УЗЕЛ ТРЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F16C33/12 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при нанесении покрытий на сопряженные детали, работающие в узлах трения.

Известен узел контактирующих деталей с износостойким покрытием, выполненным из пористого хрома (авт. св. N 1263897, кл.F 02 F 1/20).

Основным недостатком таких деталей является их низкая стойкость. Это связано с тем, что оно имеет адгезию к детали, а также низкую сплошность. Кроме того, покрытия имеют грубую нерегулярную структуру. Все это снижает его износостойкость. В процессе эксплуатации другая контактирующая деталь взаимодействует как с материалом покрытия, так и с непокрытыми участками. Кроме того, грубая структура покрытия способствует преждевременному износу материала контртела, что снижает ресурс работы узла.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является узел контакта режущих деталей с износостойким покрытием, включающим N, C, O, например, из фаз внедрения переходных материалов (карбидов, нитридов, карбонитридов и других) (авт. св. N 1518579, кл. F 16 C 33/12).

Основным недостатком известного устройства является его невысокая стойкость, которая обусловлена несплошностью покрытия, его грубой структурой и низкой адгезией, вследствие плохой совместимости материала покрытия и основы, а также сравнительно низкими температурами ее разупрочнения (100 500^oC).

Изготовление такого устройства осуществляется методом КИБ.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления деталей, при котором детали размещают в вакуумной камере, прикладывают к ним напряжение, производят очистку и разогрев поверхности ионами переходных металлов, затем напряжение снижают, вводят газ-реагент и конденсируют покрытие (Физика и химия обработки металлов, М. Наука, N 2, 1979, с. 169).

Недостатком известного способа является низкая износостойкость деталей с нанесенными на них покрытиями.

Это объясняется тем, что в нем отсутствуют приемы, обеспечивающие высокую адгезию покрытия к деталям, особенно для низкотемпературных материалов, а также приемы, совершенствующие структуру покрытий из фаз переходных металлов.

Цель изобретения повышение износостойкости контактирующих деталей.

Поставленная цель достигается тем, что рабочая поверхность основы контактирующих деталей снабжена адсорбирующим слоем толщиной 0,01 2 мкм, выполненных на основе переходного металла и компонентов адсорбента, а между адсорбирующим слоем и покрытием сформирован слой адсорбента толщиной 0,1 1,0 мкм, выполненный из переходных материалов, по крайней мере, один из которых является тугоплавким металлом, образующим эвтектику с покрытием.

Предложенное устройство изготавливается способом, при котором в камере дополнительно устанавливают катод, выполненный из компонентов материала адсорбента, проводят очистку и разогрев сначала ионами переходного металла до температуры адсорбции, затем зажигают катод-адсорбент и продолжают очистку и разогрев совместно ионами переходного металла и ионами материала адсорбента до температуры нанесения покрытия, периодически подключая катод-адсорбент на 1,0 1,2 мин с последующей паузой в течение 1,2 2 мин, после чего катод-адсорбент выключают, напряжение на деталях снижают, зажигают на 1 10 мин катод, выполненный из тугоплавкого металла, после чего конденсируют покрытие в среде газа-реагента, причем, тугоплавкий металл выбирают из условия образования его с материалом покрытия эвтектической системы с температурой плавления эвтектики 1500 3000^oC, а в качестве компонентов материала катода-адсорбента используют алюминий и/или кремний.

Заявленные операции и режимы способа обеспечивают расположение предложенных слоев в определенном порядке и тем самым обеспечивают достижение поставленной заявителем цели. Это позволяет сделать вывод, что заявленные изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявленных технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию изобретения "Новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена схема поперечного разреза предложенной конструкции.

Каждая контактирующая деталь состоит из металлической основы 1 с нанесенным на ее поверхность износостойким покрытием 2 и расположенных между ними адсорбирующего слоя 3 и слоя адсорбента 4, расположенного между адсорбирующим слоем и покрытием. Дополнительные слои введены, исходя из того, что адсорбирующий слой формируют с целью увеличения адгезии покрытия к поверхности детали и совершенствования его структуры. Для этого в его состав вводят компоненты адсорбентов, например, алюминий или кремний, которые улучшают совместимость адсорбирующего слоя и последующего слоя адсорбента, создаваемого для снижения поверхностного напряжения на границе деталь-покрытие. В результате того, что этот слой содержит также тугоплавкий металл, образующий эвтектику с покрытием, снижается фазовое напряжение на границе, увеличивается сплошность покрытия. Кроме того, условие того, что металл адсорбента и покрытие образуют эвтектическую систему, позволяет формировать покрытие более мелкодисперсного строения, в котором фаза имеет округлую, повторяющуюся форму (псевдорегулируемую структуру). Кроме того, наиболее мелкодисперсионным строением отличаются покрытия, которые образуют с тугоплавкими металлами или их сплавами эвтектики с температурой плавления 1500 3000^oC. Например, Mo-Ti-C, W-Ti-N и др. При выходе за указанный интервал, например, для сплавов V-Ti-C или Ni-Ti-C зерна покрытия укрупняются и регулярность отсутствует, что снижает долговечность детали с покрытием.

