Способ формирования на детали покрытия с триботехническими свойствами

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НА ДЕТАЛИ ПОКРЫТИЯ С ТРИБОТЕХНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андреев Михаил Анатольевич Мойсейчик Анатолий Николаевич Маркова Людмила Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56)12984 1, 2010.2014365 1, 1994.1071665 , 1984.2007-303574 .1880499 , 2006. ЦЕЕВ Н.А. и др. Материалы для узлов сухого трения, работающих в вакууме. М. Машиностроение, 1991. - С. 27-31.(57) Способ формирования на детали покрытия с триботехническими свойствами путем ионно-лучевого распыления в вакууме мишени из спрессованного порошка металла или сплава, выбранного с учетом металла или сплава, из которого изготовлена деталь, отличающийся тем, что распыляют мишень, содержащую 35-50 мас.порошка дисульфида вольфрама с размером частиц 50-100 нм. Изобретение относится к металлургии, а именно к способам формирования покрытий с триботехническим свойствами путем нанесения покрытий методом ионно-лучевого распыления в вакууме композиционных мишеней, и может быть использовано для нанесения антифрикционных покрытий на детали машин и механизмов, работающие в узлах трения и износа в различных условиях эксплуатации. Известны способы формирования покрытий с триботехническими свойствами на поверхностях трения деталей методом натирания твердосмазочными материалами, такими как графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, а также другие способы нанесения этих же материалов, электролитное осаждение, термохимический метод, термодиффузионная обработка 1. Недостатком этих способов нанесения покрытий с триботехническими свойствами является необходимость периодического их обновления, поскольку мягкий слой покрытия при работе машин и механизмов с поверхности деталей со временем удаляется. Для обновления покрытия требуется разборка механизма, что зачастую затруднено условиями его эксплуатации. Известен способ формирования покрытия с триботехническими свойствами методом ионного напыления, основанный на бомбардировке в вакууме ионами инертного газа мишени, изготовленной из твердого смазочного материала. Этим методом на поверхностях стальных деталей получают покрытия из дисульфида молибдена, фторопласта и др. 2. 16083 1 2012.06.30 Недостатком данного способа является формирование покрытия из твердого смазочного материала, обладающего мягкой слоистой структурой, которое недолговечно и требует периодического обновления. Наиболее близким к предлагаемому изобретению, по мнению авторов, является способ формирования покрытия с триботехническими свойствами путем ионно-лучевого распыления в вакууме мишени, изготовленной из спрессованного порошка металла или сплава и 25-35 мас.порошка дисульфида молибдена с размером частиц 50-100 нм. Недостатком данного способа является слабая стойкость сформированного покрытия при работе в атмосфере при температуре свыше 400 С. Если в атмосфере при отсутствии влаги окисление 2 начинается при 350 С, то во влажной атмосфере оно становится возможным уже при температуре 80-100 С. Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости, ресурса эксплуатации и расширения условий применения деталей, работающих в узлах трения и износа и высоких температур, за счет формирования покрытия с триботехническими свойствами с низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и стойкостью к высоким температурам в условиях эксплуатации в атмосфере, получаемого в процессе его нанесения методом ионно-лучевого распыления. Это достигается тем, что в известном способе формирования на детали покрытия с триботехническими свойствами путем ионно-лучевого распыления в вакууме мишени из спрессованного порошка металла или сплава, выбранного с учетом металла или сплава, из которого изготовлена деталь, распыляют мишень, содержащую 35-50 мас.порошка дисульфида вольфрама с размером частиц 50-100 нм. Добавление дисульфида вольфрама в металлическую мишень для распыления позволяет получить покрытие с триботехническими свойствами, в котором твердосмазочный материал (в данном случае дисульфид вольфрама) упакован в металлическую матрицу. Такой подход к формированию покрытия с триботехническими свойствами позволяет получить покрытие с достаточно высокой износостойкостью при обеспечении высоких триботехнических характеристик, а также сохранить высокие триботехнические характеристики покрытий при эксплуатации деталей с покрытиями при высоких температурах. Порошок металла или сплава для матрицы мишени выбирается с учетом материала, из которого изготовлена деталь, подлежащая обработке. Например, если деталь изготовлена из титанового сплава, то основу порошковой мишени составляет титан или его сплав, если из бронзы - то бронза, если сталь, содержащая большое количество никеля или хрома, то основой являются никель или хром и т.