CC BY
22
УДК 629.4.027.434.002.2:621.785
Канд. техн. наук А. М. Пономаренко, М. В. Хандюк Черкаський державний технолопчний уыверситет, м. Черкаси
ТЕХНОЛОГ1Я ЗМ1ЦНЕННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОКРИТТЯМИ, СИНТЕЗОВАНИМИ З ГАЗОВО1 ФАЗИ
Основним напрямком пгдвищення показнитв надшностг технгчних систем е пгдвищення зносост1йкост1 швидкозношуваних деталей, яке може бути досягнуте шляхом застосування сучасних технологгчних процеав !х змщнення. Розглянуто основнг способи одержання змщнювальних покриттгв з газово! фази. Проаналгзована доцгльнгсть !х використання у ремонтному виробництвI АПК.
Ключовi слова: технгчнг системи, захисна плгвка, змщнювальнг покриття, газова фаза, хгмгчне осадження, адгезгя, еколог1чна чистота, твердI сплави, температура, теплова енерггя.
У ремонтному виробнищга широко застосовують-ся рiзнi способи змщнення, як можна подшити на 6 основних клаав [1]:
- змщнення з утворенням плiвки на поверхш;
- зi змшою хiмiчного складу поверхневого шару;
- зi змшою структури поверхневого шару;
- зi змiною енергетичного запасу поверхневого шару;
- зi змiною мжрогеометри поверхш та наклепом;
- зi змшою структури по вам обсягу мaтерiaлу
У свою чергу, змiцнення зi створенням плiвки на поверхнi можна одержати за допомогою:
а) хiмiчною реaкцieю;
б) осадженням з газово! фази ;
в) електролиичним (електрохiмiчним) осадженням (нанесенням);
г) напилюванням.
Характерною рисою одержання змiцнювaльних по-криттiв з парово! або газово! фази е пряме перетворен-ня електрично! або iншо! енергi! в енерпю технологiч-ного впливу, засновану на структурно-фазових пере-твореннях в обложеному на поверхнi конденсaтi або в самому поверхневому шaрi детaлi, розмщено! у ваку-умну до захвд (або в aтмосферi).
Основною перевагою цих методiв е можливiсть ство-рення досить високого рiвня фiзико-мехaнiчних власти-востей мaтерiaлiв у тонких поверхневих шарах, нане-сення щ№них покритв з тугоплавких хiмiчних сполук, також aлмaзоподiбних, як1 неможливо одержати тради-цiйними методами. Крiм того, щ методи дозволяють забезпечити:
- високу aдгезiю покриття до основи;
- рiвномiрнiсть покриття по товщинi на великш площi;
- високу чистоту поверхш покриття;
- еколопчну чистоту виробничого циклу .
Методи створення змiцнювaльних покриттiв за допомогою осадження вaкуумi (або в aтмосферi робочо-го газу) бувають фiзичними (комбiновaний метод ство-
рення змщнювальних покритв у вaкуумi - КМСЗПВ) i хiмiчними (хiмiчний метод створення змщнювальних покритв у вaкуумi - ХМСЗПВ) (рис. 1) [2]. Усередиш цих двох груп iснуе досить велика шльшсть способiв нанесення покритпв, зокрема комбiновaних або спо-собiв з пiдтримкою або aктивaцiею процесу вiд iнших джерел енергi!.
Як випливае iз назви використовуваних процеав (КМСЗПВ i ХМСЗПВ), вони засноваш на рiзних яви-щах. Кшцевий же результат i в тому та в iншому випад-ку - осадження з газово! фази мaтерiaлу покриття на основу Ш^внюючи цi два методи, слiд зазначити, що основною перевагою методiв ХМСЗПВ е бшьш про-стий споаб завантаження деталей у камеру, немае необ-хiдностi у тривалому багатостутнчастому очищеннi та дотримaннi високо! чистоти поверхш, так само немае необхщносп в обертанш детaлi при нанесенш покриття. Це роблять метод ХМСЗПВ екожмчно вигiдним при нанесенш покритв на бiльшi парти деталей. У свою чергу, нанесення КМСЗПВ-покритпв за допомогою дугового або тлшчого розряду (магнетрону) мае бiльшу продуктившсть i не наспльки чутливе до незнач-них ввдхилень технологiчних параме^в.
При фiзичному осaдженнi (фiзичний метод створення змiцнювaльних покритв у вакууш - ФМСЗПВ) ма-терiaл покриття переходить iз твердого стану в газову фазу в результат випару шд впливом теплово! енергi! або в результат розпилення за рахунок к1нетично! енерги зикнення часток мaтерiaлу. КМСЗПВ-процеси прово-дять у вaкуумi або в aтмосферi робочого газу при до-сить низькому тиску.
