Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів

Реферат: Винахід належить до області отримання іонно-плазмових покриттів з зносостійкими і антизадирковими властивостями для роботи в парах тертя "алюміній - сталь", "алюміній чавун" шляхом вакуум-дугового осадження. Заявлено покриття з чотирьох шарів, що включають шар молібдену, шар наношарів нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, шар нітриду молібдену і шар молібдену. Технічний результат: плавна зміна пластичності покриття при переході від основи через тверді шари до зовнішнього працюючого шару молібдену, після зносу якого зносостійкість покриття в цілому забезпечують тверді наношари, що чергуються, і шар нітриду молібдену. UA 106958 C2 (12) UA 106958 C2 UA 106958 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області отримання іонно-плазмових покриттів з зносостійкими і антизадирковими властивостями для роботи в парах тертя "алюміній - сталь", "алюміній - чавун" шляхом вакуум-дугового осадження. Такі покриття можуть використовуватися в машинобудуванні, авіабудуванні, металургії та інших галузях народного господарства при створенні конструкцій із захисними, зміцнюючими, зносостійкими, ерозійностійкими покриттями. Використання сплавів на основі алюмінію для виготовлення поршнів дизелів великої потужності з метою поліпшення масогабаритних та інших показників двигуна є дуже перспективним напрямком в двигунобудуванні. Типовим прикладом є жароміцний алюмінієвий сплав АК-4-1 з температурою відпускання 180-200 °С. Алюмінієві сплави цієї групи поєднують у собі міцність і задовільні трибологичні показники, що визначає області їх застосування. Зокрема, сплави цієї групи застосовують при виготовленні поршнів двигунів внутрішнього згоряння. У той же час використання їх пов'язане з певними труднощами, зумовленими недостатньою зносостійкістю і задиркостійкістю цих сплавів. В умовах роботи сильно навантажених двигунів схильність до утворення задирок обмежує їх використання. Зносостійкість, також бажано мати кращу. Тобто цей матеріал може бути типовим прикладом конструкційного матеріалу в машинобудуванні з характерними обмеженнями по допустимій температурі нагріву, що не викликають зниження його механічних властивостей після гарту, та іншими недоліками і обмеженнями при використанні. Однією з основних причин зносу металевих матеріалів є схоплювання тертьових поверхонь. При несприятливому співвідношенні механічних властивостей твердих тіл, що знаходяться в контакті, воно призводить до утворення наростів, задирок, заїдання, катастрофічного пошкодження поверхонь тертя і зношування. Відомо, що для запобігання схоплюванню або зниження ушкоджень, що виникають при схоплюванні, до прийнятного рівня застосовують різні способи [Конструкційні матеріали. Довідник. Під ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машинобудування, 1990. - С. 131; Чайнов Н.Ф. Проблеми і перспективи поршневого двигунобудування в Росії. / Двигунобудування. - 2001, № 4. - С. 46-47; А.П. Семенов. Схоплювання металів і методи його запобіганню при терті. // Тертя і знос. - 1980, т. 1, № 2. - С. 236-246], зокрема, наносять покриття, які не просто покращують властивості тертьових поверхонь, а призводять до утворення нових композиційних матеріалів з притаманним їм комплексом властивостей [Анодні оксидні покриття на легких сплавах. Під ред. І.М. Францевича. - К.: Наукова думка, 1977]. На покриття поршня чинять механічний та корозійний вплив бензин і гази, які утворюються при його згорянні - вуглекислий газ, окис вуглецю, закис азоту, сірчистий газ, концентрації яких залежать від складу бензину. Покриття повинне бути хімічно стійким, в ньому не повинні з'являтися які-небудь плівки або опади. Покриття повинне мати хорошу теплопровідність, що не змінюється в процесі тривалої роботи двигуна. Повинна спостерігатися порівнянність покритих поршнів зі стандартними поршнями по зносостійкості і ступеню зносу поршня, припрацьованість покритих поршнів не повинна поступатися припрацьованості стандартних поршнів. Відоме покриття з піролітичного хрому [див. Юрченко А.