CC BY
18
УДК 621.793.7 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2018.82.0.56
ВИБ1Р ПАРАМЕТР1В НАНЕСЕННЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО НАНОКРИСТАЛ1ЧНОГО ПОКРИТТЯ ДЛЯ П1ДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 ПОРШНЕВИХ К1ЛЕЦЬ
Глушкова Д.Б., Кост1на Л.Л., Степанюк А.1., ХНАДУ
Анотаця. Головною причиною руйнування поршневих кыець е зношування робочог поверхт. В робот1 проведено досл1дження багатошарового наноструктурного покриття, нанесеного на поверхню поршневих кыець, для тдвищення гх зносостткост1. Покриття наносили вакуумно-дуговим методом на арий чавун. Встановлено, что в поверхневому шар1 утворюються стискаюч1 напруження, а твердкть у приповерхневому шар1 тдвищуеться, що приводить до значного тдвищення зносостткост1.
Ключов1 слова: покриття, нанотверд1сть, знососттюсть, поршнев1 кыьця.
Вступ
Значне мюце у виробнищи деталей рiзно-го призначення займае виготовлення поршневих кшець, основною причиною виходу з ладу яких е зношування робочих поверхонь. Тому велика увага придшяеться проблемам тдвищення зносостшкосп поверхонь поршневих кшець.
Створення в одному матерiалi комбшацп високо! твердосп з високою пластичтстю е реальним в гетерогенному сплава
Актуальною видаеться проблема розробки методу тдвищення зносостшкосп поршневих кшець.
Анашз публжацш
Як зазначено в робой [1], зносостшюсть металу визначаеться комбшащею структури й ряду властивостей, а саме високо! твердосп i пластичносп за вщсутносп крихкосп, стш-косп механiчних властивостей в умовах ро-боти на зношування, високо! насиченосп й рiвномiрностi розподшу легуючих елементiв.
У роботi [2] встановлено, що штенсив-нiсть протшання релаксацiйних процесiв при тертi суттево впливае на зносостiйкiсть.
Останнiм часом для тдвищення експлуа-тацiйних характеристик матерiалiв широко застосовуеться обробка поверхт високош-тенсивними джерелами енерги, взаемодiя яких з матерiалами приводить до проход-ження процесiв, пов'язаних зi змiною структури.
Насамперед вщбуваеться змiна параметрiв кристалiчних решiток, формуються дисло-кацiйнi структури, утворюються ультрадис-перснi фази.
Результатом таких процешв е виникнення в поверхневих шарах матерiалу залишкових внутрiшнiх напружень. Методам визначення й вивчення природи формування залишкових напружень у покриттях, як отриманi у про-цесi вакуумно-дугового осадження, присвя-чений ряд робгг [3, 4].
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи е тдвищення зносостшкосп поршневих кшець iз шрого чавуну нанесенням вакуумно-дугового нанокри-статчного покриття. Для досягнення ще! мети були поставлен наступнi завдання: до-слщження структури i властивостей багатошарового наноструктурного покриття, йо-го лшшного зносу.
Виб1р параметр1в нанесення вакуумно-дугового нанокристашчного покриття на поршнев1 к1льця 1з арого чавуну
Матерiалом, на який наносили багатоша-рове покриття вакуумно-дуговим методом, був шрий чавун, широко розповсюджений у рiзних галузях машинобудування.
Як вiдомо, шрий чавун мае добрi ливарнi й антифрикцшт властивостi, е нечутливим до дефекпв поверхнi, добре гасить вiбрацi!.
Хiмiчний склад сiрого чавуну наведений у табл. 1.
Проведет в остант роки дослщження свiдчать, що властивостi багатокомпонент-них i багатошарових покриттiв вищ^ нiж од-ношарових покриттiв [5].
Багатошаровi двофазнi наноструктурнi покриття TiN-MoN осаджували у вакуумно-дуговiй установщ «Булат-6».
На рис. 1 показано схему установки для одержання багатошарових покритпв.
