Способ нанесения хромового покрытия на прецизионные детали из низколегированных конструкционных сталей
METHOD OF APPLYING CHROMIUM COATING ON PRECISION PARTS FROM LOW-ALLOY STRUCTURAL STEELS

Изобретение относится к области получения металлопокрытий, в частности, хромовых, на прецизионных деталях гидравлических систем путем термического разложения гексакарбонила хрома и может быть использовано для нанесения покрытий при упрочнении прецизионных деталей из низколегированных сталей дорожно-строительных, аварийно-спасательных, почвообрабатывающих, сельскохозяйственных, лесозаготовительных машин в условиях ремонтных предприятий.
Известен способ нанесения хромового покрытия для защиты трущихся деталей механизмов, в котором осаждение хромового покрытия на подложку осуществляется электролитическим методом из хромсодержащих растворов в присутствии катализатора. На полученный первый слой дополнительно осаждают хром термической диссоциацией гексакарбонила хрома, толщина дополнительного слоя составляет 5-15% от толщины первого слоя покрытия (RU, №2109844, С23С 16/16, С23С 28/02, 1997).
Известен способ нанесения износостойкого композиционного слоистого покрытия термическим разложением паров карбонилов металлов VI-VIII групп Периодической системы при пониженном давлении, в котором первый слой толщиной 3-5 мкм наносят при использовании карбонилов металлов VI-VIII групп при температуре 600-900°С, давлении 0,5-1,0 мм рт.ст. (67-133 Па) и скорости роста 1-2 мкм/мин, а второй слой такой же толщины наносят при температуре 300-450°С при использовании карбонилов металлов VI-VII групп, давлении не более 0,5 мм рт.ст. (67 Па) и скорости роста покрытия 0,3-0,5 мкм/мин (RU, №2075540, С23С 16/16, 1997).
-2
-5
Наиболее близким по технической сущности является способ нанесения двухслойного покрытия при использовании, в том числе, карбонильных соединений никеля и хрома, в котором в пространство с остаточным давлением 1,10-1,10 мм рт.ст. (1,45-0,00145 Па) помещают нагретую до температуры 100-700°С подложку (металлическую или неметаллическую) и подают пары карбонила металла (тетракарбонил никеля) с формированием адгезионного слоя покрытия. Затем температуру подложки снижают до 20-400°С и наносят основной слой покрытия термическим разложением паров карбонила металла (гексакарбонила хрома) в вакууме с последующей термообработкой в отсутствии карбонила с постепенным снижением температуры до комнатной (SU, №430195, С23С 16/16, 1971).
Однако указанные способы не обеспечивают возможность получения хромового покрытия с необходимыми для упрочнения прецизионных деталей из низколегированных конструкционных сталей характеристиками, а именно, сочетания оптимальных значений прочности сцепления покрытия с основным материалом детали, микротвердости, износостойкости при равномерной толщине металлического слоя до 45 мкм, однородного по отношению к материалу детали, что является основным фактором при работе сопряжения.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения хромового покрытия, используемого для упрочнения сопрягаемых прецизионных деталей из низколегированных конструкционных сталей дорожно-строительных, аварийно-спасательных, почвообрабатывающих, сельскохозяйственных, лесозаготовительных машин в условиях ремонтных предприятий.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости и увеличение ресурса сборочной единицы.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что способ нанесения хромового покрытия на прецизионные детали из низколегированных конструкционных сталей включает нанесение адгезионного слоя хромового покрытия на поверхность детали, нагретую до температуры от 390 до 410°С при остаточном давлении в течение от 5 до 10 мин и дальнейшее нанесение основного слоя покрытия посредством подачи паров гексакарбонила хрома на поверхность детали, охлажденную до температуры от 200 до 250°С с термическим разложением паров гексакарбонила хрома. Согласно изобретению адгезионный слой хромового покрытия на поверхность детали наносят толщиной от 4 до 6 мкм посредством подачи паров гексакарбонила хрома с температурой от 35 до 45°С со скоростью от 1 до 2 л/ч при остаточном давлении от 10 до 20 Па с термическим разложением паров гексакарбонила хрома, а основной слой покрытия наносят толщиной от 35 до 45 мкм посредством подачи паров гексакарбонила хрома с температурой от 55 до 65°С на поверхность детали в течение от 40 до 60 мин с термическим разложением паров гексакарбонила хрома.
Нанесение адгезионного слоя хромового покрытия в указанных режимах металлизации (температура подложки, температура паров гексакарбонила хрома, давление в реакторе) обеспечивает минимальное значение остаточных напряжений в системе «адгезионный слой - подложка» за счет формирования покрытия с низким содержанием примесей оксидной и карбидной фаз.
Нанесение основного слоя покрытия путем подачи паров гексакарбонила хрома, нагретых до температуры от 55 до 65°С на охлажденную до температуры от 200 до 250°С подложку создает технологические возможности для получения слоя покрытия с высоким содержанием карбида хрома требуемой микротвердости и толщины на рабочей поверхности прецизионной детали.
