CC BY
41
50 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №3 (4), 2016 УДК 621.762
ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ КЛАПАНОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, МЕТОДОМ НАНЕСЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНОГО, ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ
(TiAlSi)N Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: [email protected]) Николаев Александр Игоревич, аспирант Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия (e-mail: [email protected])
В данной работе предлагается нанесение наноструктурного, ионно-плазменного покрытия (TiAlSi)N на ножку клапана двигателя внутреннего сгорания. Проведено исследование структуры, механических и трибо-технических свойств данного покрытия. После сравнительного анализа с покрытием TiN, были предложены оптимальные технологические параметры для нанесения наноструктурного покрытия (TiAlSi)N.
Ключевые слова: свойства покрытий, ионно-плазменные покрытия, износостойкость, плазменные технологии, упрочнение клапана.
С целью повышения износостойкости и улучшения товарного вида на предприятиях автопрома поверхность клапанов подвергается химико-термической обработке методом карбонитрации.
Данный комплексный процесс представляет собой низкотемпературную жидкостную обработку изделий в безцианистых солях, заключающийся в диффузионном насыщении поверхности обрабатываемых изделий атомами азота и углерода, нейтрализации солей карбонитрирования и придания обрабатываемой поверхности товарного вида.
Данная технология имеет ряд существенных недостатков:
1. Карбрнитрация- относится к первой категории вредности производства.
2. При нагревании солей в открытых ваннах выделяются вредные вещества, в т.ч., аммиак-требуется мощная система вентиляции.
3. Хранение солей осуществляется в специальной таре, в специальном помещении.
4. Отходы необходимо сдавать на утилизацию.
5. Участок занимает много производственных площадей.
6. Требуется наличие химической лаборатории.
7. Одна из главных поверхностей клапана подверженная износу, рабочая фаска- освобождается от следов карбонитрации путем 2-х шлифовок.
8. Не устраняется возможность образования трещин и нагара на головке клапанов т.к. поверхность покрывается не полностью.
9. Внешний вид клапана после карбонитрации «плавающий» от темно-серого до черного цвета.
10. Необходимость антикоррозионной обработки поверхности клапана.
11. Твердость карбонитрированного слоя составляет НВ 209-303 при толщине слоя 8-10 мкм.
Нами предлагается технология плазменного нанесения нитрида титана алюминия кремния на рабочие поверхности клапана, который обладает жаропрочными, износостойкими и антикоррозионными свойствами, что позволяет в комплексе решить все выше перечисленные проблемы по существующему тех процессу.
Нанесение износостойких наноструктурных покрытий дает благоприятное сочетание вязкой сердцевины и твердости поверхностного слоя клапана, способного выдерживать температуру без структурного изменения.
Рисунок 1. Катод ТЮ0,5-50(ТЬ,4 АЪ,6 -2081) полученный методом
СВС прессованием
Покрытие (Т1А1Б1)К было получено из катода, изготовленного одним из методов порошковой металлургии - СВС-прессованием. Катоды электродуговых испарителей, охлаждаются водой и имеют сложную форму. Методом СВС-прессования невозможно получить высокоплотный катод требуемой формы. Поэтому в настоящее время из СВС-материалов изготавливаются фрагменты простой формы в виде пластин, которые механически или пайкой крепятся к специальной водоохлаждаемой державке при ваку-умно-дуговом напылении . При этом механическое крепление не обеспечивает эффективного охлаждения катода, а для соединения пайкой материалов на основе тугоплавких соединений, необходимо применять специальные дорогостоящие припои, а также специальное оборудование и энер-
гозатраты на нагрев соединяемых деталей. В этой связи желательно осуществить соединение продуктов СВС с водоохлаждаемым элементом в одну стадию непосредственно при синтезе катодного материала.
Для определение оптимальных технологических параметров, было нанесено экспериментальное покрытие (Т1Л1Б1)К на сплав 40Х10С2М, которая применяется для изготовления клапанов авиадвигателей, автомобильных и тракторных дизельных двигателей, крепежных деталей двигателей. Сталь жаростойкая и жаропрочная мартенситного класса. Образцы были исследованы на кол-во содержания капельной фазы на поверхности покрытия, определены параметры толщины и микротвердости.
