Применение современных нанопокрытий в горном машиностроении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

----------------------------- © М.С. Островский, М.В. Алексеев,

2011

М. ^ Островский, М.В. Алексеев

ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ НАНОПОКРЫТИЙ В ГОРНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Рассмотрена возможность применения современных нанопокрытий в деталях и механизмах горной техники. Предложен экспресс метод оценки фреттин-гостойкости при широких возможностях моделирования условий испытаний. Ключевые слова: фреттинг, покрытия, экспресс метод контроля качества противоизносных покрытий.

Ловышение долговечности деталей машин и механизмов является одной из первоочередных задач горного машиностроения, где условия эксплуатации характеризуются наиболее высокими динамическими нагрузками.

При этом мы исходим из того, что более глубокое изучение триботехнических процессов, происходящих в лимитирующих элементах машин, и управление этими процессами являются большим резервом повышения ресурса и эффективности использования техники.

Как правило, наиболее уязвимыми элементами в функционировании любых машин являются места сопряжений ее деталей. В случае горной техники узлы трения и фрикционные соединения находятся в особо тяжелых условиях. Именно в этих местах и предлагается в первую очередь искать причины тех деградацион-ных процессов, которые нередко и приводят к полному выходу из строя всей сложной техники. Наиболее пагубное воздействие на пары трения оказывает фреттинг. Именно этот процесс нуждается в более тщательном изучении и прогнозировании.

Повышенная интенсивность износа деталей наблюдаемая в горных машинах, как показывает опыт, обусловлена воздействием вибрации на трибосопряжения. Возникающие при этом знакопеременные малые микроперемещения (с амплитудой от нескольких до десятков мкм) вызывают снижение прочностных свойств поверхностных слоев. Такой процесс носит название фреттинг, который и является одной из главных первопричин

Рис. 1. Пример фреттинга на оси шарнирного соединения.

отказа узлов и механизмов горного оборудования. В технике фреттинг встречается в таких элементах как внутренняя и наружная посадочные поверхности подшипников, посадочные шейки на валах (рис. 1) и элементы гидравлики (золотники и клапаны). [1].

Механизм фреттинга (рис. 2) можно представить при контактном взаимодействии 2-х поверхностей нижняя из которых неподвижна, а верхняя прижата усилием Q. К верхнему образцу так же приложена тангенциальная периодическая сила частотой ю, которая вызывает малые микропроскальзывания с амплитудой от нескольких до десятков мкм.

При таком взаимодействии наблюдаются интенсивные разрушения поверхностных слоев. Такое разрушение как показывают наши исследования и исследования других авторов обусловлено следующими процессами:

1. Пластическое течение, сопровождаемое наклепом отдельных зон области контакта.

2. Микросхватывания, сопровождаемые вырывами, возникающими в отдельных местах где нарушена сплошность защитных оксидных слоев.

3. Усталостные процессы, возникающие вследствие переде-формирования отдельных участков микро выступов в условиях циклических нагрузок.

4. Абразивное действие запертых в зоне контакта продуктов разрушения.

Рис. 2. Механизм фреттинга

Все названные физико-химические процессы активируют взаимодействие с окислительной средой. В результате всего этого фреттинг имеет особый характер проявления, отличный от того, что наблюдается при обычных видах износа так и при атмосферной коррозии.

Снизить вредоносный эффект от фреттинга и тем самым продлить ресурс механизма - те задачи которые предлагается решать путем нанесения современных триботехнических покрытий.

Состав и свойства износостойких покрытий в значительной степени зависят от техники и технологии их нанесения. Методы нанесения путем осаждения делятся на две большие группы: физические (ФОП, или PVD) и химические (ХОП, или CVD) (рис. 3). Внутри этих двух основных групп существует довольно большое количество разновидностей.

Метод PVD (physical vapour deposition).

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяется методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD происходит при не высокой температуре (до 450°С), что не приводит к практическим ограничениям по материалам, на которые наносится покрытие. Все процессы PVD происходят в

TIN

Ti(C.N)

<Ti,AI)N

fn,AI)(0,N)

MoS2

wcyc

10=

10*

{Ti2rXC.N)

(Ti.Hf)(C.N)

Hf(C,N}

Zr(C.N)

Ti{C,N)

? з—[ | MT-CVD CVD \

1 \

PCVD \

PVD !

600 800 1000 Seschichtungstemperatur f C] *

А1г0у2г0/П0х

TiC

TiN

Ti(CN)

AUO,

1200

Рис. 3. Методы нанесения покрытий, материалы слоёв и условия осаждения

вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10А-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц.

Одними из основных факторов, определяющих качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов, необходимый уровень вакуума и чистота реакционного газа.

Все процессы нанесения покрытий методом физического осаждения можно разделить на две большие группы: процессы, использующие испарение, и процессы, использующие распыление.

