Использование наноструктурированного ионно-плазменного покрытия нитрида титана для повышения износостойкости плунжерных пар топливных насосов

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 621.7-982

Ю. П. Тарасенко, Л. А. Кривина, Я. А. Фель

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ НИТРИДА ТИТАНА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются плунжера различной конфигурации из стали Р6М5 производственных партий, используемые в составе плунжерных пар автомобильных топливных насосов. Предметом исследования является наноструктурированное ионно-плазменное покрытие нитрида титана, нанесенное на рабочие зоны детали пары трения - плунжера. Целью работы является повышение ресурса плунжерных пар автомобильных топливных насосов, используемых в машиностроительной области.

Материалы и методы. Износостойкое покрытие нитрида титана нанесено методом ионно-плазменного напыления. Анализ структуры покрытия проведен методами оптической металлографии, электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Механические свойства исследованы по ГОСТ 9450-76 с использованием микротвердомера ПМТ-3, исследования фрикционных свойств проводили на установке «Эхо».

Результаты. Разработаны наноструктурированные покрытия нитрида титана (—60 нм), обеспечивающие повышение микротвердости рабочей поверхности плунжера примерно в 2 раза и снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания примерно в 1,8 и 4 раза соответственно. Разработанное покрытие внедрено для повышения износостойкости плунжерной пары трения топливных насосов автомобилей КАМАЗ, МАЗ.

Выводы. Разработанное ионно-плазменное покрытие нитрида титана показало эффективное повышение износостойкости стальной поверхности и внедрено для повышения ресурса плунжерной пары трения в машиностроительной отрасли.

Ключевые слова: пара трения, наноструктурированное ионно-плазменное покрытие, нитрид титана, интенсивность изнашивания.

Yu. P. Tarasenko, L. A. Krivina, Ya. A. Fel'

USAGE OF A NANOSTRUCTURED ION-PLASMOUS TITANIUM NITRIDE COATING FOR IMPROVING WEAR RESISTANCE OF FUEL PUMPS’ PLUNGER PAIRS

Abstract.

Background. The research object is the plungers of various configurations made of Р6М5 steel of production batches, used in the structure of plunger pairs of automobile fuel pumps. The research subject is a nanostructured ion-plasmous titanium nitride coating applied to the working areas of a part of a tension pair - a plunger. The aim of the work is to improve the life time of plunger pairs of automobile fuel pumps, used in the field of machine buidling.

Materials and methods. The wear-resistant titanium nitride coating is applied using ion-plasmous evaporation. The coating structure analysis was carried out using

142

University proceedings. Volga region

№ 3 (31), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

the methods of optical metallography, electronic microscopy and X-ray structural analysis. Mechanical properties were researched according to the GOST 9450-76 standard using a PMT-3 microdurometer; frictional properties were researched on an “Eco” plant.

Results. The authors developed nanostructured titanium nitride coatings (~60 nanometers), providing microhardness improvement of the working surface of plungers approximately 2 times and decrease of the friction coefficient and wear intensity aproximatel 1,8 and 4 times, respectively. The developed coating has been implemented for wear resistance improvement of plunger pairs of fuel pumps in KAMAZ and MAZ automobiles.

Conclusions. The developed ion-plasmous titanium nitride coating displayed effective wear resistance improvement of the steel surface and has been implemented in to the field of machine building for life time improvement of plunger friction pairs.

Key words: friction pair, nanostructured ion-plasmous coating, titanium nitride, wear intensity.

Предмет, тема, цель работы

Объектом исследования являлись плунжера различной конфигурации из стали Р6М5 производственных партий, используемые в составе плунжерных пар автомобильных топливных насосов.

Предметом исследования является наноструктурированное ионноплазменное покрытие нитрида титана, нанесенное на рабочие зоны детали пары трения - плунжера.

Целью работы является повышение ресурса плунжерных пар автомобильных топливных насосов, используемых в машиностроительной области.

Метод и методология проведения работы

Износостойкое покрытие TiN наносили методом ионно-плазменного напыления на установке ВУ-2МБС на рабочую зону плунжеров по режиму: парциальное давление азота в рабочей камере = 0,04 Па, ток дуги

1д = 140 А, напряжение смещения исм = 140 В . Очистка и активация поверхности деталей проводились методом ионной бомбардировки Ti+ в циклическом режиме 5 с (обработка) плюс 5 с (пауза) до полного прекращения дугового разряда на поверхности. Нанесение подслоя a-Ti проводилось в течение 5 мин, нанесение покрытия TiN - 60 мин. Выбранный режим является оптимальным для формирования износостойкого покрытия на данной установке [1, 2]. Температуру нагрева деталей в вакуумной камере контролировали пирометром Optris CT.

Фазовый состав покрытий определяли рентгеновским методом с применением дифрактометра «Дрон-3М» ( Cu-Ka-излучение).

Микроструктуру исследовали методами оптической металлографии (микроскоп «Неофот 32») и электронной микроскопии (растровый микроскоп VEGA//TESKAN).

