ПРИМЕНЕНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Основной тенденцией в развитии современного дизелестроения является создание форсированных, надежных и экономичных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности, включая горное машиностроение [1]. Одним из главных направлений обеспечения ресурса их работы направлено на повышение износостойкости ответственных деталей узлов и снижение потерь на трение, что во многих случаях решается использованием износостойких покрытий, в том числе ионно-плазменных [2].

Целью работы являлось исследование триботехнических свойств ионно-плазменных покрытий как твердых (применительно к поршневым кольцам и кулачкам распределительных валов), так и мягких (для вкладышей подшипников).

Метод нанесения покрытий путем осаждения потоков газометаллической плазмы в вакууме в условиях ионной бомбардировки конденсатов (КИБ) реализуется на серийно выпускаемых установках, оснащенных вакуумно - дуговым источником потоков металлической плазмы с водоохлаждаемым катодом. Метод КИБ содержит два основных этапа:

- очистка (распыление) и активация поверхности подложки бомбардировкой ионами осаждаемого материала, ускоренными до энергии 1-3 кВ;

- осаждение плазмы при непрерывной бомбардировке образующегося конденсата.

В качестве материала для износостойких покрытий наибольшее внимание исследователей привлекают материалы на основе карбидов и нитридов переходных материалов IУ-УI группы периодической системы элементов. Это объясняется тем, что фазы внедрения указанных металлов обладают уникальными физико-механическими свойствами (исключительно высокая твердость, износостойкость, тугоплавкость, пластичность при высоких температурах, химическая стабильность и др.); для этих фаз характерны относительно простые кристаллические решетки на базе типичных металлических упаковок, в межатомных промежутках которых расположены атомы внедрения [3].

В первой серии экспериментов исследовались твердые покрытия, получаемые методом ионно-плазменного напыления. В качестве наиболее типичных представителей износостойких покрытий на основе нитридов были выбраны нитрид титана и нитрид молибдена. С целью оценки принципиальной возможности использования этих покрытий для повышения износостойкости таких пар трения, как поршневое кольцо - гильза цилиндра, кулачок - толкатель распределительного вала и др., а также их сравнения, были исследованы их триботехнические характеристики.

Во второй серии изучались мягкие покрытия для вкладышей подшипников на основе трехкомпонентного покрытия на основе свинца (10% олова, 2-3% меди, остальное - свинец) в сравнении с гальваническим покрытием аналогичного состава. Толщина покрытий в обеих сериях составляла 25-30 мкм.

Триботехнические испытания производились на машине трения СМЦ-2 по схеме «колодка – ролик» (рисунок 1). Первоначальный контакт образца-колодки с роликом диаметром 40 мм осуществлялся по линии, затем по мере увеличения нагрузки на колодке вытиралась лунка, размеры которой после окончания испытаний измерялись с помощью инструментального микроскопа. Нагрузка увеличилась ступенями по 62Н (10 делений шкалы нагрузочного устройства) до заедания, критериями которого служило возрастание момента трения до 1,5 H м с автоматической остановкой машины. Момент трения измерялся индуктивным датчиком и записывался потенциометром КСП-2.

Рисунок 1. Схема испытаний: 1 – колодка, 2 – ролик

Смазывание пары трения осуществлялось путем окунания ролика в масло. Перед началом испытаний при вращающемся ролике масло в ванне нагревалось до постоянной температуры 20+2⁰С в течение 1 часа. Одновременно осуществлялся разогрев электрической схемы и приработка образцов. Температура масла в ванне записывалась потенциометром КСП-4.

Частота вращения ролика в испытаниях была принята равной 500 мин^-1, при которой скорость скольжения составляла 1 м/с.

Перед каждым испытанием измерялись шероховатость и твердость рабочей поверхности роликов, после испытания ролик перешлифовывался.

В каждой серии испытывалось 5 пар идентичных образцов.

