Упрочнение деталей машин покрытиями, синтезированными из газовой среды Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.4.027.434.002.2:621.785

А.Н. Батищев, доктор технических н аук, профессор A.B. Ферябков, кандид ат технических н аук, доцент Г.В. Шевченко, инженер Российский госуд арственный агр арный з аочный университет

УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОКРЫТИЯМИ, СИНТЕЗИРОВАННЫМИ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Основным направлением повышения показателей надежности технических систем является повышение износостойкости быстроизнашивающихся деталей, которое может быть достигнуто путем применения современных технологических

процессов их упрочнения.

В данной статье рассмотрены основные способы получения упрочняющих покрытий из газовой фазы и проанализирована целесообразность их использования в ремонтном производстве АПК.

В ремонтном производстве широко применяются различные способы упрочнения, которые можно подр азделить н а 6 основных кл ассов [1]:

1.упрочнение с обр азованием пленки на поверхности;

2. с изменением химического состав а поверхностного слоя;

3.с изменением структуры поверхностного слоя;

4. с изменением энергетического з апаса

поверхностного слоя;

5. с изменением микрогеометрии поверхности и н клепом;

6.с изменением структуры по всему объему м тери л .

В свою очередь, упрочнение с созд нием пленки на поверхности, можно получить с помощью:

а) химической ре акции;

б) ос аждением из газовой ф азы;

в) электролитическим (электрохимическим)

ос аждением (н анесением);

г) н пылением.

Характерной чертой получения упрочняющих покрытий из п ровой или г зовой ф зы является прямое преобр зов ние электрической или иной энергии в энергию технологического воздействия, основ нную н структурно-фазовых превр ащениях в осажденном на поверхности конденс те или в с мом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру (или в тмосфере).

Основным достоинством данных методов является возможность созд ния весьм высокого уровня физико-мех нических свойств м тери лов в тонких поверхностных слоях, н несение плотных покрытий из тугопл вких химических соединений, т кже

лм зоподобных, которые невозможно получить традиционными методами. Кроме того, эти методы позволяют обеспечить:

• высокую адгезию покрытия к основе;

• р авномерность покрытия по толщине на большой площ ди;

• высокую чистоту поверхности покрытия;

• экологическую чистоту производственного

цикл .

Методы создания упрочняющих покрытий посредством ос ждения в в кууме (или в тмосфере рабочего газа) бывают физическими (РУБ) и химическими (СУБ) (рис. 1) [2]. Внутри этих двух групп существует дост точно большое число способов н несения покрытий, в том числе комбиниров нных или способов с поддержкой или ктив цией процесс от других источников энергии.

К к следует из н зв ния используемых процессов (РУБ и СУБ), они основаны на различных, по сути, явлениях. Конечный же результ т и в том и в другом случ ае - осаждение из газовой фазы материала покрытия на основу. Ср авнив ая эти дв а метод а, следует отметить, что основным преимуществом методов СУБ является более прост я технология: более прост я з грузк дет лей в к меру, нет необходимости в долговременной многоступенч той очистке и соблюдении высокой чистоты поверхности, т к же нет необходимости во вр щении дет ли при н несении покрытия. Это делают метод СУБ экономически выгодными при н несении покрытий н большие п ртии дет лей. В свою очередь, н несение РУБ-покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетрона) обл д ет большей производительностью и не столь чувствительно к незн чительным отклонениям технологических п р метров.

При физическом осаждении (РУБ) материал покрытия переходит из твердого состояния в г зовую ф зу в результ те исп рения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения ч стиц м тери л . РУБ-процессы проводят в в кууме или в тмосфере р бочего г з при дост точно низком д влении.