Микротвердость (Н) измеряли на микротвердомере ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76. Поскольку толщина покрытия сравнима с глубиной индентирова-ния, то проводили теоретические расчеты микротвердости покрытия по формуле [3], учитывающей влияние подложки на процесс измерения:

Engineering sciences. Machine science and building

143

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Н

покр

= Н к +

(н „

- Н

подл

)/

2t/h + 3(t/ну

где Нп0кр - микротвердость покрытия; Нк - микротвердость композиции; Нподл - микротвердость подложки; t - толщина покрытия; h - глубина ин-дентирования.

Шероховатость контролировали на профилометре Tester TR200 по параметру Ra в соответствии с ГОСТ 2789-73.

Исследование фрикционных свойств проводили на лабораторной установке трения при сухом скольжении индентора из стали ШХ-15 с нагрузкой 1 Н.

Испытания износостойкости проводили на установке «Эхо» при сухом поперечном контакте вращающегося стального стержня У10 200 2

(Нц = 1000 кг/мм ) диаметром ~8 мм с нагрузкой N = 3 Н. Геометрические

размеры пятна износа определяли на микроскопе МБС-9. Интенсивность изнашивания и удельный износ материала (Р6М5, TiN) рассчитывали соответственно по формулам [4, 5]:

I = U / L; W = V /

где U - глубина износа; L - длина пути трения; V - объем удаленного при износе материала; Р - нагрузка на индентор.

Результаты работы и область применения

На рис. 1 представлены несколько видов исследуемых плунжеров из стали Р6М5 в штатном исполнении и после нанесения покрытия нитрида титана на рабочую поверхность.

а) б)

Рис. 1. Внешний вид плунжеров исходных и с покрытием TiN: а, б - плунжера различной конфигурации

Для контроля отпуска и усадки основного материала плунжеров проводилось измерение температуры деталей в вакуумной камере установки во время всего процесса нанесения ионно-плазменного покрытия. Средняя температура составила Т = 240 ± 10 °С.

В исходном состоянии основной материал плунжера имел высокую

200 2

микротвердость Нц = 940—980 кг/мм . Однако микротвердость рабочей

144

University proceedings. Volga region

№ 3 (31), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

поверхности составляет —1100 кг/мм2, что может быть обусловлено такими причинами, как механический наклеп, дополнительная термообработка и т.п. В результате нагрева во время напыления покрытия происходит отпуск основного материала и выравнивание твердости по всему объему. При этом среднее значение микротвердости стали Р6М5 после нанесения покрытия TiN соответ-

200 2

ствует техническим требованиям для данной марки стали (Нц = 800 кг/мм ).

Наблюдается незначительная усадка основного материала плунжера по диаметру примерно на 1-3 мкм.

На рис. 2 приведена структура основного материала плунжера в исходном состоянии и после нанесения ионно-плазменного покрытия TiN. Данная структура типична для стали Р6М5, состоит из мартенсита, остаточного аустенита и карбидной фазы. В исходном состоянии (рис. 2,а) в основном наблюдаются крупные карбиды, которые имеют неправильную вытянутую форму, и небольшое количество мелких округлых карбидов. После процесса нанесения покрытия в основном материале плунжера происходит улучшение гомогенности в распределении карбидной фазы.

а) б)

Рис. 2. Структура основного материала (Р6М5) плунжера: а - в исходном состоянии; б - после напыления покрытия

На рис. 3 представлены микрофотографии ионно-плазменного покрытия нитрида титана с поверхности и на поперечном шлифе. Покрытие плотное, с низким содержанием пористости и капельной фазы a-Ti. Фазовый состав покрытия представляет собой б-TiN с кубическим типом кристаллической решетки [2].

Методом электронной микроскопии установлено, что в процессе напыления формируется наноструктурированное покрытие со столбчатой структурой зерен TiN (рис. 4). Поперечный размер зерен составляет ~60 нм. Средняя микротвердость наноструктурированного ионно-плазменного покрытия

50 2

нитрида титана составляет Нц = 1800 кг/мм .

Нанесение покрытия TiN приводит к незначительному увеличению параметра шероховатости Ra поверхности в пределах исходного класса обработки (10-11 класс).

Нанесение покрытия TiN приводит к уменьшению коэффициента трения рабочей поверхности стального плунжера примерно в 2 раза. Коэффициент трения контактной пары «^^ШХ15» после притирки покрытия 0,041.

Engineering sciences. Machine science and building

145

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

б) х400

Рис. 3. Микрофотографии покрытия нитрида титана: а - с поверхности; б - на поперечном шлифе

Рис. 4. Покрытие TiN, напыленное по технологическому режиму: давление газа в камере р = 0,04 Па, ток дуги I = 140 А, опорное напряжение U = 140 В

На рис. 5 приведены зависимости интенсивности изнашивания и удельного объема износа основного материала плунжера (сталь Р6М5) и ионноплазменного покрытия нитрида титана в контакте с поверхностью стального стержня в условиях сухого трения в зависимости от времени испытания при постоянной нагрузке на исследуемые детали.