Вакуумна камера 1 обладнана системою автоматично! тдтримки тиску азоту 2 i дво-ма випарниками, один з яких 3 мютить у якосн матерiалу, що випаровуеться, молiбден марки МЧВП, а iнший 4 - титан марки ВТ1-0. На поворотному пристро! ка-мери встановлений шдкладкоутримувач 5 у виглядi трубки, на якш розмiщенi ролики 6. Установка мае джерело постшно! напруги 7, а також генератор iмпульсно! напруги 8 з регульованою амплггудою iмпульсiв.
2 1 5 6
Рис. 1. Схема установки для нанесення багатошарових покритпв: 1 - вакуумна камера; 2 - система автоматично! тдтримки тиску азоту; 3 - випарник молiбдену; 4 - випарник титану; 5 - тдкладкоутримувач; 6 - шдкладка; 7 - джерело постшно! напруги; 8 - генератор iмпуль-сно! напруги
Процедура охолодження багатошарових двофазних покритпв включала наступт операций Вакуумну камеру вщкачували до тиску 1,33-10-3 Па. Поим на поворотний пристрш з шдкладкоутримувачем подавали негативний потенщал 1,3 кВ, включали поворотний пристрш 5 на безперервне обертання й по черзi
iмпульсно включали випарники 3 i 4, таким чином роблячи очищення поверхш роликiв 6. Загальний час очищення становив 10 хвилин.
Далi включали одночасно обидва випарники й осаджували ТьМо, тсля цього подавали в камеру азот i осаджували штрид молiбдену, а iвз протилежно! сторони -штрид титану на ролики, що безупинно оберталися. Вардавали таю параметри, як струм дуги, напруга постшна на шдкладщ ипп, напруга iмпульсна на шдкладщ ипи, тиск азоту, кшьюсть шарiв напилювання, час напилювання становив 2 години.
Наношдентування проводили пiрамiдою Берковича за навантаження 0,5 Н з автома-тичними навантаженням та розвантаженням.
Металографiчнi дослщження проводили на електронному мшроскош, вивчення структурного стану покриттiв - на растровому мшроскош
Величину залишкових напружень у при-поверхневих шарах визначали на установщ ДРОН-2 методом багаторазових похилих зйомок у випромшюванш мiдного анода iз графгговим монохроматором.
Випробування на зносостiйкiсть були ви-конанi на машинi СМЦ-2.
Проведенi вимiрювання нанотвердостi дали можливють одержати iнформацiю про характер розподшу нанотвердостi в тонких поверхневих шарах покриття ТьМо-К
На рис. 2 наведено графк розподiлу нано-твердостi на глибиш 200 нм, з якого випливае, що нанотвердють зростае у незначнш мiрi.
0.4
0.2
0.0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Displacement Into Surface (nm)
Рис. 2. Графк розподшу нанотвердосп
Навантаження при цьому досягае максимального значення на глибиш 200 нм (рис. 3).
Модуль Юнга мае значення 250 ГПа.
Отримаш залежносп свщчать про те, що нанотвердють е максимальною в поверхневих шарах. Ця закономiрнiсть збтаеться з результатами, викладеними в роботах [6, 7].
Таблиця 1 - Хш1чний склад арого чавуну
Вмют елеменпв, %
C Si Mn Ni S P Fe
3,49 2,49 0,56 0,08 0,06 0,11 решта
40 «0 80 100 120 140 160 180 200 220 Displacement Into Surface (nm)
Рис. 3. Графш розподшу навантаження
Аналiз напружено-деформованого стану показав, що найбшьш висока величина стис-кання вщповщае глибинi порядку 10 нм. Та-кий результат отриманий у випадку нанесен-ня TiN-MoN покриття при струмi дуги 1д = = 100-170 А, напрузi постiйнiй на шдкладщ ипп =40 В, напрузi iмпульсноl на пiдкладцi Uпи= 2000 В, тиску азоту 1 • 10-3 мм рт. ст., 2700 шарiв безперервного обертання. Де-формащя стискання на такiй глибинi стано-вить 2,2 %.
Отриманi даш узгоджуються i3 графiком нанотвердостi, наведеним на рис. 2.