п. Таким образом, реализуется высокая адгезия покрытия с триботехническими свойствами к поверхности детали, что обеспечивает ее длительную эксплуатацию. Сущность способа поясняется примером. Для выделения влияния добавки дисульфида вольфрама в мишень для распыления на триботехнические свойства покрытий были проведены измерения микромеханических характеристик покрытий, сформированных из мишеней с добавками 2 и 2, а также были определены коэффициенты трения. Все измерения микротвердости покрытий проводили на микротвердомерес использованием наконечника Кнупа при нагрузке на индентор, равной 0,02 . Высоту неровностей определяли с помощью профилографа-профилометра 252 при вертикальном увеличении 100000. Морфологию поверхности и ширину треков износа изучали с применением сканирующего электронного микроскопа. Результаты испытаний покрытий с триботехническими свойствами, сформированных на основе никеля и титана, представлены в табл. 1 и табл. 2. 2 16083 1 2012.06.30 Таблица 1 Результаты испытаний никелевых покрытий Способ 25 2 6050 20-24 420-440 0,28-0,30 Предлагаемый 352 5850 21-25 400-420 0,23-0,26 Предлагаемый 502 5350 22-25 370-400 0,17-0,18602 4850 23-26 360-380 0,17-0,19 Известный 352 5300 22-25 370-420 0,17-0,18 Для покрытий со специальными триботехническими свойствами, сформированных на основе никеля с добавками дисульфида вольфрама и дисульфида молибдена, триботехнические характеристики находятся в одинаковых пределах. Таблица 2 Результаты испытаний титановых покрытий Высота Ширина Микротверд. неровКоэфф. Способ Состав покрытия трека изнопокрытия, МПа носгей,трения са, мкм 25 2 4920 22-25 430-460 0,23-0,27 Предлагаемый 35 2 5150 20-23 400-420 0,23-0,26 Предлагаемый 50 2 5920 19-21 380-400 0,19-0,260 2 5970 20-22 370-390 0,19-0,22 Известный 352 5870 19-21 400-440 0,18-0,2 Введение дисульфида вольфрама в титановую мишень для распыления в количестве менее 35 не даст явно выраженного увеличения эксплуатационных свойств ионнолучевых покрытий. Как видно из табл. 1 и 2, предлагаемый способ формирования покрытий с триботехническими свойствами, путем введения в мишень для распыления дисульфида вольфрама и дисульфида молибдена, позволяет получить покрытия со следующими триборотехническими характеристиками Увеличение концентрации дисульфида вольфрама в мишени для распыления до 60 мас.не повысило триботехнические свойства покрытий. Это объясняется тем, что при увеличении концентрации дисульфида вольфрама свыше 50 не наблюдается существенного увеличения твердости, износостойкости и снижения шероховатости, но снижается прочность композиционной мишени, что приводит ее к разрушению после нескольких циклов использования. Исходя из этого, оптимальным вариантом для формирования покрытий с триботехническими свойствами является содержание дисульфида вольфрама в мишени для распыления в количестве 35-50 мас. . Для покрытий с триботехническими свойствами, сформированных на основе никеля с добавками дисульфида вольфрама и дисульфида молибдена, триботехнические характеристики находятся в одинаковых пределах. Для определения воздействия на триботехнические свойства покрытий высоких температур были повторно проведены измерения триботехнических свойств покрытий после выдержки изделий с покрытиями с добавками 2 и 2 в печи при температуре 500 С в течение 8 часов. 16083 1 2012.06.30 Результаты испытаний никелевых покрытий после выдержки в печи в течение 8 часов при температуре 500 С. Таблица 3 Способ Результаты испытаний хромовых покрытий после выдержки в печи в течение 8 часов при температуре 500 С. Таблица 4 Способ Предлагаемый Предлагаемый Известный Высота Ширина неровностей трека Значения триботехнических свойств и микромеханических характеристик покрытий на основе титана с добавками 2 практически не изменились. Как видно из табл. 3 и 4, предлагаемый способ формирования покрытия с триботехническими свойствами, путем введения в мишень для распыления дисульфида вольфрама,позволяет сохранить высокие триботехнические характеристики после выдержки покрытий в течение 8 часов при температуре 500 С. Частицы дисульфида вольфрама выбраны размером 50-100 нм для того, чтобы они равномерно распределялись между частицами металла. Это необходимо для получения более однородной структуры мишени. Связано это с тем, что чем более однородная структура мишени, тем более однородным получается структура формируемого покрытия. Источники информации 1. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах Учеб. для вузов. - Минск Выш. шк., 1999. - С. 123-127. 2. Цеев Н.А., Козелкин В.В., Гуров А.А. и др. Материалы для узлов сухого трения, работающие в вакууме Справочник / Под общ. ред. В.В.Козелкина. - М. Машиностроение,1991. - С. 28, 31. 3. Патент РБ 12984, 2010. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4