Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів

Реферат: Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів. Крім цього, воно виконано з чотирьох шарів і включає шар молібдену, шар наношарів нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, шар нітриду молібдену і шар молібдену. UA 89830 U (12) UA 89830 U UA 89830 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області отримання іонно-плазмових покриттів з зносостійкими і антизадирними 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, ерозиційностійкими 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 відпустки 180-200 °C. Алюмінієві сплави цієї групи поєднують у собі міцність і задовільні трибологічні 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 задиростійкістю цих сплавів. В умовах роботи сильно навантажених двигунів схильність до утворення задирів обмежує їх використання. Зносостійкість, також бажано маги 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, задирів, заїдання, катастрофічному пошкодженні поверхонь тертя і зношування. Відомо, що для запобігання схоплювання або зниження ушкоджень, що виникають при схоплюванні, до прийнятного рівня застосовують різні способи [Конструкційні матеріали. Довідник. Під ред. Б.H. Арзамасова, М., Машинобудування, 1990, с. 131.; Чайнов Н.Ф. Проблеми і перспективи поршневого двигунобудування в Росії. / Двигунобудування. - 2001, № 4, с. 46-47; Α.П. Семенов. Схоплювання металів і методи його запобігання 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 оксідні покриття на легких сплавах. Під ред. І.Μ. Францевича. Κ., Наукова думка, 1977.]. На покриття поршня надають 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 володіти хорошою теплопровідністю, що не змінюється в процесі тривалої роботи двигуна. Повинна спостерігатися порівнянність покритих поршнів зі стандартними поршнями по зносостійкості і ступені зносу поршня, припрацьоваємість покритих поршнів не повинна поступатися припрацьоваємості стандартних поршнів. Відомо 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 430450 °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, втрати працездатності. Найбільш близьким технічним рішенням, що заявляють за призначенням, технічною сутністю 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 с 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 1 UA 89830 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 макроруйнування в зонах контактування. Крім того, висока ймовірність виникнення критичних напруг, що розтягують на межах розділу "покриття-виріб " внаслідок великої різниці в їх фізикомеханічної властивості, що може призвести до повного руйнування (відшаровування) покриття по межах розділу 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 мстою технічного рішення, що заявляють, є підвищення зносостійкості і зменшення можливості появи дефектів, пов'язаних з задирутворенням. В основу корисної моделі 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. Сутність його полягає в тому, що структура покриття забезпечує плавну зміну пластичності покриття при переході від основи через тверді шари до зовнішнього припрацюючого 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 корисної моделі, покриття виконано з чотирьох шарів і включає шар молібдену, наношари з нітриду молібдену і молібдену, що чергуються, шар нітриду молібдену і шар молібдену. Згідно корисної моделі, перший шар виконаний з молібдену товщиною 0,1-0,3 мкм. Згідно корисної моделі, другий шар виконаний у формі наношарів молібдену і нітриду молібдену, що чергуються, з періодом повторюваності 10 им і товщиною окремих наношарів відповідно 2 нм і 8нм, при цьому сумарна його товщина складає 0,2-0,5 мкм. Згідно корисної моделі, третій шар виконаний з нітриду молібдену товщиною 3,5-5,0 мкм. Згідно корисної моделі, четвертий шар виконаний з молібдену товщиною 2,0-3,0 мкм. Як видно з викладу сутності технічного рішення, що заявляють, воно відрізняється від прототипу і, отже, є новим. Технічне рішення, принципово відрізняється від відомих тим, що забезпечує створення покриттів з високим опором зносу і задираку 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 термомеханических напруженнях. Виріб з подібною конструкцією багатошарово-композиційного покриття буде більш тривалий час чинити опір макро- і мікроруйнування внаслідок більш тривалого часу функціонування покриття, що знижує термомеханічні навантаження на матеріал вироби, а останній створює більш сприятливі умови роботи покриття через кращу опірність мікроповзучості і пластичної деформації. Пропоноване технічне рішення промислово придатне і реалізоване у вигляді покриття АВІНІТ С220 за допомогою обладнання, виготовленого в умовах сучасного виробництва. Воно використовується у якості антизадирного