Максимальный эффект предложенного устройства достигается при определенной толщине адсорбирующего слоя и слоя адсорбента. Толщина адсорбирующего слоя, включающего компоненты адсорбентов, например, алюминий и кремний, выбраны в пределах 0,01 2 мкм.

Так как при меньших толщинах адсорбирующий слой обладает низкой адсорбирующей стойкостью, а при большей температуре он начинает отслаиваться, что в обоих случаях снижает стойкость изделия. Толщина слоя адсорбента, включающего тугоплавкий металл или его сплав, лежит в пределах 0,1 1,0 мкм. Этот слой является связующим слоем между основой и покрытием. Высокая адгезия конструкции на границе адсобирующий слой адсорбент обеспечивается непосредственно наличием адсорбирующих компонентов, а на границе адсорбат - покрытие тем, что слой адсорбента содержит тугоплавкий металл, образующий эвтектическую систему с материалом покрытия, в которых обычно существует повышенная взаимная растворимость компонентов друг в друге.

Оптимальная толщина слоя адсорбента по результатам исследования составляет 0,1 1,0 мкм. При этом уменьшение или увеличение этого диапазона приводит к нарушению конструкции, то есть снижению адгезии на границах, а следовательно и долговечности деталей вследствие отслоения покрытий.

Изобретение осуществляется следующим образом:
Контактирующие детали располагают в камере, вакуумированной до значения 5•10^-2 мм рт.ст. и проводят очистку и разогрев ионами переходного металла, из которого выполнен катод, до температуры адсорбции.

Температура адсорбции в каждом конкретном случае устанавливалась экспериментально, в большинстве случаев она лежит в пределах 70 120^oC, а в конкретном варианте для алюминия или его сплавов составляет 80^oC, а для кремния или его сплавов 100^oC.

При достижении температуры адсорбции начинают формировать адсорбирующий слой до температуры нанесения покрытия.

Формирование адсорбирующего слоя при разогреве до температуры нанесения покрытия способствует увеличению адгезии между основой и слоем адсорбции, что повышает долговечность узла в целом.

Адсорбирующий слой формируют в прерывистом режиме. Катод с компонентами адсорбента периодически включают на 1,0 1,2 мин. При длительности испарения менее 1 мин в адсорбирующий слой вводится незначительное количество адсорбента, которое неэффективно для последующего осаждения. При горении более 1,2 мин в составе слоя появляется значительное количество интерметаллидных фаз, что приводит к его охрупчиванию в процессе эксплуатации и снижению долговечности деталей. Пауза между зажиганием катода адсорбента составляет 1,5 2,0 мин. При меньшей паузе в слое также образуется значительное количество хрупких интерметаллидов (например, интерметаллидов титана и алюминия при использовании титана, как катода материала покрытия и алюминия адсорбента), при паузе более 2 мин количество адсорбента в слое снижается, что в обоих случаях снижает адгезию и долговечность покрытия. Затем напряжение на деталях снижают и начинают формирование слоя адсорбата. Формирование этого слоя осуществляют в течение 1 10 мин при включении катода тугоплавкого металла или его сплава. При меньшем времени формируются тонкие прерывистые слои адсорбата, которые не улучшают адгезию основы и покрытия, а при большем времени толстый хрупкий слой тугоплавкого металла; что приводит к сколу покрытия.

Среди тугоплавких металлов выбирают только такие, которые образуют эвтектику с материалом покрытия (диаграмма состояния эвтектического типа), и среди них только те, температура эвтектики которых лежит в интервале 1500 - 3000^oC, так как экспериментально установлено, что только эти сочетания компонентов позволяют формировать покрытие с псевдорегулярной структурой.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

В камере установки для нанесения покрытий ННВ-6.6ИI устанавливали одну из контактирующих деталей узла (ролики из подшипника, изготовленные из стали ШХ15), предварительно очищенные от загрязнений. Кроме того, в камеру устанавливали катод, включающий компоненты адсорбента (выполненный из алюминия), и катод, включающий тугоплавкий металл молибден. Камеру вакуумировали до значения 5•10^-5 мм рт.ст. и зажигали дуговой разряд, и испаряли катод из титана. К роликам прикладывали напряжение 800 В и разогревали до температуры 80^oC. Затем подключали катод-адсорбент из алюминия и продолжали разогрев ионами титана и алюминия до температуры 180^oC. Катод из алюминия подключали периодически, при этом время его горения составляло 1 мин, а пауза 2 мин. Таким образом формировали адсорбирующий слой из алюминия. После этого катод из алюминия отключали, зажигали катод из молибдена, снижали напряжение на роликах до 80 В и формировали слой адсорбата на основе титана и молибдена в течение 5 мин. Затем катод из молибдена отключали, в камеру вводили газ-реагент (азот), создавая в ней давление 3•10^-3 мм рт.ст. и выдерживали в течение 45 60 мин, что соответствует толщине покрытия 5 6 мкм. После этого заряд выключали, подачу газа прекращали, с роликов снимали напряжение и охлаждали их в камере до комнатной температуры.

