СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
PROCEDURE FOR FORMATION OF COMPOSITE SOLID LUBRICATING COATING ON WORKING SURFACES OF FRICTION UNITS

Изобретение относится к способам формирования композиционных твердых смазочных покрытий (ТСП) для рабочих поверхностей узлов трения, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, таких как криогенная среда, высокие контактные давления, вакуум, и при фреттинг-коррозии в составе различных агрегатов и механизмов, используемых в ракетно-космической технике и атомной промышленности.
(19)
(11)
(13)
(51)
Известен способ защиты механического контакта между двумя металлическими деталями, согласно которому рабочая поверхность, по крайней мере, одной из них, покрыта композитным самосмазывающимся материалом, образованным частицами графита, распределенными в изготовленной из никеля матрице. (Заявка на изобретение RU2005121165A, C23C 4/04 (2006.01) "Способ защиты поверхности механического контакта между двумя металлическими деталями, на которых использована такая защита.")
Недостатком способа является то, что покрытие имеет невысокие твердость и износостойкость, ограниченный ресурс работы и может использоваться только в воздушной и криогенной средах, его невозможно использовать в составе узлов трения, работающих при высоких контактных давлениях, в вакууме, существенно ограничено использование такого покрытия при фреттинг-коррозии.
Целью заявляемого изобретения является получение твердого смазочного покрытия, обладающего повышенной износостойкостью при высоких контактных нагрузках в воздушной среде, в криогенной среде и в вакууме, с высокими значениями ресурса работы при различных видах трения, особенно при фреттинг-коррозии, и повышенным сопротивлением усталости, для этого покрытия характерно исключение задира рабочих поверхностей деталей узлов трения при высоких контактных давлениях.
Поставленная цель достигается тем, что композиционное твердое смазочное покрытие содержит в своем составе нитрид титана и свинец при соотношении компонентов: нитрид титана - 90-95%, свинец - 5-10%, перед нанесением покрытия поверхность подвергают абразивно-струйной обработке в атмосфере порошком корунда с размерами частиц ≤10 мкм, травлению ионами аргона в вакууме равномерным по плотности потоком ионов аргона с энергией до 1,5 кэВ, покрытие наносится в магнетронной распылительной системе в вакууме в реактивной среде смеси газов: аргона с добавлением азота, при этом мозаичная мишень выполнена в виде диска из титана со вставками из свинца, равномерно размещенными на среднем диаметре мишени.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Поверхность основы, на которую будет наноситься покрытие, притирают до шероховатости Ra<0.1 мкм, очищают от притирочной пасты и обезжиривают, а затем подвергают абразивно-струйной обработке порошком корунда дисперсностью ≤10 мкм, что позволяет наряду с увеличением площади поверхности основы повысить ее поверхностную энергию. После этого поверхность образцов высушивают сухим воздухом, промывают спиртом и устанавливают в специальном держателе. Держатель с образцами загружают в вакуумную камеру и подвергают ионному травлению.
Ионное травление поверхности основы осуществляют в вакууме равномерным по плотности потоком ионов аргона средней энергией до 1,5 кэВ, при этом происходит дополнительное повышение поверхностной энергии, с поверхности удаляется окисный слой, дополнительно возникает случайная наношероховатость благодаря избирательному травлению в местах с уменьшенной энергией связи атомов с решеткой: по границам зерен, дефектам кристаллической структуры и др.
X
Для получения покрытия состава TiN-Pb в магнетронной распылительной системе используют мозаичную мишень, представляющую собой монолитный диск титана с размещенными по среднему диаметру мишени равномерно расположенными цилиндрическими вставками из свинца высокой чистоты. Расположение и размеры вставок выбирают такими, чтобы обеспечить присутствие примерно 5-10% свинца в результирующем покрытии.
Равномерность распределения и присутствие смазывающего компонента - свинца в матрице из нитрида титана обеспечивается одновременным сораспылением титана и свинца из одной мозаичной мишени в реактивной среде смеси газов: аргона с добавлением азота.
Пример выполнения способа.