зносостійкого покриття АВІНІТ 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 міцнозчіплюваних покриттів обраних складів без розміцнення матеріалу основи. Для жароміцного алюмінієвого сплаву АК41, 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 високощільної аргоновій плазмі, створюваної газовим плазмогенератором установки АВІНІТ, 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 89830 U 5 температурний режим, що дозволяє, не допустити перегріву матеріалу основи і забезпечити нанесення міцнозчіплюваних 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 Мо AIN TiN Мо + MO2N AlN+Al Мо + Mo2N+Mо (АlМ-Ті)нанокомпозит (TiN-AIN) нанокомпозит (TiN-AIN) нанокомпозит +Мо 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 міцнозчіплюваних якісних покриттів і вироблене відпрацювання режимів іонно-плазмового нанесення покриттів різного складу (ΑΙ-N; Ті-Ν; Аl, Ті- Ν; Mo-N; Мо) і багатошарових композицій на їх основі (Аl - (Аl-N) - ΑΙ; Al- (АІ - N) - Аl- (Аl Ті- N); (Мо - N) - Мо; - (ΑΙ, Ті- N) - Мо) на зразки зі сплаву алюмінієвого AΚ-4 забезпечують достатню адгезію покриттів і збереження твердості сплаву АК- 4 в заданих межах. 2 Виміряні значення твердості основи становили не менше 125 кГ/мм для досліджених зразків. Металографічні дослідження зразків з покриттями підтвердили суцільність і рівномірність по товщині покриттів па 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 п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 30 Покриття без покриття Мо AlN TiN Мо+MO2N (TiN-AIN) (ΑΙΝ-Τі) ΑlΝ+Αl Μο+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 покриття ми витримують максимальні навантаження без задироутворення і руйнування. Покриття з чистого Мо має меншу швидкість лінійного зносу в порівнянні зі сплавом ЛК4-1 і досить незначно зношує контртіло, але, в цілому, проявило низьку зносостійкість і в процесі випробувань практично повністю було зношене до основи. Порівняння результатів випробувань 3 UA 89830 U 5 10 15 20 25 нітридів ΑΙ, Ті і Мо показує, що найбільш зносостійким є покриття AIN, 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-AIN), проте воно також володіє і найбільшою здатністю до зношування стосовно контртіла. Покриття Мо + M O 2 N + 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 + Mо 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 по відношенню до гільзового чавуну і антифрикційним властивостям з досліджених варіантів покриттів мають покриття Mo+Mо 2N + Мо, що володіють найнижчою здатністю до зношування стосовно контртіла в порівнянні з іншими покриттями і дуже високою зносостійкістю. Ці покриття були обрані для нанесення як антизадирних зносостійких покриттів на натурних поршнях з деформованого жароміцного алюмінієвого сплаву для дизелів типу Д80 для проведення стендових випробувань. Проведена оптимізація технологічних параметрів нанесення міцнозчіплюваних іонно-плазмових покриттів Mo+Mо2N + Мо на поверхню натурних алюмінієвих поршнів дизелів типу Д80. Відпрацьовані режими забезпечують достатню адгезію і збереження твердості сплаву АΚ- 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 + Mо2N + 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 антизадирним зносостійким покриттям Avinit С220 для дизельного двигуна Д80. 30 Таблица 3 Заводський № поршня Склад покриття Товщина покриття, мкм Твердість основи до покриття (зразок-свідок), НВ Твердість після покриття (зазок-свідок), НВ 35 40 11 Mo+Mo2N+Mo 0,1+2,5+2,0 101 104 15 Mо+Mо2N+Mо 0,1+2,5+2,0 104 104-106 Стендові випробування поршнів з деформованого жароміцного алюмінієвого сплаваЛК4-1 з розробленими антизадирними зносостійкими покриттями Avinit С220 для дизелів типу Д80 були проведені на ДП "Завод ім. Малишєва" (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 покриті я на сплаві АК4-1 Avinit С220 дозволяють повністю запобігти задираки 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 КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 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 для алюмінію або його сплавів за п. 1, яке відрізняється тим, що перший шар виконаний з молібдену товщиною 0,1-0,3 мкм. 3. Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів 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 товщиною окремих наношарів відповідно 2 нм і 8 нм, при цьому сумарна його товщина складає 0,2-0,5 мкм. 4 UA 89830 U 4. Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів за п. 1, яке відрізняється тим, що третій шар виконаний з нітриду молібдену товщиною 3,5-5,0 мкм. 5. Композиційне покриття для алюмінію або його сплавів за п. 1, яке відрізняється тим, що четвертий шар виконаний з молібдену товщиною 2,0-3,0 мкм. 5 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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