Стойкостные испытания деталей (роликов) машин и механизмов проводили на машине трения АВ-1, контртело в которой выполнено из стали 45. Р нагрузка в зоне контакта составляла 18 30 кг/мм², V скорость вращения контртела составляла 20 60 м/мин. Износостойкость определяли как количество циклов нагружения (N) до разрушения единичного объема шероховатости покрытия.

Стойкостные испытания обрабатывающих деталей (режущего инструмента) проводили в процессе металлообработки резанием. Например, для стальных деталей (спиральных сверл из стали Р6М5) режимы резания составляли: V скорость резания 45 об/мин, S подача 0,18 мм/об, l глубина резания 15 мм.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Анализ результатов испытаний показал наиболее высокую стойкость изделий в заявленных пределах, установленных экспериментально. Из таблицы результатов испытаний можно сделать вывод, что при сочетании тугоплавкого металла с материалом покрытия с образованием эвтектики с температурой плавления 1200
1400^oC (Ni, Co) наблюдается низкая стойкость деталей, т.к. не реализуется псевдорегулярная структура покрытия. Использование заявленного изобретения позволит повысить стойкость изделий по сравнению с прототипом в 2 раза. Могут быть использованы детали с однослойными, многослойными, многокомпонентными покрытиями из фаз внедрения на основе переходных металлов для различных узлов (шаровых, шарнирных соединений, цапф, пальцев, кривошипов, опор скольжения, ходовых винтов и гаек, направляющих для металлорежущих станков и т. д. ) и различных условий контакта (точечного, линейного, плоскостного или прочих всевозможных видов).

Использование: при нанесении покрытий в сопряженных деталях, работающих в узлах трения. Сущность изобретения: с целью повышения износостойкости контактирующих деталей поверхность основы снабжена адсорбирующим слоем толщиной 0,01 - 2 мкм, выполненным на основе переходного металла и компонентов адсорбента. Между адсорбирущим слоем и покрытием сформирован слой адсорбата толщиной 0,1 - 1 мкм, выполненный из переходного металла, по крайней мере, один из которых является тугоплавким металлом, образующим эвтектику с покрытием. С целью повышения износостойкости в способе, включающем размещение контактирующих деталей в вакуумной камере, приложение напряжения к деталям, очистку и разогрев поверхности ионами испаряемых в вакууме катодов, выполненных из переходных металлов, снижение напряжения, введение газа-реагента и конденсацию покрытия, в камере дополнительно устанавливают катод, выполненный из компонентов материала адсорбента. Далее проводят очистку и разогрев сначала ионами переходного металла до температуры адсорбции, затем зажигают катод-адсорбент и продолжают очистку и разогрев совместно ионами переходного металла и ионами материала адсорбента до температуры нанесения покрытия. В указанном процессе периодически подключают катод-адсорбент на 1,0 - 1,2 мин с последующей паузой в течение 1,2 - 2 мин. После чего катод-адсорбент выключают, напряжение на деталях снижают. Зажигают на 1 - 10 мин катод, выполненный из тугоплавкого металла. После чего конденсируют покрытие в среде газа-реагента, причем, тугоплавкий металл выбирают из условия образования его с материалом покрытия эвтектической системы с температурой плавления эвтектики 1500 - 3000^oC. 2 з. п. ф-лы, 1 ил, 1 табл.

1. Узел трения, содержащий по крайней мере две сопряженные рабочие поверхности с металлической основой, по крайней мере одна из которых снабжена износостойким покрытием из фаз внедрения переходных металлов, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости контактирующих деталей, рабочая поверхность основы снабжена адсорбирующим слоем толщиной 0,01 2 мкм, выполненным на основе переходного металла и компонентов адсорбента, а между адсорбирующим слоем и покрытием расположен слой адсорбента, толщиной 0,1 1,0 мкм, выполненный из переходных металлов, по крайней мере один из которых является тугоплавким и образующим эвтектику с покрытием. 2. Способ изготовления узла трения, включающий размещение его в вакуумной камере, приложение напряжения к деталям узла, очистку и разогрев поверхности трения ионами испаряемых в вакууме катодов, выполненных из переходных металлов, снижение напряжения, введение газа-реагента и конденсацию покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения изностойкости деталей, в камере дополнительно устанавливают катод, выполненный из компонентов материала адсорбента, очистку и разогрев проводят сначала ионами переходного металла до температуры адсорбции и продолжают очистку и разогрев совместно ионами переходного металла и ионами материала адсорбента до температуры нанесения покрытия, периодически подключая катод-адсорбент на 1,0 1,2 мин с последующей паузой в течение 1,2 2,0 мин, после чего катод-адсорбент выключают, зажигают на 1 10 мин катод, выполненный из тугоплавкого металла или его сплава, после чего конденсируют покрытие в среде газа-реагента, причем тугоплавкий металл выбирают с учетом образования им с материалом покрытия эвтектической системы с температурой плавления эвтектики 1500 3000^oС. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве компонентов материала катода-адсорбента используют алюминий и/или кремний или сплавы на их основе.