УДК 621.7.06 Машины и установки. Основные элементы и вспомогательные устройства. Конструкция и принципы действия в целом
Представлена методология для металлополимерных узлов трения превращения процесса трения из разрушительного в созидательный для широкого класса трибоматериалов фрикционного и антифрикционного назначения, а также смазок. Для металлических трибосистем созидательным направлением представлены исследования нитридных, алмазоподобных (DLC), высокоэнтропийных (ВЭС) покрытий. Рассмотрены основные современные методы нанесения покрытий: вакуумно-дуговой метод осаждения покрытий, магнетронный метод распыления, ионное осаждение из паровой фазы углеродных покрытий класса DLC. Рассмотрены особенности высокоэнтропийных покрытий (ВЭП) и покрытий с эффектом памяти формы (ЭПФ). Описаны основные преимущества и недостатки данных методов, а также представлены современные виды покрытий, получаемые PVD-методом. Описаны материалы и методы исследований, включающие в себя нанесение покрытий на установке BRV600, исследование физико-механических свойств, трибологические испытания. Для получения высоких показателей физико-механических и трибологических характеристик определены следующие параметры: для нитридных покрытий CrAlSiN – оптимальная толщина, для углеродных покрытий класса DLC и комбинированных покрытий CrAlSiN + DLC – оптимальная толщина покрытий и технологические режимы нанесения покрытий – величина подачи азота %N и ток индукционных катушек λ, для высокоэнтропийных покрытий TiCrZrHfNb – толщина покрытия, а для CuCrMnFeCoNi влияние меди на коэффициент трения и износостойкость. Полученные покрытия нашли свое применение в тяжелонагруженных трибосистемах: лопатки турбокомпрессора тепловоза 2ТЭ25А и шлицевого соединения трансмиссии хвостового винта вертолета МИ-26. Высокоэнтропийные покрытия предложены для демпферов, которые устанавливаются в узлах крепления двигателя к пилону или пилона к крылу магистрального самолета.
машиностроение, трибология, методы получения вакуумных покрытий, DLC-покрытия, высокоэнтропийные покрытия, покрытия с эффектом памяти формы, фрикционные и антифрикционные узлы трения
В машиностроении используется множество узлов трения, которые являются важнейшим элементом в работе машин и механизмов. Узлы могут быть различной конструкции и назначения, но все они имеют один общий принцип работы – трение между двумя поверхностями. Узлы трения являются одним из важнейших элементов в машиностроении. Важность
заключается в обеспечении плавной, безопасной и безотказной работы механизмов машиностроения [1].
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования для металлополимерных узлов трения позволили сформировать рекомендации по выбору наполнителей, армирующих и легирующих элементов как для фрикционных, так и антифрикционных узлов трения:
– для фрикционных («колесо – тормозная колодка» подвижного состава, «диск – тормозная накладка» и др.) основанием послужили разработанные комплексы программ квантовохимических расчетов по оценке влияния диффузионно-сегрегационных процессов на прочностные характеристики рабочих поверхностей трибосистем. В результате расчетных значений энергии химической связи разработана аттестация сегрегированных атомов, упрочняющих связь между кристаллами в железе и на этой основе определены элементы, добавляемые в композит и способствующие упрочнению и износостойкости металлического контртела за счет их диффузии при трении;
– для трибосистем антифрикционного назначения на основе метода неравновесной термодинамики установлены закономерности формирования пленки фрикционного переноса (ПФП) – вторичных поверхностных структур полимерных композитных материалов на металлическое контртело и показано, что кинетика процесса образования ПФП определяется величиной и направлением трибоЭДС;
– для металлических трибосистем созидательным направлением, повышающим износостойкость и долговечность трибосопряжения является нанесение многофункциональных покрытий (нитридных, углеродных, высокоэнтропийных и с эффектом памяти формы) на металлическую поверхность трибосопряжений. При этом перспективные научные достижения относятся к углеродным материалам, среди которых выделяются алмазоподобные (DLC)-покрытия, основу которых составляет набор sp2 – sp3-электронных конфигураций. Прежде чем рассмотреть методы получения вакуумных покрытий, отметим, что вакуумная ионно-плазменная технология формирует покрытия на основе сильных межатомных связей, которые обладают высокой адгезионной и когезионной прочностью. Однако актуальность еще и в экономии дорогостоящих материалов для изделий, т. к. функциональной зоной является только поверхность, а не весь объем материала, а также достижения высоких эксплуатационных свойств на поверхности изделия.