Важливим фактором у формуванш за-лишкових напружень у покритп е текстура, яка спостерталася при вивченнi структури на електронному мшроскош (рис. 4). Причиною залишкових напружень е вплив юнного бомбардування.
Рис. 4. Електронна свгглина структури по-верхневого шару, х10000
Дослiдження структурного стану покрит-тiв показало, що за товщини шару близько 2 нм не виявляються мiжфазнi границi й то-
му на дифракцшних спектрах проявляеться спектр, характерний для однофазного стану; й матерiал змщнюеться у незначнш мiрi. З появою друго! фази твердiсть збiльшуеться. При цьому з результата вивчення покритпв на растровому мшроскот випливае, що комiрки на поверхнi покриття вираженi рельефно, що можна пояснити процесами !х роз-пилення юнами молiбдену й титану тд час осадження. Пiд час вивчення шарiв товщи-ною порядку 10 нм спостертаеться фор-мування двофазного структурного стану. Великий питомий обсяг займають мiжфазнi гранищ, що супроводжуеться збшьшенням стискальних напружень. Це повинно приво-дити до тдвищення твердостi. Вивчення мiкрофрактограм багатошарового покриття показало, що отримаш сколи мають досить правильну форму, характерну для руйнуван-ня металу тд дiею напружень стискання. Дослiдження шарiв товщиною порядку 20 нм показало бшьш розмиту мiжфазну границю, що веде до зменшення питомого внеску гра-ниць.
На рис. 5-8 подано пстограми, побудоваш за результатами вимiрювання нанотвердосп при вакуумно-дуговому осадженнi бага-тошарових наноструктурних TiN-MoN по-криттiв, отриманих за рiзних параметрiв, що дозволяють встановити вплив кшькосп шарiв безперервного обертання, тиску азоту, напруги iмпульсно! на шдкладщ на величину нанотвердосп.
1 2
Рис. 5. Пстограми нанотвердосп при вакуумно-дуговому осадженш багатошаро-вих наноструктурних TiN-MoN покрит-тiв при струмi дуги 1д = 100-170 А, напрузi постшнш на пiдкладцi U пп =40 В, напрузi iмпульснiй на шдкладщ Uпи =
2000 В, тиску азоту 1 • 10-3 мм рт. ст.: 1 -безперервне обертання 1800 шарiв; 2 -2700 шарiв безперервного обертання. Час напилювання - 2 години
Дослщжували к1льк1сть шарiв 1800 та 2700; струм дуги змшювали в1д 100 до 170 А; тиск азоту задавали 1 • 10—З мм рт. ст., 3• 10-3 мм рт. ст., 5-10-4 мм рт. ст.; напругу !мпульсну на шдкладщ - до 2000 В.
Рис. 6. Пстограми нанотвердосп при ваку-умно-дуговому осадженнi багато-шаровиx нанострyктyрниx TiN-MoN по-критт1в при струм! дуги 1д = 100-160 А, напруз! пост1йн1й на шдкладщ Unn = = 230 В, Uпи - без 1мпульс1в, 1800 шарiв безперервного обертання. Час напилювання - 2 години, 1- тиску азоту 3• 10-3 мм рт. ст.; 2 - тиску азоту 5-10-4 мм рт.ст
1
Рис. 7. Пстограми нанотвердосп при ваку-умно-дуговому осадженш багатошаро-виx нанострyктyрниx TiN-MoN покрит-нв при струм1 дуги 1д = 105-100 А, юпруз1 пост1йн1й на шдкладщ Unn = 230 В, Uпи - без 1мпульс1в, безперерв-ному обертаннi 1800 шарiв. Час напилювання - 2 години, 1 - тиску азоту 3• 10-3 мм рт. ст.; 2 - тиску азоту 5-10-4 мм рт. ст
Рис. 8. Пстограми нанотвердосп при ваку-умно-дуговому осадженш багатошаро-виx нанострyктyрниx TiN-MoN покрит-т1в при струм1 дуги 1д = 100-170 А, юпруз1 пост1йн1й на пiдкладцi Unn =
= 40 В; тиску азоту 5-10-4 мм рт ст. Час напилювання - 2 години, 1- без ¡мпуль-с1в; 2 - напруга 1мпульсю на шдкладщ U пи = 2000 В
0,4
о
о к 0,3
со
«
S
« 0,2
К
0,1
■ 2
■
■
■ -
1
Рис. 9. Пстограми лшшного зношування за 5 годин за навантаження 1000 кг/см2: 1 -шрий чавун без покриття; 2 - чавун тс-ля осадження багатошаровиx TiN-MoN покритпв
Нанесення двошарового покриття на с1рий чавун i супроводжуюч1 його процеси привели до ютотного шдвищення зносостш-кост1.