Метод хiмiчного осадження (МХО) практично не мае обмежень щодо хiмiчного складу покритпв. Усi присутнi частки можуть бути обложенi на поверхню мaтерiaлу Як1 покриття при цьому утворюються, зале-жить вiд комбiнaцi! мaтерiaлiв i пaрaметрiв процесу.
При використанш ХМСЗПВ-методу хiмiчнi реaкцi! вiдбувaються в безпосереднш близькостi або на поверхш оброблюваного мaтерiaлу. На вщмшу вiд про-
цеав КМСЗПВ, при яких твердi матерiали покриття переводиться в газоподiбну фазу випаром або розпилен-ням, при ХМСЗПВ-процесi в камеру для нанесення покриття подаеться сушш газiв. Для проткання необхвд-них хiмiчних реакцiй потрiбна температура до 1100 °С, що обмежуе число матерiалiв, на як1 можна нанести ХМСЗПВ-покриття (рис. 1), тому що минул! термiчну обробку матерiали втрачають у результатi вiдпуску
сво! властивосп.
Процеси ХМСЗПВ вiдбуваються при тисках 100...1000 Па. Покриття наноситься на всю поверхню виробу. Для одержання однакових властивостей усього покриття в обсязi робочо! камери (особливо великий) необхщно забезпечити оптимальнi потоки газу. 1з цiею метою застосовуються спецiальнi системи подання газу, так званий газовий душ. Установки ХМСЗПВ, як правило, мають достатньо велик! габарити. Для запобтання небезпечних викида газiв в атмосферу використовуеть-ся спещальна система фшьтр!в. Завдяки висок1й темпе-ратурi нанесення, що забезпечуе часткову дифузш ма-терiалу, що наноситься в основу, покриття ХМСЗПВ характеризуються кращою адгезiею пор!вняно з покрит-тями КМСЗПВ.
Для зниження шшдливого впливу температури на властивосп твердих сплавiв розроблений споаб н несен-ня покриття ХМСЗПВ при температурах близько 800 °С, який одержав назву середньотемпературного методу (МТ-ХМСЗПВ) (рис. 1).
га С
10
10"
з
10
10г 10' 10°
10 10
• ■
1 • стмсзпв ХМСЗПВ
1
КМСЗПВ.
• •
ФМСЗП|
400 600 800 1000
Температура нанесення покриття,4С
1200
Рис. 1. Параметры основних метод1в отримання покритпв з газово! фазово! фази у вакуум! (або в атмосфер! робочого газу)
КМСЗПВ i ХМСЗПВ-методи також в1др!зняються за виглядом внутршшх напружень у шарi покриття, що наноситься. При методi КМСЗПВ переважають стис-кальнi напруги, а при метода ХМСЗПВ - розтягувальш.
Нещодавно був розроблений ще один р!зновид методу ХМСЗПВ, що дозволив знизити температуру нанесення покриття практично до температур, викорис-товуваних у КМСЗПВ-методi [2], що одержала назву Р-ХМСЗПВ (рис. 2).
Практично метод являе собою комбшацш двох основних метода, осюльки нанесення покритв ХМСЗПВ-методом вщбуваеться в середовищi плазми (як при КМСЗПВ). Також в шоземнш лiтературi застосовують позначення РА-ХМСЗПВ (активоваш плазмою ХМСЗПВ-процеси) i РЕ- ХМСЗПВ (посилений плазмою ХМСЗПВ).
Для початку х!м!чних реакцiй при цьому методi ви-користовуеться не висока температура, а плазма в ро-бочш камерi. Плазма мае каталиичний вплив i концен-труе енерпю. У результатi процеси можуть протiкати при бшьш низьких температурах. За допомогою Р-ХМСЗПВ-методу, залежно в!д шдведеного газу, можна наносити карбiднi, ттридш та карбонiтриднi покриття при температурах 400-500 °С. Пор!вняно з отрима-ними за методом КМСЗПВ, щ покриття мають кращу адгезiю та меншi внутршш напруження. Кр!м того, вiдпадае необхщшсть в особливому розташуваннi ви-роб!в для одержання р!вном!рного покриття. Однак метод Р-ХМСЗПВ поки не одержав широкого поши-рення.