Методы получения вакуумных покрытий
Вакуумно-дуговой метод осаждения покрытий. Реализация данного метода осуществляется за счет образования вакуумно-дугового разряда в высоком вакууме до 10-4 Па, который развивается в парах материала катода и приводит к генерации катодных пятен размером 10–6…10–3 м на поверхности са мого катода, в котором за счет взрывной эмиссии электронов происходит быстрое достижение температуры кипения материала, что способствует его испарению [2]. Возникший разряд устойчиво горит в парах материала катода при стабилизации напряжения 32 В и силе регулируемого тока 90…200 А. Для ионизации и ускорения ионов плазмы на детали подается отрицательный потенциал опорного напряжения от 60 до 1000 В [3, 4].
Основной недостаток метода состоит в наличии капельной фазы в плазменном потоке размером 0,1…40 мкм. Осаждения микрокапель на поверхность подложки приводит к формированию неоднородной поверхности, повышая шероховатось, уменьшая адгезию покрытия с подложкой, увеличивая внутренние напряжения, приводя к росту дефектов структуры. Для снижения содержания капельной фазы в плазме используют сепарацию плазменного потока с помощью магнитного поля и оптимизацию электрических параметров установки для нанесения вакуумных покрытий [5].
Цель образования покрытий с помощью вакуумно-дугового метода заключается в получении защитных покрытий с сочетанием высоких физико-механических характеристик и низкого коэффициентом трения. За годы развития вакуумных технологий учеными разработано множество видов покрытий для различных отраслей машиностроения, широкую известность среди этих покрытий получили: нитридные покрытия, нанослойные композиционные покрытия.
Магнетронный метод распыления.
Реализация данного метода осуществляется путем создания высокого напряжения в разряженной газовой среде (обычно в аргоне) для создания плазмы тлеющего разряда в вакууме
10-3…10-2 Па при температуре 100…250 °С. При распылении ионы плазмы бомбардируют мишень из материала наносимого покрытия и выбивают атомы, сообщая им энергию, достаточную для перемещения к покрываемой детали и осаждения на ней. В этой технологии используются магниты, локализующие плазму тлеющего разряда на отдельных участках мишени, при этом увеличивается плотность ионов, бомбардирующих поверхность. Магнетронный метод обладает рядом преимуществ в сравнении с вакуумно-дуговым методом: отсутствует капельная фаза, распыленные частицы имеют меньшую температуру, подложка не перегревается [6].
Основные преимущества данного метода заключаются в возможности повторения точного состава мишени в покрытии с высокой плотностью структуры, использование любого материала для нанесения на подложку, нанесение покрытий при низких температурах, возможностью управления качества получаемых покрытий с помощью изменения параметров процесса нанесения, а недостатком является – небольшая скорость напыления, низкий КПД, слабая адгезия покрытия с подложкой, нестабильность фазовых составляющих покрытия, стоимость оборудования [7].
В настоящее время получаемые покрытия с помощью магнетронного распыления – металлокерамические покрытия; металлические покрытия; нанокомпозиты; алмазоподобное покрытие (АПУ), высокоэнтропийные покрытия (ВЭП).
Ионное осаждение из паровой фазы углеродных покрытий класса DLC
Осаждение DLC покрытий проводится методом импульсно-дугового испарения с поджигом дугового разряда через лазерную систему. При выполнении процесса ионного осаждения углеродных покрытий из паровой фазы для стабилизации покрытий DLC в камеру осуществляется напуск азота, процентное содержание которого регулируется с помощью системы газонапуска. DLC-покрытия обеспечивают не только высокую твердость, характерную для алмаза и предельно низкий коэффициент трения, но и обладают технологическими методами изменять соотношение гибридизации sp3/sp2, где sp3 – доля алмазной электронной конфигурации sp3 в структуре покрытия и графитоподобных кластеров с sp2 связями, погруженных в углеродную матрицу с sp3-связями [8, 9]. В наше время актуальным направлением DLC-покрытий являются комбинированные покрытия класса MeC(MeN)/a-C:H, в частности, покрытия систем TiAlN/DLC и CrAlSiN/DLC. При использовании таких покрытий происходит существенное снижение коэффициента трения и повышение износостойкости узлов трения. При этом экспериментально показано, что смазочная среда не оказывает существенного влияния на антифрикционные свойства покрытий. Отмечается также целесообразность более высокого содержания связей sp2 в углеродных покрытиях, которое способствует образованию графитоподобного переходного слоя во время скольжения и приводит к снижению скорости износа.