Висновки
1. Нанесення багатошаровиx TiN-MoN покритт1в на шрий чавун створюе на поверx-ш стискальнi напруження.
2. Максимальнi значення нанотвердосп у процес нанесеннi Ti-Mo-N покриття спо-стерiгаються в самш поверxнi.
2
3. Лшшне зношування чавуну, на який нанесене Ti-Mo-N покриття, зменшуеться у 8 разiв.
4. В однакових умовах нанесення покрит-тя при безперервному обертанш зi збшьшен-ням кшькосп шарiв з 1800 до 2700 нанотвердють зростае майже на 40 %.
5. За збшьшення вакууму за незмшност всiх шших параметрiв нанесення покриття нанотвердiсть зростае на 25 %.
6. Вакуумно-дугове осадження, прове-дене при iмпульснiй напрузi на пiдкладцi Uпи, рiвнiй 2000 В, забезпечуе тдвищення нанотвердостi на 30 %, у порiвняннi з безiм-пульсним, за вшх iнших однакових умов проведення експерименту.
Лтратура
1. Мацевитый Ю.М. На пути устойчивого развития научных исследований / Ю.М. Мацевитый // Проблемы машиностроения. - 2002. - Т.5. -№ 2. - С. 5-18.
2. Гринкевич К.Э. Некоторые положения структурно-динамической концепции трибосисте-мы и их практическая реализация / К.Э. Грин-кевич // Трение и износ. - 2003. - № 3. -С. 344-350.
3. Биргер А.И. Остаточные напряжения /
A.И. Биргер. - М. : Машгиз, 1993. - 232 с.
4. Коваленко А.Д. Термоупругость / А.Д. Коваленко. - К.: Вища школа, 1995. - 216 с.
5. Падалка В.Г. Опыт эксплуатации и повышения эффективности использования установок «Булат» / В.Г. Падалка, Г.Н. Гутник, А. А. Андреев и др. Предп. НАН Украины. Нац. научн. центр «Харьк. физ.-мех. ин-т», 1961. - М.: ЦНИИ-атоминформ, 1986. - 56 с.
6. Андреев А.А. Вакуумно-дуговое устройство и покрытие / А.А. Андреев, Л.П. Саблев,
B.М. Шулаев, С.Н. Григорьев // Библиотека ННЦ ХФТИ. - Х., 2005. - 238 с.
7. Suzuki M. Tribological performance of a sputtered Mo2 & film in air N2, O2, H2O environments at pressures from 10-5 Pa to 105 Pa / M. Suzuki // Jornal of society of Tribologists and Zubrication Engineers. - 2001. - V. 57, № 1. -Р. 23-29.
References
1. Matsevityi, U.M. (2002) [On the way of steady development of scientific researches. Problems of engineering industry. 5. 2. 5-18.
2. Grinkevich, K.E. (2003). Some positions of structure - dynamic conception of tribosystem and their practical realization. Friction and wear. 3. 344-350.
3. Birger, А.1. (1993). Residual stresses. Мoscow: State Publishing House of Engineering. 232.
4. Kovalenko, А.Б. (1995). Thermoelasticity. Kiyv: Higher school, 216.
5. Padalka, V.G., Gutnik, G.N., Andreev, А.А. and others of NAS of Ukraine (1961). Experience of exploitation and increasing the efficiency of the use of the plants "Bulat". National Scientific Center of "Kharkov Physic-Mechanical Institute", Мoscow: CSII-atominform, 56.
