Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Методика формирования многослойных ионно-плазменных покрытий на поверхностях деталей машин

Методика формирования многослойных ионно-плазменных покрытий на поверхностях деталей машин

Предложена методика выбора условий формирования многослойных ионно-плазменных покрытий (ИПП) на поверхностях деталей машин и инструмента. Методика опирается на проведенные теоретико-экспериментальные исследования.

Одним из наиболее перспективных путей повышения эксплуатационных свойств поверхностей приборов, деталей машин и инструментов является использование упрочняющих технологий, одна из которых — нанесение на рабочие поверхности деталей покрытий методом конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ).
Несмотря на развитие и совершенствование оборудования и технологической базы, не решен ряд задач, например, связанных с рекомендациями условий и технологических параметров осаждения защитных и упрочняющих покрытий для многообразия геометрических конфигураций и материалов приборов, деталей машин и инструментов.
Для типовых вариантов поверхностей деталей в работе [1] ранее рекомендованы схемы осаждения многослойных ИПП, позволяющие получить заданное распределение толщины покрытий по поверхности образца. Однако при анализе публикаций по выбору режимов осаждения для различных материалов основы выявлены лишь разрозненные данные, представляющие собой частные случаи рекомендации режимов осаждения ионно-плазменных покрытий, которые на практике необходимо корректировать под конкретные схемы и модели оборудования, реализующие метод КИБ [2].
В связи с этим целью этой работы является создание методики, обеспечивающей выбор условий формирования работоспособных многослойных ионно-плазменных покрытий (ИПП) на поверхностях деталей машин и инструментов.
Основные положения методики. При разработке методики были сделаны следующие основные ограничения и допущения:
• окончательный вариант условий осаждения многослойных ИПП принимается после оценочных расчетов остаточных напряжений и сил сдвига на границах слоев многослойного ИПП и пробного осаждения покрытия;
• выбор условий осаждения многослойных ИПП согласно данной методике производится для ИПП, получаемых на моделях установок ВУ-1Б, ВУ-2МБС и др., где отсутствует управление шириной плазменной струи и индукцией магнитного поля. Выбираемыми технологическими параметрами осаждения ИПП являются ток дуги, отрицательный смещающий потенциал подложки, давление реакционноспособного или инертного газа в камере;
• окончательные условия осаждения специальных слоев покрытий необходимо принимать с учетом конкретных эксплуатационных условий. Например, для деталей машин, работающих в условиях жидкостного трения, внешний слой, задерживающий смазку, формируется при пониженном смещающем потенциале подложки для повышения пористости.
Исходные данные:
геометрические параметры обрабатываемой поверхности;
условия эксплуатации (температура нагрева поверхности, рН среды, величина возможных контактных напряжений).
Основные положения методики:
1. Исходя из геометрической формы и требуемых эксплуатационных свойств поверхности выбирается материал ИПП и схема осаждения согласно рекомендациям работы [1] (рис. 1).
2. С помощью алгоритма выбора структуры многослойных ИПП [3] определяется предварительная структура и толщина слоев покрытий. При этом необходимо учитывать, что толщина одного слоя из нитридов и карбидов металлов IV—VI групп не должна превышать 3 мкм [3].
3. Даются рекомендации по подготовке поверхности деталей машин и инструментов перед осаждением ИПП.
4. С учетом ранее выбранных материалов и толщины слоев ИПП (см. п.1, 2) выбираются предварительные технологические параметры осаждения (ТПО) слоев многослойного ИПП с учетом рекомендаций [2, 4] — ток горения дуги, отрицательный смещающий потенциал подложки, давление газа в камере, время осаждения.

Рис.1. Алгоритм рекомендации схемы осаждения и материала слоев многослойных ИПП

5. Производится оценка напряженного состояния многослойного ИПП с учетом принятых ТПО [4—7]. Рассчитываются компоненты:
температурные и внутренние напряжения в слоях многослойных ИПП. Для расчета используются зависимости, приведенные в работах [4—6] и разработанное программное обеспечение; возможные эксплуатационные напряжения. Расчет эксплуатационных напряжений в каждом конкретном случае практического применения деталей машин имеет свои особенности. Разработано программное обеспечение для оценки компонент напряжений, возникающих при эксплуатации в слоях ИПП на поверхностях деталей машин, имеющих форму тел вращения.
Программа рассчитывает напряжения в слоях ИПП для случая эксплуатационных нагрузок, имеющих направление вдоль оси поверхности осаждения, в результате чего в ИПП возникают осевые эксплуатационные напряжения растяжения [7]. При этом учитываются случаи осаждения ИПП как на наружные, так и на внутренние поверхности вращения. Для случаев, когда вектор внешней нагрузки направлен по касательной к поверхности (например, для случаев, аналогичных условиям эксплуатации поршневых колец), оценку компонент эксплуатационных напряжений можно выполнить с использованием зависимостей, приведенных в работе [5]).
Далее определяются критические напряжения и силы сдвига на границах слоев, приводящие к разрушению слоев и покрытия в целом [4, 6]. При этом необходимо учитывать, что плоские поверхности с ИПП обладают большей стойкостью к разрушению под действием сжимающих остаточных напряжений, возникающих в слоях многослойных ИПП, чем поверхности вращения. В связи с этим для поверхностей, у которых радиус кривизны отличен от нуля, для оценки критических напряжений в слое ИПП не рекомендуется использование зависимостей, приведенных в работе [6], справедливых только для плоских подложек. Критические напряжения в слое ИПП в этом случае необходимо определять с учетом коэффициента запаса по формуле [9]:

где k: — константа, k = 14,74; Ec, vc— соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона слоя ИПП; t— толщина слоя покрытия; с — толщина переходной зоны между i и i-1 слоями покрытия (для первого слоя — толщина переходной зоны между первым слоем и подложкой).
При превышении критических сжимающих напряжений происходит продольный изгиб покрытия и развивается трещина вдоль границы раздела "подложка — первый слой или последующие i и i-1 слои" многослойного ИПП. Дальнейшее развитие трещины ведет в конечном итоге к отслаиванию и разрушению покрытия, в связи с этим принимаются меры, рассмотренные в п. 6.
6. В случае превышения на границах слоев многослойного ИПП напряжениями и силами сдвига своего критического значения необходимо скорректировать ТПО согласно методике выбора технологических параметров осаждения в допустимых пределах [8] либо пересмотреть структуру покрытия согласно алгоритму, описанному в работе [3], например, разбить слои с напряжениями выше критических (ТТМ, СгК, Сг2К и др.) на части с вставкой между ними пластичных слоев.
Коррекция структуры покрытия необходима и в случае, если результаты расчета напряженного состояния показывают наличие существенного перепада напряжений на границе слоев покрытия, что может стать причиной зарождения и развития пограничных трещин при превышении номинальных нагрузок при эксплуатации изделий с покрытиями.
Пример реализации методики. Исходные данные: необходимо выбрать условия формирования ИПП на наружной цилиндрической поверхности образца из стали ЗОХН2МФА длиной 200 мм с наружным диаметром 51 мм и диаметром отверстия 45 мм для случая эксплуатации:
механическое разрушающее воздействие (величина возможных контактных напряжений входит в диапазон 100...1000 МПа, балл интенсивности — 3 согласно классификации, приведенной в работе [3]);
тепловое воздействие: температура эксплуатации Тэ — 100 °С входит в диапазон температур 30...150 °С, соответствующий баллу интенсивности — 2 согласно классификации, приведенной в работе [3];
химическое воздействие рН 7...7,5 (балл интенсивности — 1 согласно классификации, приведенной в работе [3]).
Поиск рациональных условий формирования ИПП для указанных исходных данных производится следующим образом. Используя алгоритм, приведенный на рис. 1, исходя из комплекса эксплуатационных требований: износостойкости, теплостойкости, коррозионной стойкости и вида исходной поверхности заготовки — "наружная вращения" выбираются материалы эксплуатационных слоев и вариант схемы осаждения — вариант № 2 согласно рекомендациям [1]. Заготовка устанавливается вертикально в центре подложки, осаждение ИПП производится с бокового катодаиспарителя, подложка вращается с частотой (например, для случая использования установки ВУ-1Б с дополнительным боковым катодным узлом).
Более производительным вариантом (по числу одновременно обрабатываемых заготовок) является вариант с орбитальным движением вертикально расположенных заготовок, например, на установках ВУ-2МБС в стандартной комплектации и др. Для обеспечения каждого из эксплуатационных требований могут быть использованы несколько видов материалов слоев покрытий. В этих группах (см. рис. 1) повторяется титан и соединение Т1>4. Пара Т1—Т1Н является одной из наиболее распространенных для способов ионно-плазменного осаждения, она и выбрана в нашем случае. Применяя алгоритм проектирования структуры многослойного покрытия [3], после объединения слоев получим двухслойную структуру покрытия: Тi — 1 мкм, ТiN — 3 мкм.
Далее выбираются:
1) условия подготовки поверхности перед осаждением (механическая обработка до параметра шероховатости Rа1,25, обезжиривание и очистка в ультразвуковой ванне в среде бензина Бр-1 и спирта, прогрев в парожаровом шкафу до температуры 200 °С, очистка в вакуумной камере в среде тлеющего разряда при напуске аргона, ионная бомбардировка поверхности в циклическом режиме (до температуры поверхности 400 °С);
2) предварительные технологические параметры осаждения слоев многослойного ИПП с учетом рекомендаций [2, 4]:
• для слоя титана: сила тока горения дуги I = 100 А, отрицательный смещающий потенциал подложки U= 125 В, давление азота в камере
р = 5-10-3 Па, время осаждения t=6 мин;
• для слоя ТiN: I = 90 А, U= 150 В, Р = 8-10 -2 Па, t= 27 мин.
Производится теоретическая оценка напряженного состояния многослойного ИПП с учетом принятых ТПО. Температура после ионной бомбардировки подложки перед осаждением первого слоя ИПП принимается Tиб = 400 °С. Расстояние от образца до катода-испарителя выбирается согласно рекомендациям работы [8]. Оценка значений температуры поверхности конденсации ИПП производится с помощью регрессионных уравнений [10]. Более точное экспериментальное значение температуры поверхности формирования ИПП для принятых ТПО может быть получено, например, при использовании пирометрического преобразователя "Смотрич-07". Рассчитываются компоненты суммарных напряжений в слоях ионно-плазменного покрытия при температуре эксплуатации поверхности Тэ- 100 °С (см. табл. 1).
Для рассматриваемого случая, когда возможное относительное удлинение образца с ИПП при эксплуатации составляет E = 0,1 %, можно оценить возникающие осевые и тангенциальные напряжения с помощью разработанного программного обеспечения.