Метод химического ос ждения (СУБ) пр ктически не имеет огр ничений по химическому сост ву покрытий. Все присутствующие ч стицы могут быть ос ждены н поверхность м тери л . К кие покрытия при этом обр азуются, зависит от комбин ации материалов и параметров процесса. Если процесс протек ет при з полнении простр нств ре кционно-способным г зом (кислородом, зотом или

углеводород ми), в результ те химической ре кции между том ми ос жд емых мет ллов и молекул ми г з происходит н несение оксидных, нитридных и к рбидных покрытий. Сост в покрытия з висит от п рци льного д вления г з и скорости ос ждения покрытия.

При использов нии СУБ-метод химические ре кции происходят в непосредственной близости или н поверхности обрабатываемого материала. В отличие от процессов РУБ, при которых твердые м тери лы покрытия переводятся в г зообр зную ф зу исп рением или р спылением, при СУБ-процессе в к меру для н анесения покрытия подается смесь газов. Для протек ния необходимых химических ре кций требуется темпер атур а до 1100 °С, что огр аничивает число м тери лов, н которые можно н нести СУБ-покрытие (рис. 1), т.к. прошедшие термическую обработку

м тери лы теряют в результ те отпуск свои свойств .

Процессы СУБ происходят при давлениях 100... 1000 Па. Покрытие наносится на всю поверхность изделия. Для получения одинаковых свойств всего покрытия в объеме р абочей камеры (особенно большой) необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. С этой целью применяются специ льные системы под чи газ а, так назыв аемый газовый душ. Установки СУБ, как правило, имеют достаточно большие габариты. Для предотвращения опасных выбросов газов в атмосферу используется специальная система фильтров. Благодаря высокой темпер туре н несения, обеспечив ющей частичную диффузию наносимого материала в основу, покрытия СУБ х р ктеризуются лучшей дгезией, в ср авнении с покрытиями РУБ.

Для снижения вредного воздействия темпер туры на свойства твердых сплавов разработан способ н несения покрытия СУБ при темпер тур х около 800°С, который получил название

среднетемпературного метода (МТ-СУБ) (рис. 1).

1(Г

ю4

і

® 10~ 1102 1101 |ю° 10' 10'

pcvd:

pvd :

MT-CVD

CVD

1200

400 600 800 1000

Температура нанесения покрытия, °С Рисунок 1 - Пар аметры основных методов получения покрытий из газовой ф азы в в акууме (или в атмосфере р абочего газ а)

РУБ и СУБ-методы т кже р злич ются по виду внутренних напряжений в слое наносимого покрытия. При методе РУБ преобладают сжимающие напряжения, а при методе СУБ - р астягив ающие.

Недавно была разработана еще одна разновидность метода СУБ, позволившая снизить температуру нанесения покрытия практически до темпер тур, используемых в РУБ-методе [2], получивш ая назв ание Р-СУБ (рис. 2). Пр актически метод представляет собой комбинацию двух основных методов, поскольку н несение покрытий СУБ-методом происходит в среде плазмы (как при РУБ). Т акже в иностранной литературе применяют обозначения РА-СУБ (активированные плазмой СУБ-процессы) и РЕ-СУБ (усиленный плазмой СУБ).

Для н ч л химических ре кций при этом методе используется не высок я темпер тур , пл зм в р абочей камере. Плазм а оказыв ает каталитическое воздействие и концентрирует энергию. В результате процессы могут протек ть при более низких температурах. С помощью Р-СУБ-метода, в з висимости от подводимого г з , можно н носить карбидные, нитридные и карбонитридные покрытия при темпер атур ах 400-500°С. По ср авнению с полученными по методу РУБ эти покрытия имеют лучшую дгезию и меньшие внутренние напряжения. Кроме того, отпадает необходимость в особом р сположении изделий для получения равномерного покрытия. Однако метод Р-СУБ пока не получил широкого р аспростр анения.