Высокоэнтропийное покрытие (ВЭП)
Получение данных покрытий стало возможно за счет появления нового класса материалов – высокоэнтропийных сплавов [10]. Это многокомпонентная система, состоящая не менее чем из пяти элементов в виде однофазного твердого раствора замещения с образованием одной фазы с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) или гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) и возможно образование фазы с ОЦК+ГЦК решеткой, конфигурационная составляющая энтропии на порядок выше остальных составляющих. На основе термодинамических представлений энергии Гиббса (полная потенциальная химическая энергия системы) такая система становится минимальной, что придает ей высокую термодинамическую устойчивость. Материалы относятся к классу высокоэнтропийных, если они удовлетворяют ряду критериев: параметрах энтальпии смешения 7 ≤ ∆Нmix ≤ 22 кДж/моль, энтропии смешения: 11 ≤ ∆Smix ≤ 19,5 Дж/(К·моль), разницы атомных размеров: 0 ≤ δ ≤ 8,5, концентрации валентных электронов (VEC), так при VEC ≥ 8 происходит формирование одной фазы ГЦК, при 6,87 ≤ VEC ≤ 8 образуется смесь ОЦК и ГЦК фаз, при VEC ≤ 6,87 в сплаве существует одна фаза ОЦК [11].
Покрытия с эффектом памяти формы (ЭФП)
Материалы с эффектом памяти формы – материалы с сочетанием механических, физических и химических свойств. Актуальность данных материалов заключается в функциональных возможностях: уникальными эффектами термомеханической памяти, высокими прочностными свойства, термомеханической и термоциклической надежностью и долговечностью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью. Главная особенность сплавов с эффектом памяти формы осуществляется за счет прямого и обратного мартенситного превращения в условиях механического (сжатия, растяжения) и термического воздействий. Исходная аустенитная фаза при воздействии на сплав превращается полностью или частично в новую мартенситную фазу, образуя температурный мартенсит и мартенсит деформации, при снятии воздействия происходит полное или частичное обратное превращение.
Материалы и методы исследования
Нанесение покрытии производилось на установке BRV 600, разработанной и смоделированной научным коллективом РГУПС и сделанной в Республике Беларусь компанией «БелРосВак» г. Минск. Уникальность установки заключается в том, что в универсальном подходе выполнения программ нанесения покрытий разными методами (PVD, DLC) и их чередованием осуществляется без выемки образцов из рабочей камеры, что существенно повышает качество наносимых покрытий из-за отсутствия влияния внешней среды. Установка оснащена мощным ионным источником, представляющим собой торцевой холловский ускоритель. В основу энергетической стимуляции процесса очистки поверхности подложки положен принцип формирования плазмы и получения интенсивных потоков ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях Ионная бомбардировка поверхности, выполняемая непосредственно перед нанесением покрытия, совершается с целью удаления оксидных пленок и тонких слоев металла, нагрева и активизации поверхности. Она является необходимым условием обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с подложкой. Установка BRV600 представлена на рис. 1.
Осаждение нитридных покрытий производилось на образцы-подложки из конструкционных сталей с азотированной поверхностью 38Х2МЮА и цементованной – 12Х2Н4А вакуумно-дуговым методом. Нанесение DLC и ВЭП осуществлялось на подложку из конструкционной стали 40ХН2МА с низким (литер «Н») и высоким (литер «В») отпуском, отметим, что высокоэнтропийное покрытие TiCrZrHfNb было получено вакуумно-дуговым методом, а CuCrMnFeCoNi с эквиатомной мишени магнетронным распылением.
Исследования физико-механических свойств (твердости H, модуля упругости E) определялись с использованием установки Nanotest-600 по методу непрерывного индентирования. Кроме того, выполнялся расчет соотношений H/E (сопротивление упругой деформации) и H3/E2 (сопротивление пластической деформации) [12].
Трибологические испытания образов с покрытиями выполнялись на установке
TRB (Швейцария) по схеме «штифт – пластина» при возвратно-поступательном движении пластины и при движении штифта по круговой траектории. Измеряемые характеристики: коэффициент трения μ, интенсивность объемного износа образца с покрытием J.