Д. та ін.. Захисне покриття з піролітичного хрому: технологія, властивості, результати випробувань і застосування. Дмітровград, 1994. - С. 3-5]. У даному технічному рішенні робочий шар карбіду хрому наносять на основу з алюмінію або його сплаву піролізом рідини "Бархос" при температурі осадження 430-450 °C, тиску пари в камері осадження 0,1…1,0 Па. Істотним недоліком цього покриття є невисока здатність навантаження при його нанесенні на алюміній або сплав алюмінію, так як шар з піролітичного хрому, розміщений на відносно м'якій основі, продавлюється при локалізованому контактному або лінійному навантаженні. При цьому, як показали дослідження, збільшення товщини нанесеного на основу з алюмінію або його сплаву шару карбіду хрому до 50 мкм і більше, крім збільшення витрат дорогих матеріалів, призводить до виникнення значних внутрішніх напружень, що сприяють відшаруванню покриття, його руйнуванню і, як наслідок, втраті працездатності. Найбільш близьким технічним рішенням, що заявляють, за призначенням, технічною суттю та результатом при використанні, є композиційне покриття, нанесене на основу з алюмінію або його сплаву [див. патент РФ № 2175686, М.кл. С23С 28/04], що містить шар з піролітичного карбіду хрому, в якому між основою і шаром з піролітичного карбіду хрому розміщений проміжний шар з оксидокераміки. Недоліком відомого технічного рішення є відносно низька зносостійкість виробів з подібним покриттям при дії підвищених експлуатаційних термомеханічних напруг, особливо, якщо вони мають циклічний характер, через високу схильність покриттів до інтенсивного мікро- і/або макроруйнування в зонах контактування. Крім того, висока ймовірність виникнення критичних напруг, що розтягують на межах розділення "покриття - виріб" внаслідок великої різниці в їх 1 UA 106958 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фізико-механічної властивості, що може призвести до повного руйнування (відшаровування) покриття по межах розділення через виникнення "крайових ефектів", пов'язаних з формуванням критичних напружень руйнування на радіусних ділянках. Зазначені вище недоліки призводять до зниження надійності і довговічності пристроїв, що використовують пари тертя "алюміній - сталь", "алюміній - чавун". Тому задачею технічного рішення, що заявляють, є підвищення зносостійкості і зменшення можливості появи дефектів, пов'язаних з задиркоутворенням. В основу винаходу поставлена задача поліпшення композиційного покриття для алюмінію або його сплаву, в якому, внаслідок виконання покриття з чотирьох шарів, що включають шар молібдену, шар наношарів нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, шар нітриду молібдену і шар молібдену, забезпечується новий технічний результат. Суть його полягає в тому, що структура покриття забезпечує плавну зміну пластичності покриття при переході від основи через тверді шари до зовнішнього припрацювального шару молібдену, після зносу якого зносостійкість покриття в цілому забезпечують безпосередньо тверді наношарами, що чергуються, і шар нітриду молібдену. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому композиційному покритті для алюмінію або його сплаву, згідно з винаходом, покриття виконано з чотирьох шарів і включає шар молібдену, наношари з нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, шар нітриду молібдену і шар молібдену. Згідно з винаходом, перший шар виконаний з молібдену товщиною 0,1-0,3 мкм. Згідно з винаходом, другий шар виконаний у формі наношарів молібдену і нітриду молібдену, що чергуються, з періодом повторюваності 10 нм і товщиною окремих наношарів відповідно 2 нм і 8 нм, при цьому сумарна його товщина складає 0,2-0,5 мкм. Згідно з винаходом, третій шар виконаний з нітриду молібдену товщиною 3,5-5,0 мкм. Згідно з винаходом, четвертий шар виконаний з молібдену товщиною 2,0-3,0 мкм. Як видно з викладу суті технічного рішення, що заявляють, воно відрізняється від прототипу і, отже, є новим. Технічне рішення, що заявляють, має винахідницький рівень. Воно принципово відрізняється від відомих тим, що забезпечує створення покриттів з високим опором зносу і задиркам при збереженні характеристик міцності деталей, що працюють в жорстких умовах промислової експлуатації. Зазначені вище принципові недоліки усунені при нанесенні на виріб багатошарового композиційного покриття, що забезпечує більш сприятливе поєднання кристалохімічних, фізикомеханічних і теплофізичних властивостей шарів покриття і матеріалу виробу. При виконанні в складі покриття зміцнюючого шару, що складається з наношарів нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, виникає ефект блокування мікроповзучості матеріалу виробу при підвищених експлуатаційних термомеханічних напруженнях. Виріб з подібною конструкцією багатошаровокомпозиційного