Представленные на рис. 1 фотографии структуры поверхностей покрытий Т1К и (Т Л1 К, полученых с растрового электронного микроскопа 1ео1 1БМ-6390Л. Характерным преимуществом многокомпонентного покрытия является то, что отсутствует либо в меньшем количестве присутствует капельная фаза в виде чистого титана - аП [1].
а) . б)
Рисунок 3. а) Структура поверхности покрытия Т1К где а-Т = 10-20%
от площади поверхности б) Структура поверхности покрытия (Т Л1 где а-Т = 2%
от площади поверхности
Сравнение толщины покрытий Т1К и (Т Л1 проводилось на растровом электронном микроскопе 1ео1 1БМ-6390Л. По результатам исследования снимков установлено, что толщина покрытия Т1К составляет 3,5~5 мкм, в то время как покрытие (Т Л1 имеет толщину 1~2 мкм.
а) б)
Рисунок 4. а) Толщина покрытия (Ti Al Si)N = 1,49мкм б)Толщина покрытия TiN = 3,44 мкм
Следует отметить, что главным недостатком метода КИБ является капельная фаза, так как разрушение покрытий происходит на ее границе. Капельная фаза является чистым титаном который мягче основного покрытия. В покрытии (TiAlSi)N содержание капельной фазы примерно 1-2% , а капельная фаза TiN составляет до 30% площади покрытия, это обусловлено повышением температуры испарения материала СВС-прессованного катода[1].
Определенны значения нанотвердости и модуля упругости (рис.1) с помощью нанотвердомера Agilent Technologies G200 Nano Indenter (США).
Нанотвердость покрытий практически одинакова, это означает что износостойкость покрытия (Ti Al Si)N не будет уступать покрытию TiN. В ходе исследования был определен интегральный параметр качества (К) покрытий методом анодно-поляризационного инициирования дефектов (методом АПИД). Метод АПИД является формой испытания, которое включает в себя нагружение, моделирующее механические нагрузки на покрытия в процессе эксплуатации и регистрацию реакции покрытия на данное нагру-жение. В данном методе для возбуждения в покрытии механических напряжений использованы электрострикционные свойства существующей на поверхности покрытия окисной пленки.
б)
Рисунок 5. Зависимости величины нанотвердости Н (а) и модуля упругости Е (б) от глубины индентирования для покрытия (Т1 А1 Б1)К
Таблица!. Конечные результаты сравнительного анализа.
Катод Получаемое покрытие АПИД Твердость Н, ГПа Модуль упругости Е, ГПа Толщина слоя, мкм
К
ВТ1-00 ™ 0,7 26-33 480 3,44 -4,56
Т1С0,5-50(ТЮ,4 А10,6 -2081) (Т1А1Б1)К 0,5 26-34 380 1 - 1,7
На основе полученных результатов были определены оптимальные параметры по нанесению износостойких покрытий на автомобильные клапана Ваз. Параметры представлены в таблицах 2,3,4.
Таблица 2. Низкотемпературная очистка модулем «Поток»
и разряда (В) I накала (А) Р давление аргона (Па)
189 22,5 Раг=39*10"3
I разряда (А) I электромагнита (А) Хвремя процесса (мин)
1,15 3,29 10
аблица 3. Ионная очистка
I дуги (А) и подложки (В) Хвремя процесса (мин)
140 900 8
I фокусирующий (А) I ионный (А) Т температура изделия °С
0,4 1 500
I стабилизирующий (А) Р остаточное давление в камере (Па)
3 6,6* Ю-3
Таблица 4. Конденсация покрытия (Т1 А1
!дуги (А) и подложки (В) Хвремя процесса (мин)
140 120 20
I фокусирующий (А) I ионный (А) Т температура изделия °С
0,4 0,5 500
I стабилизирующий (А) Р давление азота в камере (Па)
3 66,6*
Для оценки триботехнических характеристик проведены испытания на сухое трение на трибометре У1А. По схеме торцевого трения вращения, при нагрузке 24 кгс, контр тело из стали 40Х (после т.о. ИЯС = 60) контактная площадь Бк=6,28 мм .
