Применение наноструктурированных покрытий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



ханико-термической обработке высокопрочных Ь-титановых сплавов // Структура и механические свойства металлов и сплавов/Под ред. В. А. Павлова. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1975. С. 90-107.

7. Павлов В. А., Носкова Н. И., Кузнецов Р. И. Влияние дефектов упаковки на механические свойства металлов // Физика металлов и металловедение. 1967. Т. 24, вып. 5. С. 947-965.

8. Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1969. 752 с.

9. Зимина Л. Н. Влияние легирующих элементов и термообработки на кинетику структурных превращений и свойства жаропрочных сплавов системы никель-хром-алюминий // Специальные

стали и сплавы: Сб. трудов. Вып. 46/ЦНИИЧМ. М.: Металлургия, 1966. С. 114-139.

10. Виторский Я. М., Шаболдо О. П., Заплат-кин Ю. Ю. Формирование структуры и свойств прутков из легированного сплава ниобия ЛН-1 при теплой деформации. // ЦНИИ материалов — 90 лет в материаловедении: Науч.-техн. сб. Юбилейн. вып./ФГУП «ЦНИИМ». СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. С. 102-107.

11. Шаболдо О. П. Влияние режимов холодного волочения на структуру и свойства проволоки и характеристики пружин из высоколегированного сплава ниобия ЛН-1 // Металлообработка. 2009. № 4. С. 35-40.

От редакции: в следующем номере в разделе «Станки и оборудование» будет опубликована статья «Специализированное пружинное производство ОАО „ЦНИИМ"».

УДК 530 (075.8)

Применение наноструктурированных покрытий

В. М. Петров, В. М. Майстро, В. Б. Хмелевская, М. Б. Мяконьков, Р. Н. Гаврилюк, Б. А. Юшин

В статье приведены данные относительно изготовления порошков и их введения в детали механизмов средних размеров. Определено влияние введения и сочетания порошков и масла (суспензии) на триботехнические характеристики сопряженных пар механизмов перемещения. На основании теоретических и экспериментальных данных о влиянии на структуру механических и акустических воздействий произведены исследования напыления плазменных покрытий с ультразвуковой обработкой. Данные исследований показали, что при определенных режимах такого напыления получены наноструктуриро-ванные покрытия размером 10 нм.

Триботехнические характеристики деталей

Поверхности материалов деталей оказывают превалирующее влияние на износостойкость механизмов при трении, а следовательно, и эффективность их работы во многом зависят от материала поверхностей деталей механизма. Современная теория трибологии рассматривают разрушение на основании механических и энергетических свойств материалов, пластических и упругих, шероховатости, однако в последнее время наблюдается

всплеск интереса к тому, как эти характеристики рассматриваются в энергетической теории, основанной на энергетических характеристиках материалов сопряженных пар, к числу которых относится, например, работа выхода электронов. Согласно обеим теориям, три-ботехнические параметры и износостойкость сопряженных пар зависят от структуры кристаллов, определяющей фазовый состав материалов в зависимости от распределения атомов.

Мелкодисперсная структура снижает коэффициент трения Кт и повышает износостойкость сопряженных пар при трении. Данные А. А. Маркова объясняют эти явления более высокой энергетикой мелких кристаллических структур [1]. Согласно Б. И. Костец-кому и Д. Бакли, низкий коэффициент трения в поверхностях мелкодисперсных структур сопряженных пар является результатом создания особой структуры с соединением элементов в среде [2, 3]. Процесс получения мелкодисперсных структур порошков и химических пленочных покрытий (наноструктур) для создания износостойких сопряженных пар при трении и механических износостойких материалов стал одним из объектов исследования особого научного направления — нанотехнологии.

В настоящее время существует множество способов получения нанопорошков. Основные разновидности процесса порошкового размельчения — метод Гайтера, газофазное осаждение, электроразрядное спекание, горячая обработка давлением, высокое статическое и динамическое давление, дуговое прессование. Введение нанопорошков в компактные материалы (металлические и органические) повышает их механические и трибо-технические свойства. Особого внимания заслуживают свойства углепластиков, в состав которых вводились мелкодисперсные частицы. Как показали исследования, проведенные в Санкт-Петербургском университете водных коммуникаций (СПГУВК), при введении нано-частиц в углепластик повысились эксплуатационные характеристики узла «цевка — подшипник пластинчатой цепи, разрабатываемой для гидросооружений» (рис. 1) [4].

