МНОГОСЛОЙНОЕ, ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2015 года по МПК F16K3/30 C23C14/02 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для дисковых клапанов средних и больших размеров, может быть использовано в машиностроении, агрегато- и двигателестроении при создании запорных и регулирующих конструкций для регулирования больших расходов и перепадов давлений, в частности в дисковых клапанах с улучшенными функциональными свойствами такими, как антифрикционные, прочностные, износостойкие, эрозионностойкие и пр.

Надежность работы трубопроводной системы определяется, в частности, надежностью и долговечностью подвижных деталей регулирующих устройств, какими являются, например, золотниковые пары регулирующих и запорных устройств.

Известно, что дисковые золотниковые пары наиболее часто используют в таких устройствах, как, например, осевой запорно-регулирующий клапан [см. описание к патенту РФ №2375627, М. кл. F16K 3/08, опубл. 10.12.09 г.], в котором надежность и долговечность обеспечиваются за счет расположения механизмов, приводящих в движение золотник относительно седла.

Однако в результате длительной эксплуатации такого механизма надежность клапана существенно снижается не за счет износа деталей механизма управления движением золотника, а вследствие износа поверхностей золотника и седла клапана.

Известен также осевой запорно-регулирующий дисковый клапан [см. описание к патенту РФ №238292, М. кл. F16K 3/08, опубл. 27.02.10 г.], в котором, благодаря особенностям исполнения золотника, установке оригинального плавающего периферийного уплотнения, наличию разгрузки клапана и рычажного механизма, обеспечиваются герметичность и долговечность клапана, при этом поверхности золотника и седла выполнены из износостойкого материала.

Однако, как следует из описания, использование износостойкого материала на поверхностях золотника и седла оказывается недостаточной и требует существенного усложнения конструкции золотника, что снижает его надежность и надежность устройства в целом.

Стремление снизить нагрузки на золотниковую пару и повысить долговечность дискового клапана приводит к существенному усложнению конструкции регулирующих дисковых клапанов, как, например, в устройстве [см. описание к патенту РФ №2249141, М. кл. F16K 39/00, опубл. 27.03.03 г.], в котором золотник соединен с поршнем, создающим разгружающее воздействие на золотник. Или [см. описание к патенту РФ №2 160862, М. кл. F 16 К 39/04, опубл. 20.12.00 г.,] в котором показана конструкция сложного устройства, долговечность и надежность которого будет в конечном счете определяться долговечностью и надежностью золотниковой пары.

Таким образом, усложнение конструкций устройств не обеспечивает их необходимой долговечности в целом, поскольку требует затрат на реставрацию золотника прежде, чем этого потребуют другие детали устройства.

Поэтому для продления срока службы, например золотниковой пары, используют различные способы ее восстановления, в частности известен способ восстановления соединений типа «плоская золотниковая пара» [см. описание к патенту РФ №2230645, М. кл. В23Р 6/00, опубл. 20.06.04 г.], в котором на поверхности золотника выполняют наплавку, т.е. формируют слой, состоящий из алюминиевых или алюминиево-марганцевых бронз толщиной 90-140 мкм, с микротвердостью 3260-5440 МПа.

Описанное выше техническое решение способствует повышению ресурса плоских золотниковых пар, снижает затраты на эксплуатацию упомянутых выше устройств.

Однако использование мягких бронз возможно в тех случаях, когда золотниковую пару используют при работе с высокочистыми средами, поскольку эрозионная стойкость их оказывается недостаточной.

Известна, например, дисковая пара [см. описание к патенту РФ №2285183, М. кл. F16K 3/08, опубл. 10.10.2008 г.] в составе разгруженного дискового регулирующего клапана, выполненная из специальных материалов, простая по конструкции, которая может обеспечить надежную и долговечную работу устройства при условии стабильности свойств контактирующих поверхностей.