Противозадирные свойства оценивались величинами критической нагрузки при испытаниях Р_к и удельной нагрузки заедания Р_з, а также с помощью производного показателя - коэффициента задиростойкости оцениваемого как среднее гармоническое относительных показателей:

,

где  и  - критическая и удельная нагрузки заедания материала, выбранного за эталон (при трении в идентичных условиях).

Показатель износостойкости покрытия оценивался удельным объемным износом колодки И_к, отнесенным к единице условной работы трения, при этом также учитывался удельный износ ролика по потере массы И_р и определялся коэффициент износостойкости сопряжения по формуле:

,

где  и  - удельный объемный износ колодки и ролика по потере массы выбранных за эталон, в мм³/10⁶ Н·м и мг/10⁶ Н·м, соответственно;  и - плотность эталонного и исследуемого покрытий в мг/мм³. Коэффициент трения определялся по диаграмме момента трения из выражения:

,

где - средний момент трения в миливольтах перед началом резкого увеличения при заедании; - нагрузка в делениях шкалы нагружающего устройства на той же ступени нагружения; 1,234 – переводной коэффициент тарировочного графика.

Результаты ускоренных сравнительных триботехнических испытаний колодок с покрытием нитридом титана и молибдена на машине трения по роликам из стали 38ХН3МА, закаленным с нагревом ТВЧ и охлаждением в масле до твердости НV530 представлены на рисунке 2 в виде сравнительных гистограмм.

Рисунок 2. Сравнительные триботехнические характеристики ионно-плазменных покрытий нитридов титана (1) и молибдена (2)

Испытания показали, что покрытие нитрида молибдена является более перспективным для деталей типа поршневых колец, чем нитрид титана, так как его коэффициент задиростойкости выше в 2,6 раза, а коэффициент износостойкости сопряжения - в 100 раз. В то же время износ роликов по покрытию из нитрида титана был примерно в 10 раз больше.

Целью испытаний во второй серии было исследование возможностей ионно-плазменного трехкомпонентного покрытия на основе свинца (10% олова, 2-3% меди, остальное - свинец) в сравнении с аналогичным гальваническим покрытием в качестве антифрикционного для подшипников скольжения.

Испытания образцов колодок производились на машине трения при смазывании маслом М14В2 по азотированным роликам из стали 18Х2Н4МА. Гальваническое покрытие аналогичного состава наносилось на подслой никеля толщиной 1-2 мкм, а ионно-плазменное покрытие - без подслоя.

Результаты испытаний, представленные в виде сравнительных гистограмм (рисунок 3) для гальванического (1) и ионно-плазменного покрытия (2), показали, что без какой-либо отработки режимов напыления, ионно-плазменное покрытие имеет более высокие триботехнические свойства, чем аналогичное по химическому составу гальваническое покрытие.

Рисунок 3. Сравнительные триботехнические характеристики гальванического (1) и ионно-плазменного (2) покрытий на основе свинца

Таким образом, в результате выполненных исследований получены результаты, позволяющие разработать рекомендации по использованию ионно-плазменных покрытий для повышения износостойкости ряда ответственных деталей ДВС.

Список литературы:

1. Гилев А.В. Основы эксплуатации горных машин и оборудования / А.В. Гилев, В.Г. Чесноков, Н.Б. Лаврова и др. Красноярск, Сиб. федер. ун-т. 2011 – 276 с.
2. Дроздов Ю.Н. Прикладная трибология (трение, износ и смазка)/ Ю.Н. Дроздов, Е.Г. Юдин, А.И. Белов – М.: Изд-во «Эко-Пресс», 2010. – 604 с.
3. Ильичев Л.Л. Повышение износостойкости и коррозионной стойкости изделий из конструкционных и инструментальных сталей путем нанесения ионно-плазменных покрытий // Л.Л.Ильичев, В.И. Рудаков, Г.В. Клевцов, Н.А. Клевцова // Современные проблемы науки и образования. – 2006. – № 6. – С. 45-46;