Плоская поверхность образца - диск размером ⌀78Х10 из стали 95Х18 - была подвергнута предварительной ультразвуковой очистке в щелочном растворе и промывке в спирте и ацетоне, затем подвергнута абразивно-струйной обработке в атмосфере корундом крупностью ≤10 мкм с последующей очисткой от остатков абразива и промывкой спиртом.
-4
3
-3
3
3
2
x
Травление поверхности образца ионами аргона проводили в вакуумной камере с помощью ионного источника. Давление в камере - 1,8-2,0·10 мм рт. ст., расход рабочего газа аргона 0,1-0,15 см/с, энергия ионов 1,2-1,4 кэВ, ток ионного пучка 120-150 мА, время очистки 20-30 мин, температура нагрева образцов за время очистки не превышала 180-200°C. Формирование композиционного твердого смазочного покрытия TiN-Pb в магнетронной распылительной системе из одной мозаичной мишени осуществляли в вакуумной камере в реактивной среде смеси газов: аргон с добавлением азота при давлении 4,0-5,0·10 мм рт. ст. при расходах: аргона - 0,33 см/с и азота - 0,25 см/с, напряжение на мишени магнетрона составляло 400-500 B, ток разряда - 4-5 A, максимальное значение магнитного поля - 0,15 Тл. Напряжение смещения на образце составляло 100 B, плотность тока на поверхности образца - 0,2 мА/см, дистанция напыления 90 мм, время напыления 40 мин, температура образца не превышала 180-200°C. Толщина полученного покрытия составляла 4,5-5,0 мкм.
X
На фиг.1 представлена схема вакуумной установки для формирования композиционного твердого смазочного покрытия TiN-Pb в магнетронной распылительной системе с ионным источником, где 1 - вакуумная камера, 2 - поворотный держатель с образцами, 3 - мишень магнетрона, 4 - магнетрон, 5 - кран подачи воды охлаждения, 6 - ионный источник Кауфмана, 7 - кран-натекатель смеси газов: аргона и азота, 8 - кран подачи аргона.
X
X
X
X
На фиг.2 представлены результаты триботехнических испытаний, проводившихся на машине трения УМТ-1 по схеме "палец-диск". По оси абсцисс - время испытаний, по оси ординат - коэффициенты трения покрытий TiN (кривая 9) и TiN-Pb (кривая 10). Давление в контакте составляло 15 МПа, скорость скольжения 2,5 м/с, время испытаний - 60 минут. Из приведенных данных видно, что коэффициент трения покрытия TiN-Pb (кривая 10) в ходе испытаний оставался примерно на уровне 0,08-0,1, тогда как коэффициент трения покрытия TiN (кривая 9) резко возрастал и уже на 20-й минуте испытания прекращали из-за задира покрытия и ответной детали.
X
X
X
X
Испытания на фреттинг-износ образцов (с покрытиями и без) были проведены на специальной машине трения, показанной на фиг.3, где 11 - подвес на рессорах, 12 - датчик перемещений, 13 - ось перемещений, 14 - поддерживающий элемент, 15 - уравновешивающий вес, 16 - действие силы от генератора вибраций, 17 - криогенная среда. Результаты испытаний представлены на фиг.4, где a - износ образца без покрытия, b - износ образца с покрытием TiN, c - износ образца с покрытием TiN-Pb с предварительной обработкой поверхности частицами корунда размером 63 мкм, d - износ образца с покрытием TiN-Pb с предварительной обработкой частицами корунда размером ≤10 мкм. Испытания, проводившиеся при нагрузке до 50 МПа, амплитуде колебаний ±15 мкм, с частотой 160 Гц в среде жидкого азота, показали, что покрытие TiN-Pb с предварительной абразивно-струйной обработкой поверхности корундом дисперсностью ≤10 мкм значительно повысило износостойкость основного материала.
X
X
6
7
При испытаниях на усталость покрытия из TiN, нанесенные на специальные образцы из стали 440 С, выдерживали не более 5×10 циклов и разрушались. Покрытия из TiN-Pb, нанесенные на такие же образцы, не разрушились даже после 10 циклов и продемонстрировали тенденцию к дальнейшей работе.