6. Andreev, А.А., Sablev, L.P, Shulaev, V.M., Grigoriev, S.N. (2005). Vacuum-arc device and coating. Library of NSC Kharkov Physic-Mechanical Institute. 238.
7. Suzuki, M. (2001). Tribological performance of a sputtered Mo2 & film in air N2, O2, H2O environments at pressures from 10-5 Pa to 105 Pa. Journal of society of Tribologists and Lubrication Engineers, 57. 1. 23-29.
Глушкова Д1ана Бориавна - д.т.н., завщу-вач кафедри технологи металiв та матерiало-знавства, тел.: +38 097-481-15-93, di-ana@khadi.kharkov.ua
Костша Людмила Леонщ1вна — к.т.н., доцент, кафедра технологи металiв та ма-терiалознавства, тел.: +38 066-150-89-72, kostina4991@gmail.com
Степанюк Андрш 1ванович - асистент, кафедра технологи металiв та матерiалознав-ства, тел.: +38 097-525-85-13, Diox-id26@meta.ua
THE CHOICE OF PRECIPITATION PARAMETERS OF VACUUM-ARC NANO-CRYSTALLINE COATING FOR INCREASING WEAR RESISTANCE OF PISTON RINGS
Hlushkova D., Kostina L., Stepanyuk A., KhNAHU
Abstract. The production of piston rings the main failure of which is wearing of working surfaces takes a considerable place during various parts producing. The wear resistance of metal is determined by combination of a structure, high hardness and plasticity, stability of mechanical properties, the high saturation and the uniform distribution of alloying elements. It has been investigated the influence of multi-layered vacuum-arc nanostructure coating on wear resistance of piston rings. The material on the multi-layered coating was applied by means of vacuum-arc method was the grey cast-iron. Multi-layered two-phase nanostructural coatings TiN-MoN were precipitated in the vacuum-arc plant «Bulat-6».
Nanoindentation was conducted by means of a pyramid of Berkovich at loading 0,5 H with loading and unloading executed automatically. Metallography researches were conducted by means of electronic microscope, study of the structural state of
coverages was performed on a scanning microscope. The quantity of residual stresses in near-surface layers was determined on the difraktometr rent-genovskiy DRON-2 by means of procedure of multiplied inclined shootings in radiation of copper anode with graphite monochromator. The tests for wear resistance were performed on the plant SMTs-2.
Research of the structural state of coatings showed that at the layer thickness about 2 nju there is no interface border and that's why a spectrum is revealed on diffractive spectrums that is typical for monophasic state and material is hardened not much. The absence of detectability of the interphase boundary indicates the epitaxial growth of thin layers. The hardness increases at occurrence of the second phase.
In case of studying the layers of thickness about 10 nm it is observed the forming of two-phase structural state. The interfaces occupy a large specific volume, that is accompanied by the increasing of compressive stresses. It must result in harden-ing.Coatings over 20nm thick are also biphase and very hard. Increasing the compressive stresses and increasing the hardness in the near-surface layer leads to a significant increase in wear resistance. Linear wear of cast-iron sprayed with coating Ti-Mo-N decreases in 8 times.
Key words: vacuum-arc coating, nanohardness, nanostructural coatings, wear resistance, piston rings.
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
Глушкова Д.Б., Костина Л.Л., Степанюк А.И., ХНАДУ
Аннотация. Основной причиной выхода из строя поршневых колец является изнашивание рабочих поверхностей. В работе проведено исследование многослойного наноструктурного покрытия, нанесенного на поверхность поршневых колец для повышения их износостойкости. Покрытие наносили вакуумно-дуговым методом на серый чугун. Установлено, что в поверхностном слое создаются сжимающие напряжения, а твердость в приповерхностном слое повышается, что приводит к значительному повышению износостойкости.
Ключевые слова: покрытие, нанотвердость, износостойкость, поршневые кольца.
УДК 621.793.18
DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2018.82.0.62