■ -2/

Инертный газ Аг-Н®^5<|-> U= 400...650 В £ ,

Нагрев -Плазма-

Деталь

(О

УПГ

Резервуар

ТІСЦ

Вакуумный насос

ц-сх-0>

, 450...650 °С 10...1000 Па

+\<а

Импульсный источник

постоянного тока камера нанесения покрытия

Рисунок 2 - Схема установки для нанесения покрытий методом P-CVD

Приведем примеры применения CVD для восстановления и упрочнения деталей. Т ак Козыревым В.В., Козыревой Л.В., Чупятовым H.H. и др. разработаны научные и технологические основы повышения надежности деталей композиционными материалами с применением CVD-метода элементоорганических соединений. Ими разработана и пробиров н технология изготовления и восст новления подшипников поворотных опор навозоуборочных тр анспортеров ТСН-160А; созданы композиционные материалы с использованием ЭОС-модифик торов рмирующих волокон, применение которых обеспечив ет ресурс узлов трения, р бот ющих в условиях несовершенной смазки под воздействием агрессивных сред органического происхождения [3]. Т акже р азр аботаны технологические процессы восст новления и упрочнения подшипников скольжения шестеренных насосов НШ-50У получением никелевого покрытия на алюминиевом сплаве способом CVD [4].

Процесс низкотемпературного газо-фазного синтез а плазмохимических покрытий (ПХП) - это один из немногих методов, р азр аботанных в последнее время, способный многократно повысить долговечность изнашиваемых деталей с использованием малогабаритного легко переналаживаемого

оборудования, работающего при атмосферном давлении, в отличие от способов PVD и CVD, осуществляемых в вакуумных камерах. Сущность процесса заключается в том, что легколетучие органические веществ а, подаваемые в плазму, образуют различного рода химические соединения, которые конденсируются на обр аб атыв аемой поверхности в виде тонких пленок, формирующих покрытие.

Цель ПХП - многократное увеличение усталостных свойств, коррозионной стойкости, жаростойкости, антисхватывания, фреттинг-стойкости, обеспечивающее повышение эксплуатационных свойств деталей.

Наиболее прогрессивным способом нанесения ПХП является финишное плазменное упрочнение (ФПУ). С амо понятие ФПУ и технология впервые введены НПФ "Плазмацентр", г. С.-Петербург.

Способом ФПУ наносят износостойкое покрытие, толщиной до 3...10 мкм в безв акуумном простр анстве при атмосферном давлении [5]. При этом упрочнение дет лей м шин происходит при их темпер атуре в процессе обработки порядка 100...200°С. ФПУ можно проводить с нанесением износостойкого покрытия и с одновременной повторной закалкой

подпленочного слоя или без нее. Отличительной особенностью ФПУ является возможность нанесения износостойкого покрытия без зн чительного термического воздействия на основной м атериал детали.

Основным принципом, взятым з основу технологии ФПУ, является р зложение п ров жидких химических ре гентов, вводимых в дуговой пл змотрон, с последующим прохождением пл змохимических реакций и обр азованием на поверхности детали упрочняющего покрытия.

Процесс протекает в несколько стадий [6]:

• созд ние устойчивого поток пл змы дугового р зряд с использов нием в к честве пл змообр зующего г з ргон и пл змотрон косвенного действия;

• исп рение жидких химических ре гентов в объеме специ льного пит теля и перенос их п ров совместно с дополнительным потоком инертного г з в обр азов анную р анее пл азму дугового р азряда;

• получение в дуговом канале плазмотрона косвенного действия п ро-пл зменного поток содерж щего возбужденные томы, молекулы, радикалы, положительно и отрицательно заряженные ионы, электроны, кл стеры;

• прохождение пл змохимических ре кций компонентов п ровой ф зы в пл зме дугового р зряд с образованием новых соединений и перенос продуктов ре кций пл зменной струей к поверхности дет ли;

• конденс ция продуктов ре кций н поверхности дет ли с одновременным тепловым воздействием н нее ф кел пл зменной струи;

• прохождение вз имодействия между дсорбиров нными ос жденными продукт ми ре кций

н подложке, приводящего к з рождению и росту покрытия.