Однако, как и в других случаях, износ контактирующих поверхностей золотниковой пары сводит на нет возможности конструкции разгруженного дискового регулирующего клапана. Дальнейшее повышение надежности дисковых пар связано с применением новых материалов и новых технологий.

Известно износостойкое ионно-плазменное покрытие на основе нитрида хрома, нанесенное на металлическое изделие [см. описание к патенту РФ №2025543, М. кл. С23С 14/08, опубл. 30.12.1994 г.], содержащее ванадий в составе нитрида (Cr-V)N при следующем соотношении хрома и ванадия, ат.%: Cr 28-50, V 50-72.

Описанное выше покрытие может использоваться в промышленности для повышения износостойкости режущего и технологического инструмента, обладает относительной износостойкостью 1-3.08, которая изменяется в зависимости от состава.

Износостойкость такого покрытия относительно высока, но его применение ограничено в основном режущим инструментом, т.е. рассчитано на возможность быстрого восстановления в условиях промышленного производства.

Известно также износостойкое ионно-плазменное покрытие на основе сложного нитрида титана, алюминия и хрома (Ti_xAl_yCr_z)N, нанесенное на металлическое или керамическое изделие [см. описание к патенту РФ №2050060, М. кл. С23С 14/06, опубл. 27.11.2010 г.], в котором содержание хрома (z) зависит от содержания алюминия и титана и находится в пределах от 1/7 до 1/5 от (х-у), при этом 0,05≤х≤у, х/у<1.

Описанное выше покрытие обладает повышенной износостойкостью и может быть использовано для режущего инструмента, т.е. его функциональные возможности также ограничиваются этой областью.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является многослойное, износостойкое покрытие, содержащее азотированный слой и слои нитрида титана [см. описание к патентной заявке США №US 2009/0123737. Покрытие обработанной поверхности, устойчивое к эрозии твердыми частицами, М. кл. В32В 18/00, опубл. 14.05.2009 г.], в котором нитрид титана расположен на азотированном слое, полученным обычным путем, и чередуется со слоями ALCrN толщиной от 10 нм до 100 нм при общей толщине от 19 мк до 20 мк.

Такое покрытие способно оказать заметное сопротивление эрозии твердым частицам.

Однако формирование такого покрытия сопровождается существенным изменением геометрических параметров рабочих поверхностей. Для использования обработанных поверхностей в целом ряде устройств необходима их дополнительная механическая обработка, связанная с уменьшением толщины покрытия до 1-2 мкм, сводящая на нет результаты химико-термической обработки.

Необходимым условием работоспособности распределительной золотниковой пары является минимальная сила трения, которая при работе в среде, например, авиационного топлива обеспечивается гидростатической разгрузкой, а также высокой твердостью деталей (≥61 HRC) и точными геометрическими параметрами рабочих поверхностей (неплоскостность ≤0,0006 мм и шероховатость R_a=0,02).

Однако в процессе эксплуатации нередки дефекты из-за возникновения микроповреждений рабочей плоскости золотника твердыми частицами, которые находятся в рабочей жидкости, что приводит к увеличению силы трения.

Поэтому целью предлагаемого технического решения является увеличение срока службы, например, дисковой золотниковой пары путем повышения твердости и уменьшения износа поверхности золотника, контактирующей с седлом.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном многослойном, износостойком покрытии, содержащем слои нитрида титана, расположенные на предварительно азотированной поверхности, согласно изобретению покрытие выполнено из четырех слоев, каждый из которых сформирован из нанослоев, при этом первый слой выполнен из нанослоев титана, второй слой - из чередующихся нанослоев титана и нитрида титана, третий и четвертый слои выполнены из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия при разных соотношениях толщин слоев.

Согласно изобретению первый слой из нанослоев титана выполнен толщиной в два раза меньшей чем каждый из следующих слоев.

Согласно изобретению второй слой из чередующихся нанослоев титана и нитрида титана выполнен толщиной 0,2-0,3 мкм.