Результаты исследований
1. Нитридные покрытия
Исследование нитридных покрытий CrAlSiN и их сравнение со свойствами азотированной стали 38ХМЮА и цементованной стали 12Х2Н4А приведено в табл.1
Из анализа табл. 1. можно сделать вывод, что использование покрытия CrAlSiN повышает как прочностные характеристики стальной поверхности (Н; Е; Н/Е; Н3/Е2), так и трибологические (µ, J), а главное, обеспечивается высокая износостойкость. Следует отметить, что толщина покрытия оказывает влияние на его износостойкость, так для покрытия CrAlSiN оптимальное значение толщины является 1,0 ± 0,2 мкм. Отметим, что покрытие на более пластичной подложке из стали 12Х2Н4А обладает износостойкостью выше, чем покрытие на твердой подложке из стали 38Х2МЮА.
Поверхность, на которую наносились покрытия при шероховатости не ниже 10-го класса (Ra ≤ 0,12 мкм и Rz ≤ 0,6 мкм) обеспечивали качественное осаждение данных покрытий, обладающих высокой износостойкостью.
2. DLC-покрытия
При нанесении DLC-покрытий важным было определение влияния технологических параметров на толщину покрытия, на соотношение физико-механических свойств покрытия и подложки, которые влияют на формирование напряженного состояния в зоне контакта, а в итоге на адгезию покрытия. И в этом плане нами определены технологические пути стабилизации толщины DLC-покрытий растворенными атомами азота, а также влияния материала подслоя Ti, комбинированных покрытий CrAlSiN + DLC на свойства алмазоподобрых покрытий.
В результате исследования ними было установлено, что величина подачи азота в камеру %N, ток индукционных катушек λ, давление в камере Р и время осаждения t обеспечивают влияние на физико-механические и трибологические характеристики покрытия, но наиболее эффективными являются %N и λ. Углеродные покрытия DLC с подслоем титана, полученные на подложке из стали 40ХН2МА по оптимальным режимам нанесения при значениях технологических параметров %N = 5,5 ± 0,5 % и l = 2,0 ± 0,2 А, позволяют получить высокую износостойкость из-за того, что твердое покрытие блокирует выход дислокации на поверхность подложки и тормозит тем самым процесс разрушения. При нанесении двухслойных комбинированных покрытий системы CrAlSiN+DLC оптимальные режимы нанесения слоя DLC смещаются к границе наибольших значений интервала параметров %N и l, используемого для осаждения покрытий DLC с подслоем Ti. Установлено, что общая толщина комбинированных покрытий находится в пределах h = 0,85…2,25 мкм (hср = 1,43 мкм), данная величина толщины демонстрирует высокие физико-механические и трибологические характеристики. Исследования покрытий с большей толщиной показало, что при увеличении толщины свыше 2,5 мкм покрытие становится хрупким и при проведении трибологических испыт ний разрушается.
3. Высокоэнтропийные покрытия
Результаты сравнительных физико-механических и трибологических исследований покрытий TiCrZrHfNb и CuCrMnFeCoNi представлены в табл.
Результатом проведенных трибологических исследований покрытия TiCrZrHfNb является найденное сочетание материала подслоя и толщины покрытия ВЭС системы (4…5 мкм), которое позволило снизить износ покрытия в
5 – 6 раз по сравнению с традиционным сочетанием подслоя и толщины покрытия
1,0…2,5 мкм при коэффициенте трения 0,45. Если сравнивать физико-механические характеристики покрытий TiCrZrHfNb и CuCrMnFeCoNi (табл. 2), то можно отметить, что свойства покрытий находятся на одном уровне, но добавление Cu в состав мишени значительно снизило коэффициент трения до 0,1, что соответствует DLC-покрытиям, но отметим, что износ покрытия не наблюдался. С учетом, что толщина CuCrMnFeCoNi составила
11 мкм, а для TiCrZrHfNb 4,03 мкм, то это
различие может являться одной из причин
высокой износостойкости порытый CuCrMnFeCoNi.
