способ формирования композитных твердосмазочных покрытий на рабочих поверхностях узлов трения

Формула изобретения

1. Способ формирования композитного твердосмазочного покрытия на рабочей поверхности узла трения, включающий предварительную абразивно-струйную обработку поверхности, очистку поверхности ионным травлением и нанесение покрытия распылением мозаичной мишени в виде диска, выполненного из титана с равномерно распределенными в нем вставками из свинца, в магнетронной распылительной системе в реактивной среде газов - аргона и азота, при этом покрытие наносят из нитрида титана и свинца при следующем соотношении компонентов: нитрид титана - 90-95%, свинец - 5-10%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную абразивно-струйную обработку поверхности осуществляют в атмосфере порошком корунда крупностью 10 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионное травление осуществляют в вакууме равномерным по плотности потоком ионов аргона с энергией до 1,5кэВ.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия в магнетронной распылительной системе используют мозаичную мишень.

Описание изобретения к патенту

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.

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 ₍₁₉₎RU₍₁₁₎2005121165₍₁₃₎A, ₍₅₁₎ 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.

Для получения покрытия состава TiN_X-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.

Травление поверхности образца ионами аргона проводили в вакуумной камере с помощью ионного источника. Давление в камере - 1,8-2,0·10^-4 мм рт. ст., расход рабочего газа аргона 0,1-0,15 см³/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_x-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 ^-3 мм рт. ст. при расходах: аргона - 0,33 см³ /с и азота - 0,25 см³/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 ², дистанция напыления 90 мм, время напыления 40 мин, температура образца не превышала 180-200°C. Толщина полученного покрытия составляла 4,5-5,0 мкм.

На фиг.1 представлена схема вакуумной установки для формирования композиционного твердого смазочного покрытия TiN_X-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.

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_X (кривая 9) и TiN_X-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_X -Pb (кривая 10) в ходе испытаний оставался примерно на уровне 0,08-0,1, тогда как коэффициент трения покрытия TiN_X (кривая 9) резко возрастал и уже на 20-й минуте испытания прекращали из-за задира покрытия и ответной детали.

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_X, c - износ образца с покрытием TiN_X-Pb с предварительной обработкой поверхности частицами корунда размером 63 мкм, d - износ образца с покрытием TiN_X-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_X-Pb с предварительной абразивно-струйной обработкой поверхности корундом дисперсностью 10 мкм значительно повысило износостойкость основного материала.

При испытаниях на усталость покрытия из TiN_X , нанесенные на специальные образцы из стали 440 С, выдерживали не более 5×10⁶ циклов и разрушались. Покрытия из TiN_X-Pb, нанесенные на такие же образцы, не разрушились даже после 10⁷ циклов и продемонстрировали тенденцию к дальнейшей работе.