Согласно изобретению чередующиеся нанослои титана и нитрида титана выполнены с периодом повторяемости 10 нм и толщиной отдельных нанослоев соответственно 2 нм и 8 нм.

Согласно изобретению третий слой выполнен из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия TiN-AlN (50/50) с периодом повторяемости 20 нм и одинаковой толщиной отдельных нанослоев, при этом суммарная его толщина составляет 0,5-0,7 мкм.

Согласно изобретению четвертый слой выполнен из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия TiN-AlN (30/70) с периодом повторяемости 12 нм, толщиной отдельных нанослоев 4 и 8 нм, суммарной толщиной 0,5-0,7 мкм.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

Заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем.

В основу изобретения поставлена задача улучшения многослойного, износостойкого покрытия, содержащего нитрид титана, в котором вследствие выполнения покрытия из четырех слоев каждый из которых сформирован из нанослоев на предварительно азотированной поверхности, при этом первый слой выполнен из нанослоев титана, второй - из чередующихся нанослоев титана и нитрида титана, третий и четвертый - из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия при разных соотношениях толщин слоев, обеспечивается новый технический результат.

Он заключается не только в повышении износостойкости, но и в появлении стойкости к эрозии поверхности, например, золотникового диска, которая проявляется отсутствием микроцарапин (повреждаемости) рабочей поверхности частицами, присутствующими в реальной рабочей жидкости, например, в авиационном топливе.

Из характеристики уровня техники видно, что улучшения известных технических решений в данной области техники направлены на усовершенствование конструкции, и это приводит к появлению неоправданно сложных устройств, требующих в процессе эксплуатации дополнительных затрат на их обслуживание.

Заявляемое техническое решение принципиально отличается от известных тем, что обеспечивает существенное изменение технической характеристики, например, дискового золотника, проявляющееся в эрозионной стойкости, которая является следствием существенного повышения твердости и износостойкости и, в результате, долговечности дисковой золотниковой пары в целом.

Фиг. 1 приведен дисковый золотник.

Фиг. 2 - структура износостойкого слоя.

Фиг. 3 - фрагмент протокола автоматизированной системы контроля процесса получения нанопокрытия Ti-TiN с периодом повторяемости 10 нм и толщиной отдельных нанослоев соответственно 2 нм и 8 нм.

Фиг. 4 - фрагмент протокола автоматизированной системы контроля процесса получения нанопокрытия TiN-/AlN (50/50) с периодом повторяемости 20 нм и одинаковой толщиной отдельных нанослоев.

Фиг.5 - фрагмент протокола автоматизированной системы контроля процесса получения нанопокрытия TiN-AlN (30/70) с периодом повторяемости 12 нм и толщиной отдельных нанослоев 4 и 8 нм.

Плоский золотник (Фиг. 1) выполнен из стали 8Х4В9Ф2-Ш, закаленной на твердость ≥60 HRC и азотированной на глубину h=0,05…0,1 мм с твердостью ≥900 HV. На поверхности А дискового золотника в зоне Т, контактирующей с седлом, выполнен износостойкий слой покрытия Avinit C320-ms1 на основе (Ti-Al-N), обеспечивающий эрозионную стойкость.

На фиг. 2 показана структура многослойного, износостойкого покрытия Avinit С320-ms1.

На азотированной поверхности золотника, контактирующей с седлом (на фиг. не показано), сформирован первичный слой 1 Ti толщиной 0,2-0,3 мкм.

Слой 3 представляет собой нанопокрытие TiN-AlN (50/50) с периодом повторяемости 20 нм и одинаковой толщиной отдельных нанослоев, суммарной толщиной 0,5-0,7 мкм (Фиг.4).

Слой 4 представляет собой нанопокрытие TiN-AlN (30/70) с периодом повторяемости 12 нм и толщиной отдельных нанослоев 4 и 8 нм. суммарной толщиной 0,5-0,7 мкм (Фиг.5).