■ б)
Рисунок 6. а) образец на испытательном стенде трибометра У1А б) схема
контр тела.
Процесс изнашивания проводили на воздухе в условиях сухого скольжения со скоростью 1400 об/мин. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием программы «Power-Graph».
Результаты испытаний покрытий на износостойкость приведены на рисунках 7, 8.
у \
i £ r-j •
5« ~
f
ES
L
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-
0:00:00 0:01:« 0:03:20 0:05:00 0:06:« 0:08:20 0:10
Рисунок 7. Эпюра испытания образца с покрытием Т1К и фотография поверхности образца после испытания
■г? _
•Т"
'"Ч-^г^
0:00:00
0:01:40
0:03:20
0:05:00
Т-1—г
0:06:40
0:08:20
0:10:00
Рисунок 8. Эпюра испытания образца с покрытием (Т1А1Б1)К и фотография
поверхности образца после испытания
К основным свойствам покрытия, определяющих его главные функции в процессе трения, относятся износостойкость и коэффициент трения. Были выполнены сравнительные исследования трибологических свойств СВС-прессованных катодов, и покрытия Т1К.
Экспериментально определяли коэффициент трения /р, скорость износа покрытий у определялась по формуле :
У
Ерп
Где Ни - толщина покрытия; ¿рп - время работы покрытия до появления первых очагов износа; ки - коэффициент износа [2].
Результаты экспериментальных данных трибологических свойств покрытий приведены в таблице 1.
Таблица 5.
Покрытие Толщина (мкм) Сила трения (Сред. ) (Н) Нормальная нагрузка (кгс) Коэф. трения (сред) Коэф. износа Скорость износа мкм/м время работы до разрушения (сек)
3,1 7,84 23 0,34 1 0,51 360
(Т1А1Б1)К 2 8,2 26,2 0,31 0,4 0,08 572
Сравнение приведенных результатов показывает, что наибольшей износостойкостью обладает покрытие, полученное из СВС-прессованного катода состава Т1С0,5-20%А1-10%81. Это покрытие характеризуются наименьшим измеряемым значением износа. В целом время работы многокомпонентного покрытия до появления первых очагов износа в 1,8 раза больше, чем для покрытия Т1К . Среди рассматриваемых покрытий , покрытие из СВС - прессованного катода Т1Со,5-20%А1-10%Б1 характеризуется наилучшим сочетанием механических свойств. Следует отметить что
покрытие (TiAlSi)N обладает более совершенной структурой из за отсутствия капельной фазы (в 3-5 раза меньше чем у покрытия TiN), которая служит очагом разрушения. Соответственно это покрытие имеет максимальную износостойкость [2].
Список использованных источников
1. Сравнительный анализ покрытия (TiAlSi)N полученное методом конденсации ионной бомбардировкой из многокомпонентного СВС - прессованного катода. [Текст] / В.Н. Лавро, А.И. Николаев // Высокие технологии в машиностроении: материалы Всероссийской научно-технической интернет-конференции - Самара: Самар. гос. техн. унт, 2015., 2015.
2. Исследование триботехнических свойств ионно-плазменных покрытий TiN, (TiAl)N, (TiAlSi)N [Текст] / В.Н. Лавро, А.И. Николаев, Э.М. Шайхутдинова, ЕВ. Романова // Журнал : «Современные материалы, техника и технологии» научно-практический журнал № 2 (5) 2016 года - Курск : Юго Западный гос. ун-т., 2016
Lavro Viktor Nikolaevich, associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Nikolaev Alexander Igorevich, graduate student (e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia STRENGTHENING TECHNOLOGY VALVES INTERNAL COMBASTION ENGINES, THE APPLICATION METHOD OF NANOSTRUCTURED, ION-PLASMA COATINGS (TiAlSi) N
Abstract. In this paper, we propose the application of nanostructured, ionplasma coating (TiAlSi) N on the foot valve of the internal combustion engine. A study of the structure, mechanical and tribological properties of the coatings. After a comparative analysis of the coated TiN, optimal technological parameters for the application of nanostructured coatings have been proposed (TiAlSi) N.
Keywords: properties of coatings, ion-plasma coatings, wear resistance, plasma technology, hardening valve.