Нанесение покрытия приводит к уменьшению интенсивности изнашивания, а также удельного объема износа соответственно примерно в 4 и 10 раз. Из приведенных на рис. 5 графиков видно, что интенсивность изнашивания и удельный объем износа поверхностей штатного плунжера и плунжера с TiN покрытием с течением времени испытания выходит практически на постоянные значения.

Разработанное ионно-плазменное покрытие показало эффективное повышение износостойкости стальной поверхности и внедрено для повышения износостойкости плунжера плунжерной пары трения в машиностроительной отрасли.

146

University proceedings. Volga region

№ 3 (31), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Рис. 5. Зависимости интенсивности изнашивания и удельного объема от времени испытания

Заключение

Разработаны наноструктурированные покрытия нитрида титана (~60 нм), обеспечивающие повышение микротвердости рабочей поверхности плунжера примерно в 2 раза и снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания примерно в 1,8 и 4 раза соответственно.

Разработанные ионно-плазменные покрытия внедрены для повышения ресурса плунжерных пар трения в машиностроительной отрасли.

Список литературы

1. Тарасенко, Ю. П. Оптимизация режима вакуумного ионно-плазменного напыления покрытия на основе нитрида титана / Ю. П. Тарасенко, В. А. Сорокин, Л. А. Кривина // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ. - Н. Новгород,

2008. - Т. 68. - С. 118-122.

2. Тарасенко, Ю. П. Оптимизация технологии нанесения ионно-плазменного покрытия нитрида титана на малогабаритные тонкостенные детали / Ю. П. Тарасенко, И. Н. Царева, Л. А. Кривина // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2011. - № 3 (27), ч. 2. - С. 170-174.

3. Тарасенко, Ю. П. Субструктура, механические и фрикционные свойства ионно-плазменных покрытий нитрида титана, полученных при разных парциальных давлениях азота / Ю. П. Тарасенко, И. Н. Царева, И. Г. Романов // Известия Академии наук. Сер. Физическая. - 2002. - Т. 66, № 8. - С. 1223-1225.

4. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. - М. : Машиностроение, 1977. - 526 с.

5. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Книга 1. - М. : Машиностроение, 1978. - 400 с.

References

1. Tarasenko Yu. P., Sorokin V. A., Krivina L. A. Materialovedenie i metallurgiya: tr. NGTU [Materials science and metallurgy: proccedings of NNSTU]. Nizhny Novgorod, 2008, vol. 68, pp. 118-122.

2. Tarasenko Yu. P., Tsareva I. N., Krivina L. A. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta [Bulletin of Samara State Aerospace University]. 2011, no. 3 (27), part 2, pp. 170-174.

3. Tarasenko Yu. P., Tsareva I. N., Romanov I. G. Izvestiya Akademii nauk. Ser. Fizi-cheskaya [Proceedings of the Academy of Sciences. Series: Physics]. 2002, vol. 66, no. 8, pp. 1223-1225.

Engineering sciences. Machine science and building

147

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

4. Kragel'skiy I. V., Dobychin M. N., Kombalov V. S. Osnovy raschetov na trenie i iznos [Basic friction and wear calculation]. Moscow: Mashinostroenie, 1977, 526 p.

5. Trenie, iznashivanie i smazka. Spravochnik. Kniga 1 [Friction, wear and lubrication. Reference book. Book 1]. Moscow: Mashinostroenie, 1978, 400 p.

Тарасенко Юрий Павлович

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией плазменных технологий и полифункциональных покрытий, Институт проблем машиностроения Российской академии наук

E-mail: tribonikanpc@mail.ru

Кривина Людмила Александровна научный сотрудник, Институт проблем машиностроения Российской академии наук

E-mail: tribonikanpc@mail.ru

Фель Яков Абрамович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем машиностроения Российской академии наук

Tarasenko Yuriy Pavlovich Candidate of physical and mathematical sciences, head of laboratory of plasmous technologies and multifunctional coatings, Institute of mechanical engineering problems of the Russian Academy of Sciences (85 Belinskogo street,

Nizhny Novgorod, Russia)

Krivina Lyudmila Aleksandrovna Research officer, Institute of mechanical engineering problems of the Russian Academy of Sciences

Fel' Yakov Abramovich

Candidate of physical and mathematical

sciences, senior stuff scientist, Institute

of mechanical engineer ing problems

of the Russian Academy of Sciences

(85 Belinskogo street, Nizhny Novgorod,

Russia)

E-mail: tribonikanpc@mail.ru

УДК 621.7-982 Тарасенко, Ю. П.

Использование наноструктурированного ионно-плазменного покрытия нитрида титана для повышения износостойкости плунжерных пар топливных насосов / Ю. П. Тарасенко, Л. А. Кривина, Я. А. Фель // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 3 (31). - С. 142-148.

148

University proceedings. Volga region