В Морской академии им. Н. Г. Кузнецова совместно с СПГУВК проведено нанесение на-ночастиц на гриб (шаровую опору) и вкладыш пятового устройства для повышения его износостойкости (рис. 2). Пята воспринимает вес створки ворот шлюза и при ее вращении дополнительно — горизонтальную силу от момента, создаваемого этим весом.

К сожалению, в литературе нами не обнаружены физические причины, объясняющие повышение триботехнических характеристик материалов при введении нанопорошков. Введение порошков в масло сопряженных пар трения, контактирующих при перемещении, приводит как к положительным, так и к отрицательным результатам: физическая сущность прилипания к сопряженным парам не обнаружена, и в настоящее время при ведении нанопорошков создается суспензия с маслом.

Рис. 1. Экологическая пластинчатая цепь, в углепластик которой введены наноматериалы:

1 — валики; 2 — пластины

Рис. 2. Пятовое устройство:

1 — ось верхней подвесной части устройства пяты; 2 — ось нижнего ригеля

Кандидатом физ.-мат. наук Д. Г. Летен-ко и доцентом, канд. хим. наук В. А. Никитиной были проведены исследования состава масла и порошков для получения суспензий, влияющих на трение. Целью данной работы было исследование следующих теоретических и практических вопросов:

• методы совмещения наномодификаторов с различными маслами в составе суспензии;

• получение растворов фуллеренов;

• получение устойчивых суспензий;

• влияние растворенных фуллеренов на триботехнику.

В результате разработаны методики получения суспензий и модель работы суспензии в трибоконтакте. Стадии механизма действия наноструктурированных смазочно-охлаждаю-щих технологических сред смазочно-охлажда-ющих технических средств (СОТС) представлен на рис. 3.

В настоящее время создается большое количество наноструктурированных порошков и пленок. В силу того что в литературе пока нет досконально достоверных данных о возможности их применения для изготовления крупногабаритных и среднегабаритных деталей с повышенной усталостной прочностью и физической сущностью триботехнических характеристик, таких как нагрузка схватывания Рсх и коэффициент трения Кт, было сделано предположение о том, что создание

Рис. 3. Стадии механизма наноструктуриза-ции СОТС:

а — формирование сольватной оболочки из полимера: 1 — молекула полимера; 2 — наночастица; б — возникновение фрактальной сетки в объеме СОТС; в, г — микрорельеф трибопары в присутствии нано-структурированного СОТС

наноструктурированных покрытий на крупногабаритных и среднегабаритных деталях возможно на основе закономерностей теорий физики твердого тела и физических данных ультразвуковых колебаний.

Первые результаты изменения структуры покрытий, созданных методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой, показали, что удается получить аморфизирован-ную структуру с мелкодисперсными кристаллическими частицами (авт. свид-во № 1487329, 1989 г.; СПГУВК, Томский физико-технический институт) [4].

В Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПГПУ) нами были получены структуры напыленного порошка ПН85Ю15 с карбидом хрома и кремния, подвергшегося ультразвуковой обработке и имеющего более мелкую структуру. Исходные структуры — кубические, без фазовых превращений.

Как показал анализ литературных данных о влиянии различных факторов на изменение структуры и фазовых составов поверхности

Рис. 4. Изменение кристаллической решетки при механических и акустических воздействиях: А — перемещение частиц структуры в вертикальном направлении; Б — перемещение частиц структуры в горизонтальном направлении

компактных материалов в результате теплоэнергетических и пластико-механических воздействий, под влиянием температуры происходит изменение размеров структуры, например при быстром охлаждении нагретого металла или в процессе закалки, на поверхности образуются мелкодисперсные кристаллы [6]. При механическом воздействии (прокатке), под динамической нагрузкой в кристаллах возникают сдвиги, влияющие на форму и размеры кристаллов [7].

На рис. 4 приведены изменения кристаллической решетки при различных воздействиях. Теоретические исследования позволяют получить покрытие из мелкодисперсных частиц для упрочнения поверхностей деталей механизмов.