Процес низькотемпературного газофазного синтезу плазмохiмiчних покритв (ПХП) - це один з метода, розроблених останшм часом, здатний багаторазово тдвищити довгов!чшсть деталей, що зношуються, з ви-користанням малогабаритного легко переналагод-жуваного устаткування, що працюе при атмосферному тиску, на вщм!ну в!д способ!в КМСЗПВ i ХМСЗПВ, здшснюваних у вакуумних камерах. Сутшсть процесу полягае в тому, що легко леткш органiчнi речовини, яш подаються в плазму, утворюють р!зного роду х!м!чш сполуки, як1 конденсуються на оброблюванш поверхнi у вигляд! тонких пл1вок, що формують покриття.
Рис. 2. Схема установки для нанесення покритпв методом Р-ХМСЗПВ
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2017
63
Цшь ПХП - багаторазове збiльшення стомлюваних властивостей, Icорозiйноï стiйкосгi, жароспйкосп, анти-схоплювання, фретинг-стiйкосгi, що забезпечуе шдви-щення експлуатацшних властивостей деталей.
Найбшьш прогресивним способом нанесення ПХП е фiнiшне плазмове змiцнення ( ФПЗ).
Способом ФПЗ наносять зносостшке покриття, тов-щиною до 3.10 мкм у безвакуумному просторi при атмосферному тиску [5]. При цьому змiцнення деталей машин вiдбуваеться при 1'хнш температурi в процесi обробки порядку 100...200 °С. ФПЗ можна проводити з нанесенням зносостiйкого покриття та з одночасним повторним загартуванням пiдплiвкового шару або без нього. Вщмшною рисою ФПЗ е можливють нанесення зносостiйкого покриття без значного термiчного впли-ву на основний матерiал деталi.
Основним принципом, взятим за основу технологи ФПЗ, е розкладання пар рвдких хiмiчних реагенпв, що вводяться в дуговий плазмотрон, з подальшим проход-женням плазмохiмiчних реакцiй i утворенням на поверхш детал1 змiцнювального покриття.
Процес протжае в калька стад1й [6]:
- створення спйкого потоку плазми дугового розря-ду з використанням у якостi плазмоутворюючого газу аргону та плазмотрону непрямо! дiï;
- випаровування редких хiмiчних реагентiв в обсязi спецiального живильника та перенесения 1'х разом з додатковим потоком шертного газу в утворену рашше плазму дугового розряду;
- одержання в дуговому каналi плазмотрону непрямо! дiï паро-плазмового потоку утримуючого збудженi атоми, молекули, радикали, позитивно та негативно за-рядженi юни, електрони, кластери;
- проходження плазмохiмiчних реакцiй компонентiв парово1 фази у плазмi дугового розряду з утворенням нових з'еднань i перенесення продукпв реакцiй плаз-мовим струменем до поверхш деталц
- конденсацiя продукпв реакцш на поверхнi детал1 з одночасним тепловим впливом на не1 факела плазмо-вого струменя;
- проходження взаемодп м1ж адсорбованими обло-женими продуктами реакцiй на шдложщ росту, що при-зводить до зародження покриття.
Протiкання процесу ФПЗ нагадуе основнi стадiï фiзичного осадження покритпв з парово1 фази ( методи КМСЗПВ). Але, на ввдм^ ввд вiдомих процесiв КМСЗПВ, цей метод змщнення дозволяе реалiзовувати ва стадiï утворення покриття при атмосферному тиску, без вакуумних камер. Крiм того, покриття, нанесенi методом КМСЗПВ, при ïхньому осадженнi на низько-температурну основу з температурою менш 250 °С зви-чайно мають низьку адгезш [6].
Як джерело теплово1' енергiï для нанесення покриття при ФПЗ використовуеться плазмовий струмшь, що минае при атмосферному тиску з малогабаритного дугового плазмотрону ( рис. 3).
Рис. 3. Схема плазмотрону для ФПЗ. Гази: ПГ - плазмоутворювальний, ТГ - транспортувальний, ДГ - додатковий, П - реагенти змщнення
Ефекгившсть ФПЗ заснована на шдвищенш ресурсу деталей мшмум у два рази [5, 6], що досягаеться за рахунок утворення дiелекгpичного, xiMi4HO iHeprHoro захисного покриття з одночасною змшою фiзико-меха-нiчних властивостей поверхневого шару деталц збшьшенням И мшротвердосп (як правило, в 1,5-2 рази), значного зменшення коефiцiенгу тертя, виpiвнювання мiкpодефекгiв.
Висновки
1. Устаткування ХМСЗПВ i КМСЗПВ дороге, техшч-но складне, стацюнарне i мае велик габаpитнi pозмipи. У низцi випадшв на цьому устаткуваннi недоцiльне змщнення дабних партш виpобiв.