В табл.1, приведенной ниже, показаны технические характеристики используемых покрытий.

Таблица 1 NN   Конструкция покрытия Характеристики покрытий Съем изделий в эксплуатации по причинам повреждения золотниковой пары Ресурс эксплуатации, час Толщина, мкм Микротвердость, HV               1 Золотник без покрытия     900 HV До 30% 200               2 Золотник с покрытием Ti-(Ti-TiN) 1,0-2,0 2000 HV До 30% 200               3 Золотник с покрытием Ti-(Ti-TiN)-(TiN-AlN) (50/50) 1,0-2,0 3000 HV До 10% 200               4 Золотник с покрытием AVINIT С320 - ms1 Ti-(Ti-TiN)(TiN-AlN)-(TiN-AlN)(50/50)-(TiN-AlN)-(30/70) 1,0-2,0 3500 HV 0% 4000              

Как видно из таблицы, нанесение оптимизированного покрытия Avinit C320-ms1 (п.4 табл.1) на рабочую плоскость распределительного золотника существенно увеличивает сопротивление износу и обеспечивает высокую устойчивость поверхности к эрозии (повреждаемости) твердыми посторонними частицами за счет резкого увеличения твердости до ≥3200 HV.

Длительность работы золотниковой пары при этом увеличена с 200 час до 4000 час.

Золотник с покрытием Avinit C320-ms1 использован в деталях пар трения насосов-дозаторов и регуляторов агрегатов топливопитания и регулирования авиадвигателей НД-450; НД450М; НД450С и НД-МС2.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для дисковых клапанов средних и больших размеров, может быть использовано в машиностроении, агрегато- и двигателестроении при создании запорных и регулирующих конструкций для регулирования больших расходов и перепадов давлений, в частности в дисковых клапанах с улучшенными функциональными свойствами такими, как антифрикционные, прочностные, износостойкие, эрозионно стойкие и пр. Многослойное покрытие расположено на предварительно азотированной поверхности и содержит слои нитрида титана, причем покрытие выполнено из четырех слоев, каждый из которых сформирован из нанослоев, при этом первый слой выполнен из нанослоев титана, второй из чередующихся нанослоев титана и нитрида титана, третий и четвертый выполнены из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия при разных соотношениях толщин нанослоев. Изобретение позволяет увеличить длительность работы золотниковой пары с 200 час до 4000 час. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Многослойное покрытие, расположенное на предварительно азотированной поверхности, содержащее слои нитрида титана, отличающееся тем, что покрытие выполнено из четырех слоев, каждый из которых сформирован из нанослоев, при этом первый слой выполнен из нанослоев титана, второй - из чередующихся нанослоев титана и нитрида титана, третий и четвертый выполнены из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия при разных соотношениях толщин нанослоев

2. Многослойное покрытие по п. 2, отличающееся тем, что первый слой из нанослоев титана выполнен толщиной в два раза меньшей чем каждый из следующих слоев.

3. Многослойное покрытие по п. 2, отличающееся тем, что второй слой из чередующихся нанослоев титана и нитрида титана выполнен толщиной 0,2-0,3 мкм.

4. Многослойное покрытие по п. 2, отличающееся тем, что чередующиеся нанослои титана и нитрида титана выполнены с периодом повторяемости 10 нм и толщиной отдельных нанослоев соответственно 2 нм и 8 нм.

5. Многослойное покрытие по п. 2, отличающееся тем, что третий слой выполнен из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия TiN-AlN (50/50) с периодом повторяемости 20 нм и одинаковой толщиной отдельных нанослоев, при этом суммарная толщина третьего слоя составляет 0,5-0,7 мкм.

6. Многослойное покрытие по п. 2, отличающееся тем, что четвертый слой выполнен из чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия TiN-AlN (30/70) с периодом повторяемости 12 нм, толщиной отдельных слоев 4 нм и 8 нм, суммарной толщиной 0,5-0,7 мкм.