СПОСОБ АНАЛИЗА ИЗНОСА
METHOD OF WEAR ANALYSIS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения характера и степени износа в парах трения.
Известен способ определения износостойкости, при котором износостойкость определяется на основании временной зависимости линейного износа и номинального нормального давления, на основании которых вычисляют эмпирическую зависимость интенсивности изнашивания как функции номинального нормального давления (Патент РФ N 2433384, МПК G01N 3/56, приор. от 21.04.2009, опубл. 10.11.2011).
Однако известный способ не позволяет определить степень и характер износа деталей сложной геометрии.
Известен также способ определения износостойкости покрытий, в котором формируют образец из эталонного материала, наносят на его рабочую поверхность материал испытуемого покрытия, изнашивают его путем истирания. Материал покрытия наносят толщиной не более 10 мкм гальваническим способом на образец, имеющий другой цвет. Об износостойкости судят по времени полного износа покрытия, причем момент окончания износа определяют визуально по изменению цвета покрытия на цвет образца (Патент РФ N 2303773, МПК G01N 3/56, приор. от 07.12.2005, опубл. 27.07.2007), который принят за прототип.
Однако известный способ, принятый за прототип, не позволяет определить степень и характер износа деталей сложной геометрии при различной степени износа локальных областей и обладает сравнительно низкой точностью определения по наличию или отсутствию износа без возможности определения степени износа до окончания срока службы покрытия.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности, информативности и производительности определения характера и степени износа деталей сложной геометрии, в т.ч. до окончания срока службы покрытия и для покрытий малой толщины.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения износостойкости покрытий, в котором на рабочую поверхность наносят материал испытуемого покрытия и изнашивают его путем истирания, согласно предложенному изобретению, перед изнашиванием путем истирания производят ионную полировку поверхности металлического образца, затем ионно-плазменным методом напыляют слои износостойких покрытий различного цвета, при этом общую толщину наносимого покрытия выбирают в интервале от 100 нм до 20 мкм, а после изнашивания покрытия истиранием визуально и с помощью измерительной аппаратуры определяют характер и степень износа.
2
2
3
2
Кроме того, в качестве износостойких покрытий используют нитрид титана (TiN), нитрид циркония (ZrN), нитрид алюминия и титана (TiAlN), нитрид хрома (CrN), оксид циркония (ZrO), оксид алюминия (AlO), борид хрома (CrB).
Кроме того, напыляют от десяти до ста слоев в зависимости от необходимой точности определения износа.
Кроме того, напыляют чередующиеся слои с контрастирующими цветами.
Кроме того, между износостойкими слоями напыляют слой хрома (Cr) толщиной 10 нм.
Кроме того, износостойкие слои напыляют в порядке увеличения твердости.
Технический результат заключается в повышении точности определения характера и степени износа деталей сложной геометрии, в т.ч. до окончания срока службы покрытия, повышение производительности анализа, возможность исследования тонкопленочных покрытий.
Предложенная совокупность существенных признаков заявляемого способа позволяет достичь высокой точности измерений (до 10 нм) за счет наноразмерности наносимых слоев и возможности анализа износа деталей сложной геометрии.
2
2
3
2
Заявляемый способ определения характера и степени износа заключается в том, что сначала производят ионную полировку поверхности металлического образца. Затем ионно-плазменным методом напыляют чередующиеся износостойкие слои различных цветов. В качестве таких слоев выбирают, например, нитрид титана (TiN) ярко-золотого цвета, нитрид циркония (ZrN) соломенного цвета, нитрид алюминия и титана (TiAlN) фиолетово-черного цвета, нитрид хрома (CrN) белого цвета, оксид циркония (ZrO) белого цвета, оксид алюминия (AlO) белого цвета, борид хрома (CrB) серого цвета. При этом толщину и количество слоев выбирают исходя из необходимой точности измерений. Изнашивают покрытие истиранием. Степень и характер износа определяют визуально по изменению цвета покрытия и с помощью измерительной аппаратуры.
Примером реализации предлагаемого способа может служить процесс нанесения износостойкого покрытия на серию раскатных роликов и последующего определения износа покрытия.
-5
Сначала производят изделия, помещают в вакуумную ионно-плазменную установку и создают вакуум 2·10 мм рт.ст. Производят ионную очистку, которая включает по крайней мере две стадии:
-2
- предварительная очистка путем обработки тлеющим зарядом, ток дуги 0 А, ускоряющее напряжение 1,5-2 кВ, среда - аргон, азот, вакуум 5·10мм рт.ст., время обработки составляет 10 мин;
-3
- финишная очистка и нагрев до температуры 500°С, используется циркониевый катод, среда - аргон, вакуум 2,5·10 мм рт.ст., ток дуги 50-70 А, ускоряющее напряжение 700 В.
-5
Затем напыляют сепарированными потоками (ток дуги 50-70 А, ускоряющее напряжение 200 В, вакуум 2,5·10 мм рт.ст.) износостойкие слои в следующем порядке:
1. Чередующиеся слои нитрида титана (TiN) золотистого цвета толщиной 10 нм и нитрида хрома (CrN) белого цвета толщиной 10 нм. Напыляют 25 слоев нитрида титана (TiN) и 25 слоев нитрида хрома (CrN).
2. Чередующиеся слои нитрида циркония (ZrN) соломенного цвета толщиной 10 нм и нитрида хрома (CrN) белого цвета толщиной 10 нм. Напыляют 25 слоев нитрида циркония (ZrN) и 25 слоев нитрида хрома (CrN).
3. Чередующиеся слои нитрида алюминия-титана (TiAlN) фиолетового цвета толщиной 10 нм и нитрида хрома (CrN) белого цвета толщиной 10 нм. Напыляют 25 слоев алюминия-титана (TiAlN) и 25 слоев нитрида хрома (CrN).
2
2
4. Чередующиеся слои борида хрома (CrB) серого цвета толщиной 10 нм и нитрида хрома (CrN) белого цвета толщиной 10 нм. Напыляют 25 слоев борида хрома (CrB) и 25 слоев нитрида хрома (CrN).
Общая толщина покрытия составляет 2 мкм.
Испытания на износ покрытия проводят до полного износа покрытия и производят анализ каждые пять тысяч циклов работы, для чего с помощью микрокатора определяют приближенную степень износа, а визуально по цвету покрытия уточняют характер и степень износа. После испытаний делают заключение об эффективности предлагаемого износостойкого покрытия. В примере реализации предлагаемого способа защитное покрытие позволило повысить срок службы раскатных роликов с двух тысячи циклов до семидесяти двух тысяч циклов работы.
Способ определения характера износа может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, он соответствует критерию «промышленная применимость».
Использование заявляемого способа обеспечивает значительное повышение точности определения характера и степени износа деталей, в т.ч. сложной геометрии, возможность исследования тонкопленочных покрытий.