Рекристаллизация при ультразвуковом воздействии

Для создания наноструктурированных покрытий необходимо произвести анализ литературных данных о воздействии различных факторов (температурных, механических, акустических) на кристаллизацию и изменение структуры. Ультразвуковое воздействие может вызывать сдвиги в кристаллической решетке и зернах. Сдвиги провоцируют деформации, а деформации — новые сдвиги. При смещении одной части кристалла по отношении к другой происходит измельчение зерен [8].

Нами было определено, что на изменение структур влияют вариации конструкции ультразвукового волновода. Для восстановления судовых механизмов использовались порошки ПН85Ю15 с карбидом кремния и хрома, ПГСР4, феррохром молибден. Исследование структур производилось напылением плазменной струей со скоростью 800 м/с, под напряжением 180-230 В, волновод вводили в покрытие, нанесенное плазменной струей.

Анализ теоретических данных по кристаллическим изменениям структуры в физике твердого тела показывает, насколько сложен процесс. Нет достоверно проверенных теорий о воздействии акустических колебаний с различными параметрами, поэтому для определения получаемых структур необходимо провести экспериментальные исследования с использованием приборов рентгено-спектрального анализа, оже-спектроскопии и др.

Применение ультразвуковой обработки показало возможность получения не только аморфизированных, но и кристаллических структур с различной грануляцией. Благодаря разработке современного ультразвукового оборудования с новыми характеристиками

2

МЕ

[АПШ

(интенсивностью, частотой, амплитудой) появилась возможность изменить свойства материала покрытия в пятне под плазмой и получить наноструктуры. При напылении порошков ПН85Ю15 с карбидом хрома и кремния нам удалось получить наноструктурирован-ные покрытия с частицами размером 10 нм. Эксперименты исследования наноструктур по рентгеноструктурному анализу (РСА) проводились в ФГУП «ЦНИИ «Прометей»», имеется соответствующий акт. Было определено, что на изменение структур влияет место ввода волновода. В зависимости от места ввода волновода в слой подплазменной струи получаются частицы различных размеров (от 10 нм до 500 нм (аморфизированной)).

Исследования свойств материалов при напылении порошка ПН85Ю15 с карбидами хрома и УЗО

На рис. 5 показан процесс нанесения покрытий. В пятно под плазмой на различных расстояниях от пятна вводился волновод. Из напыленных образцов были вырезаны образцы для рентгеноструктурного анализа, исследования металлографической структуры и три-ботехнических испытаний.

На рис. 6 приведена структура напыленного покрытия, не подвергавшегося ультразвуковой обработке. Видны отдельные зерна никеля, алюминия и карбидов хрома.

На рис. 7 представлена схема введения волновода при создании покрытий. Толщина первого слоя покрытия составляет 0,2 мм. На рис. 8 приведена дифрактограмма покрытия при введении волновода в пятно под плазменной струей по схеме (см. рис. 7, а).

Для рентгенографирования использовался дифрактометр ДРОН УМ2 (ОАО «НПП «Буре-

Рис. 5. Нанесение покрытий способом плазменного напыления

Рис. 6. Структура покрытия плазменного напыления механической смеси ПН85Ю15 с карбидом хрома

а) б) в) г) д)

Рис. 7. Схемы ввода индентора для цилиндрических деталей с ультразвуковым волноводом 1 под углом от пятна под плазмой: а — 15—20 б — 30-35°; в — 40-50°; г — 50-65°; д — 80-90°

Рис. 8. Дифрактограмма рентгеноструктурно-го анализа наноструктуры 10 нм

вестник»», Россия). Регистрация дифракционного спектра проводилась с помощью сцинтил-ляционного счетчика. Рентгеноструктурный анализ выполнялся в соответствии с методикой под названием Р1 99. Анализ показал наличие никель-алюминия два №А12 и карбида хрома СГ3С2 [5].

^100 $ 90

Ц80-

70 60 50 40 30 20 10

I

V

160 150 130 110 90 70 50~

Угол отражения, град

50

30

Рис. 9. Дифрактограмма рентгеноструктурно-го анализа по схеме (см. рис. 7, д)

а)

Н, СТ,

мкм МПа

15 -104

25 -93

40 -83

65 -76

100 -71

150 -69

250 -63

400 -47

650 -29

-150

- 0 +

1000 -30

б)

Н, ст, -50

мкм МПа

15

25 3 ш

40 4 шш

65 5

100 19

150 15

250 15

400 24

650 23

1000

Рис. 9. Напряженное состояние покрытия с ультразвуковой обработкой (а) и без нее (б):