2. Технологи ХМСЗПВ i КМСЗПВ досить складш та передбачають як1сне багатоступеневе очищения та подготовку повеpхнi, використання дорогих високочис-тих хiмiчних pеакгивiв (ТЮи, NH3 i т. д.) i пpецизiйних дозатоpiв хiмiчних pеагеитiв, точний контроль продукпв хiмiчних pеакцiй у робочш камеpi та т. п.
3. Устаткування для ФПЗ мютить у собi переносний блок апаратури з дозатором-випарником pеагентiв i малогабаритним плазмотроном, водяну систему охо-лодження та балон iз плазмоутворювальним газом -аргоном, витяжку. Як джерело живлення може викори-стовуватися сершний зварювальний випрямляч.
4. Технологiчний процес ФПЗ мютить у собi опе-рацп очищення (знежирення) повеpхнi деталi та безпо-середньо! li обробки вщкритою плазмою, на вщмшу ввд ХМСЗПВ та КМСЗПВ не у вакуум^ а на вiдкpитому повирг Тpивалiсть обробки деталей не перевищуе де-к1лькох хвилин. Температура на^вання деталей при цьому не б№ше 200 °С, геомегpiя повеpхиi та парамет-ри шорсткосп не змшюкггься. Вимоги безпеки при ФПЗ не накладають обмежень для його широкого викорис-таиия та визначаються застосуванням витяжок i зварю-вальних джерел живлення.
5. Технологи ХМСЗПВ ! КМСЗПВ використовують-ся в основному в багатосершному ! масовому вироб-нищга р!зального шструменту та деталей машин для !хнього змщнення. У ремонтному виробнищга АПК, на наш погляд, щ технолог!!, у бшьшосп випадюв, вико-ристовувати недоречно.
6. Для ремонтного виробництва АПК найбшьш прийнятним з можливих способ!в одержання змщню-вальних покритв осадженням з газово!' фази, е фшшне плазмове змщнення або аналопчний споаб одержання плазмох!м!чних покритв.
Список лтератури
1. Тушинский Л. Н. Теория и технология упрочнения металлических сплавов / Тушинский Л. Н. - Минск : Наука, 2004.
2. Локтев Д. Методы и оборудование для нанесения износостойких покрытий / Локтев Д. // Наноиндустрия. Научно-технический журнал. - 2014. - № 4. - С. 18-26.
3. Козырева Л. В. Повышение надежности поворотных опор навозоуборочных транспортеров ТСН-160А композици-
4. Чупятов Н. Н. Технология восстановления и упрочнения деталей шестеренных насосов НШ-50У ХМСЗПВ-методом металлоорганических соединений : автореф. дисс. на соискание научн. степени канд. техн. наук : 05.20.03 / Н. Н. Чупятов. - М., 2008. - 16 с.
5. Тополянский П. А. Финишное плазменное упрочнение инструмент и оснастки - итоги исследований и внедрений / Тополянский П. А. // Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы
6-й Международной практической конференции-выставки 13-16 апреля 2010 г. - г. Санкт-Петербург. - 2010. -С. 232-257.
6. Тополянский П. А. Исследование адгезионных свойств и механизма образования покрытия, наносимого методом финишного плазменного упрочнения / Тополянс-кий П. А. // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмент и технологической оснастки // Материалы
7-й Международной практической конференции-выставки 12-15 апреля 2010 г. - г. Санкт-Петербург : Изд. СПбГПУ, 2005. - С. 316-333.
онными материалами / Козырева Л. В. - М., 2014. - 26 с. ОдерЖано 18.12.2017
Пономаренко А.М., Хандюк Н.В. Технология упрочнения деталей машин покрытиями, синтезированными из газовой фазы
Основным направлением повышения показателей надежности технических систем есть повышение износоустойчивости быстроизнашивающихся деталей, которое может быть достигнуто путем применения современных технологических процессов их укрепления. Рассмотрены основные способы получения упрочняющих покрытий из газовой фазы. Проанализирована целесообразность их использования в ремонтном производстве АПК.
Ключевые слова: технические системы, защитная пленка, упрочняющие покрытия, газовая фаза, химическое осаждение, адгезия, экологическая чистота, твердые сплавы, температура, тепловая энергия.
Ponomarenko A., Handuk N. Technology for hardening machine parts with coatings synthesized from the gas phase
The basic direction of increase of indicators of reliability of technical systems is to increase the wear resistance of wearing parts, which can be achieved through the application of modern technological processes of hardening. The main methods of obtaining a hardening coatings from the gas phase are described.
Key words: technical systems, protective film, hard coating, gas phase, chemical vapor deposition, adhesion, environmental friendliness, hard alloys, temperature, thermal energy.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2017 65