покриття буде більш тривалий час чинити опір макро- і мікроруйнуванню внаслідок більш тривалого часу функціонування покриття, що знижує термомеханічні навантаження на матеріал виробу, а останній створює більш сприятливі умови роботи покриття через кращу опірність мікроповзучості і пластичній деформації. Пропоноване технічне рішення промислово придатне і реалізоване у вигляді покриття Avinit С220 за допомогою обладнання, виготовленого в умовах сучасного виробництва. Воно використовується як антизадиркове зносостійке покриття Avinit С220 на поршнях з деформованого жароміцного алюмінієвого сплаву для дизелів типу Д80. Нанесення покриттів здійснювалося на модернізованій установці Avinit для вакуум-дугового напилювання з вакуумною камерою більшого обсягу і автоматизованою системою управління роботою вакуум-дуговими випарниками і системою подачі реакційних газів в робочий об'єм камери. При відпрацюванні процесів нанесення покриттів основним завданням було вибір параметрів роботи установки, які забезпечували б одержання міцнозчеплених покриттів вибраних складів без розміцнення матеріалу основи. Для жароміцного алюмінієвого сплаву АК4-1, що деформують, такі режими не повинні були знижувати його твердість нижче 110 одиниць за шкалою Бринеля. Проведено відпрацювання методів плазмового очищення в тліючому розряді аргонової плазми і в високощільній аргоновій плазмі, створюваній газовим плазмогенератором установки Avinit, при осадженні покриттів на дослідні зразки з алюмінієвого сплаву. Попереднє бомбардування підкладки перед нанесенням покриття сприятливо позначається і на адгезії, і на якості покриттів. Визначені параметри іонного бомбардування, що забезпечують необхідний 2 UA 106958 C2 5 температурний режим, що дозволяє не допустити перегріву матеріалу основи і забезпечити нанесення міцнозчеплених покриттів. У табл. 1 наведені склади досліджених покриттів, значення їх мікротвердості, товщини. Нанокомпозитні покриття мали шарувату структуру з шарів відповідних складів товщиною ~ 15 нм. Таблиця 1 Склад Mo AlN TiN Mo+Mo2N AlN+Al Mo+Mo2N+Mo (AlN-Ti)нaнoкомпозит (TiN-AlN)нанокомпозит (TiN-AlN)нанокомпозит +Mo 10 15 20 25 Мікротвердість, ГПа 4,0 30 22 25 30 20 35 Товщина, мкм 4÷5 5÷6 5÷6 (~0,3)+(4÷5) (5÷6)+(0,1) (~0,3)+(2÷2,5)+(2,5) 5÷6 5÷6 (5÷6)+(2,5) Проведена оптимізація технологічних параметрів нанесення міцнозчеплених якісних покриттів і вироблене відпрацювання режимів іонно-плазмового нанесення покриттів різного складу (Аl-N; Ті-N; Аl, Ті-N; Мо-N; Мо) і багатошарових композицій на їх основі (Аl-(Аl-N)-Аl; Аl(Аl-N)-Аl-(Аl Ті-N); (Мо-N)-Мо; - (Аl, Ті-N)-Мо) на зразки зі алюмінієвого сплаву АК-4 забезпечують достатню адгезію покриттів і збереження твердості сплаву АК-4 в заданих межах. Виміряні 2 значення твердості основи становили не менше 125 кГ/мм для досліджених зразків. Металографічні дослідження зразків з покриттями підтвердили суцільність і рівномірність по товщині покриттів на всій поверхні зразків. Покриття перерахованих вище складів були нанесені на зразки для проведення триботехнічних випробувань. Випробування з визначення триботехнічних характеристик досліджуваних покриттів проведені за стандартними заводськими методиками на машинах тертя типу СМЦ-2 і 2070 СМТ-1 за схемою "диск - колодка". При ступінчастому навантаженні в Центральній заводській лабораторії ДП "Завод ім. Малишева» (м. Харків). У табл. 2 представлені результати вимірювання величини зносу досліджуваних покриттів, нанесених на "диски" зі сплаву АК4-1, а також "колодок" з гільзового чавуну після випробувань при ступінчастому навантаженні до 6 МПа. Для порівняння випробувані зразки "дисків" без покриття. Таблица 2 N n/n 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 30 Покриття без покриття Mo AlN TiN Mo+Mo2N (TiN-AlN) (AlN-Ti) AlN+Al Mo+Mo2N+Mo Знос диска, г Знос колодки, г 0,0343 0,0632 0,0006 0,0023 0,0180 0,0006 0,0716 0,0008 0,0064 +0,0004 0,0001 0,1233 0,0476 0,0497 0,0340 0,0007 0,0295 0,0003 Відносне поліпшення стійкості 1 2,1 64,2 28,7 56 87,9 0,7 47,6 20,6 Аналіз показує, що зразки сплаву АК4-1 без покриття інтенсивно зношуються і початок задироутворення при навантаженні вище 8 МПа настає значно швидше. Зразки з покриттями витримують максимальні навантаження без задиркоутворення і руйнування. Покриття з чистого Мо має меншу швидкість лінійного зносу в порівнянні зі сплавом АК4-1 і досить незначно зношує контртіло, але, в цілому, проявило низьку