Износ деталей и узлов различных механизмов значительно зависит от свойств тонкого поверхностного слоя подшипника скольжения. Усталостная прочность рабочего слоя подшипника зависит от следующих свойств: твердости, износостойкости, коэффициенте трения и противозадирочных свойств. С одной стороны, покрытие должно обладать твердостью для повышения износостойкости, с другой стороны, должно быть мягким для снижения коэффициента трения. Такие свойства имеют двухслойные покрытия: внутренний - износостойкий слой (нитрид, карбид или борид металла), внешний - антифрикционный слой из мягких металлов (Sn, Pb), слоистого соединения (MoS2, WS2, MoSe2), графита или гексагонального нитрида бора. Внешнее мягкое твердосмазочное покрытие, в основном, необходимо на начальном этапе приработки подшипника, так как из-за больших локальных нагрузок возможно возникновение трещин и частичное разрушение основного износостойкого покрытия. После приработки подшипника на поверхности остается тонкий мягкий слой толщиной менее 0,5 мкм. Более толстый мягкий слой не стирается на периферии контакта. Двухслойное покрытие, состоящее из твердого и антифрикционного слоев, могут иметь следующий состав TiAlN/MoS2, Mo2N/MoS2, TiC/C, WC/C.
Алюминиево-оловянные AlSn и алюминиево-свинцовые сплавы AlPb, используемые для производства вкладышей подшипников, тоже могут применяться для получения твердосмазочных пленок [6]. Твердое тугоплавкое соединение AlN в мягкой матрице олова или свинца образуется при распылении AlSn катода в среде азота с аргоном. Олово и свинец не образуют нитридов в процессе осаждения пленки. Внешний приработочный мягкий слой металлов получается при отключении реакционного газа в конце процесса ионно-плазменного напыления. При этом олово и свинец не образуют нитридных соединений. В зависимости от относительного содержания металлов в сплаве можно получить включения мягкой составляющей в твердой матрице нитрида или наоборот - твердые включения в мягкой матрице.
Набор материалов, используемых для создания трибологических покрытий [7], известен и ограничен. В твердый слой могут входить тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, нитриды, бориды металлов переходной группы), неметаллические тугоплавкие соединения (AlN, Si3N4, кубический BN, BC), тугоплавкие оксиды металлов (Al2O3, CrO). К антифрикционным материалам относятся дисульфиды (MoS2, WS2), графит, гексагональный BN, оксиды свинца и титана, а также традиционные материалы на основе олова и свинца (алюминиево-оловянные сплавы, баббиты, бронзы).
Другим фактором, влияющим на трибологические свойства покрытия, является внутренняя структура покрытия. Однокомпонентная углеродная аламазоподобная пленка (DLC) состоит из сверхтвердого кубического углерода и слоистого гексагонального углерода. Такое покрытие имеет высокую твердость и низкий коэффициент трения. Трибологические покрытия могут быть выполнены также в виде многослойных покрытий, в которых тонкие твердые и мягкие слои чередуются. Если толщина отдельных слоев имеет наноразмеры, то формируется наноструктура, состоящая из твердых нанокристаллов в мягкой матрице. Состав, структура и толщина трибологических покрытий зависит от условий работы пар трения, скорости вращения, температуры и уровня нагрузки. Поэтому требуется экспериментальный подбор состава и структуры покрытия, а также лабораторные измерения различных характеристик полученных пленок.
Вакуумное ионно-плазменное оборудование можно использовать также для нанесения коррозионностойких покрытий на внутренние поверхности втулок, трубопроводной арматуры, деталей машин и др. для увеличения их срока службы. В качестве таких покрытий также используются твердые покрытия на основе нитридов, карбидов, боридов и оксидов металлов и металлические пленки металлов (Ti, Al) и сплавов (нержавеющая сталь), которые осаждаются ионно-плазменным методом.
Заключение
Для нанесения трибологических покрытий на внутренние поверхности деталей необходимо использовать двухслойное покрытие с твердым внутренним и внешним антифрикционным слоем, который улучшает первоначальную приработку поверхностей. Выбор состава и структуры покрытий зависит от многих факторов: возможность нанесения в одном вакуумном цикле твердых и мягких слоев двухслойных и многослойных покрытий, доступность катода с необходимым составом легирующих элементов, экологическая безопасность технологического процесса нанесения покрытия. Использование вакуумной ионно-плазменной установки с коаксиальным магнетроном дает возможность наносить покрытия на внутренние поверхности подшипников скольжения. Магнетрон с плоским катодом может быть использован для исследования свойств многокомпонентных пленок и отработки технологии нанесения защитных покрытий. На этой установке будет отработана технология нанесения трибологических покрытий, включающая в себя плазменную предварительную очистку обрабатываемых изделий, поиск режимов нанесения покрытий и выбор их состава.
| Список литературы
|
| 1. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М.: Высш. Шк., 1988. 2. Mahan J.E. Physical vapor deposition of thin films.: John Wiley & Sons, 2000. 3. Пашенцев В.Н. Характеристика плазмы магнетрона на больших расстояниях от катода // Прикладная физика. - 2009. № 4. - С. 91-95. 4. Современная трибология: Итоги и перспективы. Под ред. Фролова К.В. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. 5. Bunshah R.F. Handbook of hard coatings.: William Andrew Publishing, 2001. 6. Семенов А.П. Новая вакуумная ионно-плазменная технология изготовления подшипников скольжения // Методы упрочнения поверхностей деталей машин: Сб. научн. тр. - М.: Красанд, 2008. - С. 39-47. 7. Семенов А.П. Перспективы повышения трибологических свойств вакуумных ионно-плазменных покрытий легированием // Методы упрочнения поверхностей деталей машин: Сб. научн. тр. - М.: Красанд, 2008. - С. 49-65.
|