Протекание процесс а ФПУ напомин ает основные ст дии физического ос ждения покрытий из п ровой фазы (методы РУБ). Но в отличие от известных процессов РУБ д нный метод упрочнения позволяет реализовывать все стадии образования покрытия при атмосферном д авлении, без вакуумных камер. Кроме того, покрытия, н несенные методом РУБ, при их осаждении на низкотемпер атурную основу с температурой менее 250°С обычно имеют низкую адгезию [6].

В качестве источника тепловой энергии для нанесения покрытия при ФПУ используется пл азменн ая струя, истекающая при атмосферном давлении из малогабаритного дугового плазмотрона (рис.3). Эффективность ФПУ основана на повышении ресурса деталей минимум в два раза [5, 6], что достигается за счет образования диэлектрического, химически инертного защитного покрытия с одновременным изменением физико-механических свойств

поверхностного слоя детали: увеличением ее

микротвердости (как пр авило, в 1,5.2 р аз а),

значительного уменьшения коэффициента трения, выр авнив ания микродефектов.

тг+п

Рисунок 3 - Схема пл азмотрона для ФПУ. Г азы:

ПГ - пл азмообр азующий, ТГ - тр анспортирующий, ДГ - дополнительный, П - ре агенты упрочнения

Выводы

1. Оборудов ание СУБ и РУБ дорогостоящее, технически сложное, ст ационарное и имеющее большие габаритные размеры. В ряде случаев на данном оборудов нии нецелесообр зно упрочнение мелких п ртий изделий.

2. Технологии СУБ и РУБ достаточно сложны и подр зумев ют к чественную многоступенч тую очистку и подготовку поверхности, использов ние дорогостоящих высокочистых химических ре ктивов (ТіС14, КИ3 и т.д.) и прецизионных дозаторов химических ре гентов, точный контроль продуктов химических ре кций в р бочей к мере и т.п.

3. Оборудов ание для ФПУ включ ает в себя переносной блок аппаратуры с дозатором-испарителем реагентов и малогабаритным плазматроном, водяную систему охлаждения и баллон с плазмообразующим газом - аргоном, вытяжку. В качестве источника питания может использоваться серийный сварочный выпрямитель.

4. Технологический процесс ФПУ включ ает в себя операции очистки (обезжиривания) поверхности детали и непосредственной ее обработки открытой плазмой, в отличие от СУБ и РУБ не в вакууме, а на открытом воздухе. Продолжительность обработки деталей не превышает нескольких минут. Темпер атур а нагрева деталей при этом не более 200оС, геометрия поверхности и пар аметры шероховатости не изменяются. Требов ания безопасности при ФПУ не накладывают ограничений для его широкого использов ания и определяются применением вытяжек и сварочных источников питания.

5. Технологии СУБ и РУБ используются в основном в крупносерийном и массовом производстве режущего инструмента и деталей машин для их упрочнения. В ремонтном производстве АПК, на наш взгляд, данные технологии, в большинстве случ аев, использов ать нецелесообр азно.

6. Для ремонтного производства АПК наиболее приемлемым из возможных способов получения упрочняющих покрытий осаждением из газовой фазы является финишное плазменное упрочнение или аналогичный способ получения плазмохимических покрытий.

Литература

1. Тушинский, Л.Н. Теория и технология

упрочнения металлических спл авов [Текст] /

Л.Н. Тушинский. - Новосибирск: Наука, 1990.

2.Локтев, Д. Методы и оборудование для нанесения износостойких покрытий [Текст] / Д. Локтев, Е. Ямашкин // Наноиндустрия. Научно-технический журнал. - 2007. - №4. - С.І8-2б.

3.Козырева, Л.В. Повышение надежности поворотных опор навозоуборочных тр анспортеров ТСН-160А композиционными м атериал ами с применением CVD-метода элементоорганических соединений [Текст]: авторе#. дисс. канд. техн. наук. / Л.В. Козырева. - М., 2007. - 16с.

4.Чупятов, Н.Н. Технология восстановления и упрочнения деталей шестеренных насосов НШ-50У CVD-методом металлоорганических соединений [Текст]: авторе#. дисс. канд. техн. наук / Н.Н. Чупятов. -М., 2008. - 16с.