При использовании дугового испарения зажигается электрическая дуга (рис. 4). В англоязычной литературе этот метод носит название AIP (Arc Ion Plating — дуговое ионное осаждение). После зажигания дуги ее перемещение по поверхности мишени, установленной в медном охлаждаемом катоде, управляется с помощью системы магнитов.

Рис. 4. Дуговое испарение

Рис. 5. Магнетронное распыление

Катод устанавливается вертикально на стенки камеры и к нему подводится отрицательное напряжение. В момент розжига дуги на поверхности мишени возникает местный расплав. Начинается испарение металла мишени. Однако при испарении вместе с ионами материала ускоряются и неионизированные частицы металла (кап-

ли), которые также осаждаются на поверхности изделия. Наличие этой капельной фазы является основным недостатком дугового метода, так как капли ухудшают качество поверхности инструмента после покрытия. В ходе испытаний вредные последствия данного недостатка сводились к минимуму при помощи системы затворов, предохраняющих изделие на первом этапе процесса нанесения.

На дуговых установках наносились нанокомпозитные (состоящие из нескольких металлов) и наномногослойные покрытия, а так же специальные трибологические покрытия. Для этого применялись различные мишени.

Из установок, использующих метод распыления, наибольшее применение находят установки на основе магнетронов (в английском языке MSIP — Magnetron Sputtering Ion Plating — ионное осаждение магнетронным распылением). При приложении высокого напряжения в атмосфере инертного газа (как правило, аргона) возникает тлеющий разряд (рис. 5). Ионы инертного газа из плазмы, обладающие высокой энергией, ударяются в мишень, включенную как катод. За счет ударного импульса происходит высвобождение материала, он распыляется, минуя промежуточную жидкую фазу. [2].

Эти два вышеописанных способа нанесения предложены нами, исходя из относительной простоты внедрения в производственный процесс.

Твердые DLC покрытия решают трибологическую проблему с компонентами машин, которые могут быть покрыты при температуре 100-500 °C. Благодаря высокой твердости (до 36 ГПа), снижается абразивный износ. Это приводит к повышению надежности детали при “сухой” эксплуатации и, с точки зрения окружающей среды, наносит меньший вред чем смазочные вещества.

Отдельную группу покрытий составляют самосмазывающиеся покрытия. Это трибологические покрытия, создающие эффект смазывания даже в сухом состоянии. В результате сокращается поверхностное трение между деталями и связанное с ним выделение тепла.

Так же для нанесения на поверхности деталей в трибосопря-жениях машин мы использовали твёрдые самосмазывающие покрытия. Одним из основных преимуществ такого рода покрытия перед традиционным MoS2 является возможность их

CROMVIc1 ' 3 (jm СД базируется на градиентном слое (PECVD) аМКГС ■2 |jm Si ACiHi базируется на мультислоях; PECVD at <2flO*C

1 4

* Ю пт CrN базируется на адгезионном с лее; ■/D ^220'1С

Рис. 6. Пример структуры DLC покрытия

нанесения в том же цикле, что и основные покрытия. К ним относятся, среди прочих, покрытия на основе аморфного углерода (графита) и водосодержащие покрытия металл-углерод. [3].

Diamond-like carbon (DLC) - это алмазоподобная метастабиль-ная форма аморфного углерода, содержащая значительную долю sp3 связей. Имеет высокую твердость, химическую инертность, оптически гладкую поверхность и низкие фрикционные свойства.

Цели, преследуемые нами при нанесении DLC-покрытий: обеспечение сочетания свойств традиционных и нанокомпозитных покрытий (особенно с хорошей адгезией) с преимуществами DLC-покрытий (таких как очень гладкая поверхность и низкий коэффициент трения) (рис. 6.). Это достигается путем двойного осаждения покрытий (PVD и DLC-покрытия) в одной камере за один технологический цикл.

Применение DLC покрытий выгодно даже при единичном производстве для:

-деталей машин высокого качества, медицинских приборов, деталей авиакосмической промышленности.

-режущего инструмента для композитных материалов, а также штампов и пресс-форм

Характеристики DLC покрытий:

• двойное нанокомпозитное покрытие;

Рис. 7. Контроль адгезии. Высокая стойкость к царапанию

Рис. 8 Рис. 9

Примеры применения покрытий в машиностроении

• предельно высокая твёрдость;

• высокая стойкость к царапанию (рис. 7.);

• низкий коэффициент трения 0,06;

• возможность применения для деталей машин из высокопрочных материалов;

• малая шероховатость: Ra 0.1-0.03 мкм.