Заключение
В результате теоретических (квантово-химических расчетов) и экспериментальных исследований установлено, что при трении фрикционных металлополимерных сопряжений одни атомы (бор, ванадий, хром), выделившиеся из полимера и диффундирующие в металлическое контртело, упрочняют связь между кристаллами в железе, а другие (сера, фосфор, цинк) способствуют разупрочнению. Для антифрикционных узлов трения установлены закономерности образования вторичных поверхностных структур на поверхности металлического контртела и на этой основе предложена технология модифицирования полимеров, обеспечивающая низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Что касается нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий, то установлено, что для нитридного покрытия CrAlSiN толщина покрытия влияет на износостойкость, оптимальная толщина покрытия составила 1,0 ± 0,2 мкм. Для комбинированных DLC-покрытий были определены технологические параметры, при которых покрытие имеет высокую износостойкость. Эффективное влияние на свойства покрытий оказывают: величина подачи азота в камеру %N = 5,5 ± 0,5 % и ток индукционных катушек l = 2,0 ± 0,2 А. Для высокоэнтропийного покрытия TiCrZrHfNb было обнаружено, что при толщине 4…5 мкм происходит снижение износа в 5…6 раз по сравнению с традиционным сочетанием подслоя и толщины покрытия 1,0…2,5 мкм. Добавление Cu в мишень CrMnFeCoNi позволило получить коэффициент трения 0,1 без следов износа при проведении трибологических испытаний.
Широкий диапазон свойств разработанных нами ионно-плазменных покрытий позволят применить их в различных узлах трения как фрикционных, так и антифрикционных. Так покрытия нашли применение в тяжелонагруженных трибосистемах: лопатки турбокомпрессора тепловоза 2ТЭ25А и шлицевого соединения трансмиссии хвостового винта вертолета МИ-26. Высокоэнтропийные покрытия не только обладают высокой износостойкостью, но и широким спектром варьирования значений коэффициента трения, что позволило предложить их для демпферов, которые устанавливаются в узлах крепления двигателя к пилону или пилона к крылу магистрального самолета.
1. Колесников И.В., П.Д. Мотренко, В.И. Колесников, Д.С. Мантуров. Повышение износостойкости металлических и металлополимерных трибосистем путём формирования структуры и свойств их поверхностного слоя // М.: ВИНИТИ РАН, 2021. 168 с.
2. Колесников И.В. Системный анализ и синтез процессов, происходящих в металлополи-мерных узлах трения фрикционного и антифрикционного назначения // М.: ВИНИТИ РАН, 2017. 384 с.
3. Зимин А.М., Иванов В.А., Юттнер Б. Динамика катодных пятен на поверхности бериллия в дуговом вакуумном разряде // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Термоядерный синтез». 2001. №. 2. С. 44–50.
4. Колесников И.В., Мотренко П.Д., Колесников В.И., Новиков Е.С. Теоретико-экспериментальные исследования закономерностей изменения структурно-фрикционных свойств поверхностных слоев металлополимерных трибосистем. Разработка методов повышения износостойкости // М.: ВИНИТИ РАН, 2022. 136 с.
5. Андреев А.А., Саблев Л.П., Григорьев С.Н. Вакуумно-дуговые покрытия // Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010. 318 с.
6. Филатов М.С., Стогней О.В. Получение композитов Ni-ZrO2 с разной концентрацией металлической фазы методом магнетронного ВЧ реактивного напыления // Материалы 13 Международной конференции «Пленки и покрытия – 2017» Санкт-Петербург; 2017. С. 106–109.
7. Локтев Д., Ямашин Е. Методы и оборудование для нанесения износостойких покрытий // Наноиндустрия. 2007. № 4. С. 18–24.
8. Senthilkumar R., Prabhu S., Cheralathan M. Experimental investigation on carbon nano tubes coated brass rectangular extended surface // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 50. P. 1361–1368.9. Spencer E.G., Schmidt P.H., Joy D.C., Sansalone F.J. Ion-beam-deposited polycrystalline diamond-like films // Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29. P. 118–120.
9. Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J., Gan J.-Y., et al. Chang Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes // Advanced Engineering Materials. 2004. Vol. 6. P. 299–303. DOI:https://doi.org/10.1002/adem.200300567.
10. Погребняк А.Д., Комаров Ф.Ф., Береснев В.М., Константинов С.В. и др. Многокомпонентные и высокоэнтропийные сплавы и нитридные покрытия на их основе. // М.: ЛЕНАНД., 2021. 336 с.
11. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. // М.: Машиностроение, 2009. 312 с.
12. Spencer E.G., Schmidt P.H., Joy D.C., Sansalone F.J. Ion-beam-deposited polycrystalline diamond-like films // Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29. P. 118–120.