5.Тополянский, П. А. Финишное пл азменное упрочнение инструмент и осн стки - итоги исследов аний и внедрений [Текст] / П. А. Тополянский, Н.А. Соснин, С. А. Ермаков // Технологии ремонт а, восст новления, упрочнения и обновления м шин, мех низмов, оборудов ния и мет ллоконструкций. Материалы 6-й Международной практической конференции-выст вки 13-16 преля 2004 г. - С нкт-Петербург: Изд. СПбТПУ. - 2004. - С.232-257.

6. Тополянский, П. А. Исследов ание адгезионных

свойств и механизм а обр азов ания покрытия, наносимого методом финишного пл азменного упрочнения [Текст] / П.А. Тополянский // Технологии ремонт , восст новления и упрочнения дет лей м шин, мех низмов, оборудов ния, инструмент и технологической осн стки. М тери лы 7-й

Международной практической конференции-выставки 12-15 апреля 2005 г. - Санкт-Петербург: Изд.

СПбГПУ. - 2005. - С.316-333.

УДК 629.114.2.01.004.67

В.М. Юдин, доктор технических н аук, профессор М.Н. Вихарев

Российский госуд арственный аграрный з аочный университет

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ

ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ЦИНКА

В статье представлены технологический процесс восстановления деталей гальваническим цинкованием с применением активатора и результаты экспериментов в виде графиков зависимости скорости нанесения покрытия от плотности тока и скорости движения активатора.

Материалы и методика исследований

Цинк - металл серебристо-белого цвета. Плотность цинка 7,1 г/см3, темпер атур а пл авления 420оС. Цинковые покрытия обычно бывают мягкими (500...600МП а), пл астичными и хорошо выдерживают изгибы, развальцовку, но плохо - запрессовку. Поэтому цинкование чаще всего применяют для защиты от коррозии. В ремонтном производстве цинковые покрытия применяют для защиты от коррозии крепежных деталей и восстановления посадочных поверхностей малонагруженных дет алей.

Восстановление деталей гальваническими покрытиями имеют следующие преимущества перед другими способами восстановления:

- отсутствие термического воздействия на детали, вызывающего в них нежелательные изменения структуры и механических свойств;

- получение с большой точностью заданной толщины покрытий, что позволяет снизить до минимум а припуск на последующую механическую обр аботку и ее трудоемкость или вовсе исключить ее;

- осаждение покрытий с заданными непостоянными по толщине физико-механическими свойствами;

- одновременное восстановление большого числ а деталей (в ванну загружают десятки деталей), что снижает трудоемкость и себестоимость единицы изделия;

- возможность автом атиз ации процесс а.

Основным недостатком цинкования является

малая скорость нанесения покрытия, порядка 6^15мкм/ч.

В Российском государственном аграрном з аочном университете (РГАЗУ) проведены

предварительные исследования по устранению этого недостатк а.

Решающее влияние на скорость нанесения покрытий оказыв ает катодная плотность тока:

С • Б Пк

V = •

1000 •у

где У - скорость осаждения покрытий, мм/ч;

С - электрохимический эквивалент, г/А-ч;

Бк - катодная плотность тока, А/дм2;

- катодный выход метала по току, %;

= - плотность ос аждаемого металла, г/см3.

Поскольку С и = - величины постоянные, и <, при использовании кислого электролита для цинкования, близок к 100%, то основной путь повышения скорости ос аждения покрытий - увеличение катодной плотности ток а.

Известно, что существенное увеличение катодной плотности тока возможно при перемешивании электролита. Однако при увеличении катодной плотности тока ухудшается качество наносимого покрытия:

- происходит обр азование дендритов;

- пористая поверхность нанесенного покрытия (питтинг).

Для устр анения этих недостатков мы используем экспериментальную установку с активирующим

устройством.

Активирующее устройство (активатор)

перемешивает электролит и активирует