Н — глубина поверхности, мкм; ст — напряжение, МПа

По расчетам уширения дифрактограммы было установлено, что при подаче волновода по схеме (см. рис. 7, а) в пятно под плазмой получены частицы размером 10 нм, о чем свидетельствует акт ФГУП «ЦНИИ «Прометей»». При подаче волновода в других положениях (см. рис. 7, б — д) получаются дифрактограммы, показывающие увеличение размеров частиц. При подаче волновода по схеме

Рис. 10. Микроструктура покрытия ПН85Ю15 с карбидом хрома, нанесенного по схеме (см. рис. 7, а) с УЗО

(см. рис. 7, г) получается аморфизированная структура с включением мелких частиц размером 50 нм (рис. 9).

На рис. 10 приведены графики сжимающих и растягивающих напряжений, исследованные на приборе «Ситон» (ЗАО «НПЦ «Контакт»» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский институт машиностроения»), которые определяют повышение усталостной прочности при введении волновода по схемам (см. рис. 7, а, г).

На рис. 11 приведена металлографическая структура, полученная на атомно-силовом микроскопе, показывающая наноструктурирова-ние покрытий при введении волновода по схеме (см. рис. 7, а). При исследовании триботехни-ческих характеристик покрытия, нанесенного с введением волновода по указанной схеме, было установлено уменьшение коэффициента трения, время испытания на машине СМЦ 2 (экспериментальный завод «Импульс», ООО «Точприбор», Россия) — 9 ч.

По теории Б. И. Костецкого [2], на взаимодействие мелкодисперсных структур влияют вторичные структуры, которые повышают их износостойкость. Данные табл. 1 показывают, что при напылении с введением волновода

Таблица 1

Триботехнические данные сопряженной пары ШХ 15

Материал основы Коэффициент трения Кт Время, ч Нагрузка схватывания, Рсх, кг

0,073 1 50

ПН55 Т45 0,066 1 50

(без УЗО) 0,078 2 50

0,102 9 50

ПН55Т45+УЗО (по схеме 1) 0,066 0,062 0,053 1 2 9 300 300 300

Таблица 2

Триботехнические характеристики порошка ПН85Ю15 с антифрикционным сплавом А020

Характеристика Схема Без ультра-

1 3 5 звуковой обработки

Коэффициент 0,020 0,064 0,050 0,080

трения Кт

Нагрузка 200 180 250 150

схватывания Рсх, кг

Напряжение, МПА -200 +200 -250 +10

Износ, мм 0,001 0,020 0010 0,030

Износ сопряженной 0,010 0,001 0,010 0,020

пары, мм

повышается износостойкость детали с течением времени. В табл. 2 приведены данные три-ботехнических испытаний с сопряженной парой антифрикционного сплава АО20.

Выводы

Данные исследований показывают возможность создания наноструктурированых покрытий на деталях крупногабаритных и среднега-баритных механизмов, которые обеспечивают повышенную износостойкость и экономическую эффективность.

При введении определенных конструкций волновода с частотой 22 КГц и амплитудой 30 мкм были получены данные, определяющие размеры структур 10-20 нм. Выявленные три-ботехнические характеристики показывают

отсутствие нагрузки схватывания сопряженной пары до 300 кг. Зафиксировано повышение коррозионной стойкости покрытий ПН85Ю15 и никель-титана. Определенная структура покрытий с частицами размером 10 нм позволит повысить износостойкость при трении и повысить усталостную прочность при скручивании механизмов.

Литература

1. Марков А. А. Измерение работы выхода электрона при трении // Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. М.: Наука, 1973. С. 28-34.

2. Костецкий Б. И. Трение и износ в машинах. Киев: Наука, 1972. 395 с.

3. Бак л и Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. М.: Машиностроение, 1986. 359 с.

4. Хмелевская В. Б., Петров В. М., Мяконьков М. Б. Технологические процессы. СПб.: СПГУВК, 2010. 192 с.

5. Руднева В. В. Совершенствование плазмоме-таллургической технологии производства нанопо-рошков карбида кремния: Дис. ... д-ра техн. наук. М., 2009.

6. Сулима В. В. Поверхностные слои свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1998.

7. Физическая акустика: В 4 т./Под ред. У. М. Мэ-зона. М.: Мир, 1989.

8. Костин П. П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1999. 256 с.