Выявленные и подтверждённые в ходе экспериментов свойства DLC покрытий способствуют широкому их применению в трибосопряжениях горных машин. (Рис. 8 - Рис.9)

В частности в ходе испытаний наиболее эффективно себя зарекомендовала структура, в которой алмазоподобное (DLC) покрытие наносилось на слой нанокомпозитного покрытия (рис. 6).

Такой симбиоз напылений привёл к значительному росту износостойкости при вибрациях по сравнению с другими покрытиями.

Многие трибосопряжения машин (особенно горных) имеют большие габариты, что затрудняет проведение испытаний непосредственно в рабочих условиях. В связи с этим возникает необходимость разработки экспресс метода оценки технических характеристик покрытий, как общего назначения так и триботехнических. Нами создана установка, которая позволяет проводить испытания покрытий при вибрациях (рис. 10). Даная установка, которая называна нами «Вибротрибометр» позволяет моделировать эффект фреттинга, который и является наиболее пагубным при работе механизмов.

Техническая характеристика прибора:

• Частота вибраций.........50 Гц

• Амплитуда вибраций.......10-30 мкм

• Контактные давления......1-60 МПа

• Потребляемая мощность.350 Вт

Рис. 13

Вид зон разрушения при фреттинге. Увеличение х10

- Рис. 14

Рис. 15. Профилограмма зоны разрушения при фретинге

В ходе испытаний на плоский образец с покрытием воздействуют сферическим индентером, к которому приложена нормальная и тангенциалная нагрузка. Таким образом индентеру задаются знакопеременные микроперемещения (вибрации) с нужной амплитудой. В результате взаимодействия соприкасающихся поверхностей на образце возникают разрушения поверхностного слоя. Изменяя амплитуду и частоту мы моделируем различные трибосо-пряжения машин, в том числе и горных.

В комплекс оборудования, применяемого для экспресс метода определения качества износостойких покрытий входят оптический микроскоп и профилометр. Данные приборы позволяют получить наиболее полную характеристику применяемому средству защиты от фреттинга.

Оптический микроскоп позволяет вести визуальный контроль характера разрушений, а так же производить измерения геометрических размеров пятен контакта (рис. 11 - рис. 14)

Исследования проводимые на профилометре позволили оценить глубину разрушений в зоне контакта при нанесении различных покрытий (рис. 15).

Комплексное исследование геометрических параметров зон разрушения, проведенное при помощи конфокального микроскопа дало возможность оценить преимущества фактора присутствия покрытия. Используя широкие возможности конфокального лазерного микроскопа получены 2D и 3D модели, которые являются весьма важным оценочным методом в ходе анализа полученных данных. Данные модели позволяют наглядно выявить все процессы протекания фреттинга, а так же оценить геометрические параметры разрушений.

ало

Рис. 18. Вид зоны разрушения при фреттинге с применением алмазоподобного покрытия

Рис. 20. Профилограмма зоны разрушения при фреттинге без применения покрытия

На 2D и 3D моделях представлено распределение глубины локальных повреждений пятен контакта. Рис. 16 и 17 соответствуют испытаниям без покрытия, а рис. 18 и 19 с алмазоподобным покрытием.

В ходе сравнительного анализа геометрических параметров зон разрушения было выявлено, что наличие покрытия увеличивает фрет-тингостойкость. На рис. 20 приведена профилограмма мест повреждения в зоне контакта без применения покрытия, а на рис. 21 с применением алмазоподобного покрытия.

Отметим, что два описанных выше опыта проводились при одинаковых условиях, а именно:

• Частота вибраций............50 Гц;

• Амплитуда вибраций..........10 мкм;

• Контактное давление.........60 МПа;

• Время испытания.............2 мин.

Таким образом, из приведенных выше рисунков видно, что глубина повреждений при фреттинге за счет применения алмазоподобных покрытий может быть уменьшена в 3.. .5 раз.

Применения алмазоподобных (DLC) покрытий является перспективным в деталях и механизмах горных машин, особенно для защиты от фреттинга.

Подбор вида покрытия, технологии и метода его нанесения может быть оперативно оценен при помощи предлагаемого нами вибрационного экспресс метода с последующим анализом зон разрушения с использованием конфокального лазерного микроскопа.

--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Островский М.С. Триботехнические основы обеспечения качества функционирования горных машин. Москва 1993 г.

2. Локтев Д.А. Методы нанесения износостойких покрытий и оборудование для их реализации. Журнал «Стружка» №4(7) 2004 г. с. 6-11

3. Локтев Д.А. Основные виды износостойких покрытий. Журнал «Стружка» №2(5) 2004 г. с. 22-26

4. S. Harris, A. Weiner, W. Meng. Tribology of metal-containing diamond-like carbon coatings. Журнал «Wear» выпуск 211. 1997 г. с. 208-216. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------

ОстровскийМ.^ - доктор технических наук, профессор,

Алексеев М.В. - студент,

Московский государственный горный университет, [email protected]