зносостійкість і в процесі 3 UA 106958 C2 5 10 15 20 25 30 випробувань практично повністю було зношене до основи. Порівняння результатів випробувань нітридів Аl, Ті і Мо показує, що найбільш зносостійким є покриття AlN, проте при його випробуванні відбувається найбільший знос контртіла, що може характеризувати абразивні властивості цього покриття. Покриття MoN і TiN показали приблизно однакові результати по здібності до зношування. Найбільш високу зносостійкість показало покриття (TiN-AlN), проте воно також має і найбільшу здатність до зношування стосовно контртіла. Покриття Мо+Mo2N+Мо більш зносостійке стосовно контртіла. Знос контртіла не набагато перевершує цей показник при випробуваннях сплаву АК4-1 без покриття, але зносостійкість самого покриття досить висока. При навантаженні покриття Мо+Mo 2N+Мо до межового навантаження 10 МПа зареєстровано значне зменшення коефіцієнтів тертя, що характеризує можливість використання цього покриття як зносостійкого і антифрикційного у відповідних умовах роботи. Таким чином, аналіз отриманих результатів показав, що найкращим поєднанням зносостійкості, здатності до зношування відносно гільзового чавуну і антифрикційним властивостям з досліджених варіантів покриттів мають покриття Mo+Mo 2N+Мо, що мають найнижчу здатність до зношування стосовно контртіла в порівнянні з іншими покриттями і дуже високою зносостійкістю. Ці покриття були вибрані для нанесення як антизадиркових зносостійких покриттів на натурних поршнях з деформованого жароміцного алюмінієвого сплаву для дизелів типу Д80 для проведення стендових випробувань. Проведена оптимізація технологічних параметрів нанесення міцнозчеплених іонно-плазмових покриттів Mo+Mo2N+Мо на поверхню натурних алюмінієвих поршнів дизелів типу Д80. Відпрацьовані режими забезпечують достатню адгезію і збереження твердості сплаву АК-4 в заданих межах. Металографічні дослідження зразків з покриттями підтвердили суцільність і рівномірність по товщині покриттів на всій поверхні зразків. За відпрацьованим режимам нанесено покриття Мо+Mo2N+Мо на алюмінієві поршні дизелів типу Д80 для проведення стендових випробувань. У таблиці 3 представлений результат випробування у вигляді паспорта на дослідну партію поршнів з деформованого жароміцного алюмінієвого сплаву АК4-1 з розробленим антизадирковим зносостійким покриттям Avinit C220 для дизельного двигуна Д80. Таблица 3 Заводський № поршня Склад покриття Товщина покриття, мкм Твердість основи до покриття, НВ Твердість після покриття, НВ 35 40 11 Mo+Mo2N+Mo 0,1+2,5+2,0 101 104 15 Mo+Mo2N+Mo 0,1+2,5+2,0 104 104-106 Стендові випробування поршнів з деформованого жароміцного алюмінієвого сплаву АК4-1 з розробленими антизадирковими зносостійкими покриттями Avinit C220 для дизелів типу Д80 були проведені на ДП "Завод ім. Малишева" (м. Харків). Випробування проведені у складі дизельного двигуна по одноциліндровій схемі з максимальним наближенням до натурних умов експлуатації. Результати проведених стендових випробувань показують, що розроблені нанокомпозитні покриття на сплаві АК4-1 Avinit С220 дозволяють повністю запобігти задиркам при роботі в парі з гільзовим чавуном в умовах тертя ковзання при межових умовах мастила, що відповідають умовам роботі деталей циліндро-поршневої групи двигунів. При цьому відносне збільшення стійкості досягає 20-80 разів, а знос контртіла зменшується в 4-5 разів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 1. Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів, яке відрізняється тим, що воно виконано з чотирьох шарів і включає шар молібдену, шар наношарів нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, шар нітриду молібдену і шар молібдену. 2. Композиційне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що перший шар виконаний з молібдену товщиною 0,1-0,3 мкм. 3. Композиційне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що другий шар виконаний у формі наношарів молібдену і нітриду молібдену, що чергуються, з періодом повторюваності 10 нм і 4 UA 106958 C2 5 товщиною окремих наношарів відповідно 2 нм і 8 нм, при цьому сумарна його товщина складає 0,2-0,5 мкм. 4. Композиційне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що третій шар виконаний з нітриду молібдену товщиною 3,5-5,0 мкм. 5. Композиційне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що четвертий шар виконаний з молібдену товщиною 2,0-3,0 мкм. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5