husbandry.
Keywords: hardening of details, a CVD-method, metallization, hydraulic systems.