Температурные режимы нагрева паров гексакарбонила хрома и подложки определены в результате исследования термодинамики химических реакций термического разложения гексакарбонила хрома для обеспечения стабильности морфоструктурных характеристик и химического состава металлического покрытия. Изменение соотношения температур нагрева паров гексакарбонила хрома и подложки на этапах формирования адгезионного слоя и нанесения основного слоя приводит к нарушению механизмов взаимодействия паров исходного реагента и подложки, формированию дефектов в структуре покрытия. Повышение температуры паров исходного реагента приводит к необходимости увеличения скорости подачи паров гексакарбонила хрома в рабочую камеру аппарата для нанесения покрытий (реактор) для обеспечения требуемых скорости роста и толщины покрытия.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
В рабочей камере аппарата для нанесения покрытий (реакторе) осуществляли монтаж на навеске золотника гидрораспределителя Р80. Далее через расходомер осуществляли продувку системы азотом, включение вакуум-насоса и создание в реакторе остаточного давления 15 Па. Деталь прогревали до температуры 400°С.Через расходомер в реактор со скоростью 1,5 л/ч подавали нагретые до температуры 40°С пары гексакарбонила хрома и в течение 8 минут наносили адгезионный слой хромового покрытия толщиной до 5 мкм. Далее температуру подложки понижали до 220°С и в течение 50 минут наносили основной слой покрытия путем введения в реактор паров гексакарбонила хрома с температурой 60°С. При достижении толщины металлопокрытия 40 мкм подачу паров гексакарбонила хрома прекращали, нагреватель выключали, в течение 10 минут осуществляли выдержку детали с целью ее охлаждения. Затем производили демонтаж детали.
Исследование по определению микротвердости проводили на образцах в соответствии с ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников». Прочность сцепления полученных покрытий с подложкой определяли штифтовым методом на испытательной машине FP-10/1. Шероховатость поверхности покрытий проводили методом ощупывания с использованием профилометра MarSurf PS1. Исследование износостойкости в стендовых испытаниях проводили на испытательной машине модели СМЦ-2 с образцами типа «диск-колодка». Хромовые покрытия наносили на поверхность диска, изготовленного из стали 15Х ГОСТ 4543-71 (20Х ГОСТ4543-71, 20ХМ ГОСТ 14955-77, 18ХГТ ГОСТ 2590-2006), колодку изготавливали из чугуна СЧ 30 ГОСТ 1412-85. Также исследовали износостойкость сопряжения «золотник-корпус» гидрораспределителя Р80. В качестве рабочей жидкости применяли масло гидравлическое МГ-15-В ГОСТ 17479.3-85. Для обеспечения ускоренного изнашивания в рабочую жидкость добавляли абразив, приготовленный из кварцевого формовочного песка ГОСТ 2138-84 с дисперсностью 5-20 мкм (70%) и 30-40 мкм (30%). Содержание абразивного материала в рабочей жидкости составляло 1 г/л.
Пример 2
Пример осуществлялся аналогично приведенному выше примеру, но при нанесении адгезионного слоя покрытия снижалась температура прогрева детали до 300°С; скорость подачи паров гексакарбонила хрома 1,5 л/ч. На границе раздела покрытия и подложки увеличилось число дефектов в виде отсутствия стабильного контакта между ними. Произошло снижение прочности сцепления покрытия с подложкой до 35-40 МПа, и в процессе стендовых испытаний образцов типа «диск-колодка» покрытие отслаивалось от поверхности образца.
Пример 3
Пример осуществлялся аналогично приведенному выше примеру, но основной слой покрытия наносился при повышении температуры подложки до 400°С и скорость подачи паров гексакарбонила хрома 1,5 л/ч. Это привело к снижению скорости роста покрытия из-за разогрева среды вокруг подложки и диссоциации исходного реагента в объеме реактора. Произошло выделение высокодисперсного хромового порошка в объеме реактора и на поверхности подложки. Для получения покрытия требуемой толщины скорость подачи паров гексакарбонила хрома увеличили до 3 л/ч. Произошло повышение шероховатости поверхности (Ra=0,80 мкм), снижение микротвердости покрытия до 11,5 ГПа.
Аналогично приведенному выше примеру осуществляли металлизацию с получением хромового покрытия на золотниках гидроусилителя рулевого управления Р150, торцевой поверхности ведущей и ведомой шестерен насосов типа НШ-У.
Предложенный способ нанесения хромового покрытия на прецизионные детали из низколегированных конструкционных сталей эффективен в достижении оптимального для эксплуатации сочетания значений износа в парах трения (0,15-0,20 г), микротвердости 17,5-18,5 ГПа и прочности сцепления 100-110 МПа полученных покрытий с подложкой, что обеспечивает увеличение износостойкости деталей в 2,0-2,5 раза по сравнению с серийно выпускаемыми деталями.
Предлагаемое изобретение находится на стадии лабораторно-исследовательских испытаний.