1. Остаточные напряжения в ИПП после осаждения

Слой покрытия

Параметры напряженного состояния ИПП

Напряжения,
вызванные
внедрением атомов, МПа

Максимальные температурные
напряжения на границе слоя, МПа

Эффективные распределенные
силы сдвига на границе с нижним слоем, Н/м

Тi

-281 ±10 %

-414 ±10%

-3786 ±10 %

TiN

-684 ±10 %

-1037 ±10 %

-3666+10%

Рис. 2. Фрагмент программы расчета осевых и тангенциальных напряжений в ИПП, осажденном на сталь ЗОХН2МФА при заданном относительном удлинении образца е = 0,1 %

После расчетов критических напряжений в слоях ИПП, которые оказываются меньше, чем рассчитанные суммарные напряжения, проводится коррекция отрицательного смещающего потенциала с целью снижения концентрации внедренных атомов, а следовательно, внутренних напряжений в ИПП. Окончательно принимаются условия осаждения слоя ТiN: сила тока горения дуги I= 100 А, отрицательный смещающий потенциал подложки U= 110 В, давление азота в камере р = 8-10-2 Па, время осаждения t= 27 мин с дополнительной краткосрочной ионной бомбардировкой поверхности для поддержания температуры формирования ИПП не ниже 300 °С. Производится пробное осаждение ИПП и окончательная оценка работоспособности покрытия.
Экспериментальная проверка положений методики. При разработке методики формирования многослойных ионно-плазменных покрытий на поверхностях деталей машин и инструмента использовались ранее проверенные на практике: алгоритм выбора структуры многослойных ИПП [3]; методика выбора технологических параметров осаждения многослойных ИПП [8]; модель для оценки напряженного состояния многослойных ИПП [5, 6].
Рекомендованные методикой условия осаждения ИПП практически совпали с результатами оптимизации условий осаждения четырехслойного износостойкого покрытия на поршневые кольца [5] (вариант схем №3 [1]). Кроме того, проведена практическая апробация положений разработанной методики для случаев:
схемы осаждения с преобладающим движением плазменного потока внутри сквозного отверстия деталей машин (вариант схем № 4 [1]) при осаждении двухслойного покрытия Тi—TiN на цилиндрические образцы из стали ЗОХН2МФА и листовую сталь;
схемы осаждения с использованием бокового катода-испарителя (вариант № 2 [1]) при осаждении четырехслойного покрытия Тi—ТiN—Тi—ТiN на сверла и фрезы из быстрорежущей стали Р18 и Р6М5.
Вывод. Предложена методика формирования многослойных ионно-плазменных покрытий на поверхностях приборов, деталей машин и инструмента, которая в зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик слоев многослойных ИПП позволяет выбрать структуру, материал слоев ИПП, схему осаждения и технологические параметры осаждения слоев, обеспечивающие напряжения в них и силы сдвига на границах слоев не выше критических для принятых материалов.

Литература

1. Любимов В.В., Иванов А.В. Выбор схем осаждения многослойных ионно-плазменных покрытий на поверхностях приборного инструментария / Современная электротехнология в промышленности центра России. // Труды VI региональной научно-технической конференции. Тула: ТулГУ, 2003. С. 119-126.
2. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990. 384 с.
3. Lyubimov V.V., Voevodin A.A., Yerokhin A.L. Formal Order for Search of the Principle Structure there of Multilayer Coatings at Their Designing // Phisica status solidi, 145(1994). P. 565-574.
4. Воеводин А.А. Формирование и эксплуатационное поведение многослойных ионно-плазменных покрытий. Дис... канд. техн. наук. / Тульский политехнический институт. Тула. 1991. 223 с.
5. V.V. Lyubimov, A.A. Voevodin, A.L. Yerokhin, Y.S. Timofeev, I.K. Arkhipov. Development and Testing of Multilayer Physically Vapour Deposited Coatings for Piston Rings / Surface and Coating Technology, 52(1992). P. 145-151.
6. Lyubimov V.V., Voevodin A.A., Spassky S.E., Yerokhin A.L.
Stress Analysis and Failure Possibility Assessment of Multilayer PVD Coating // Thin Solid Films, 207(1992), P. 117-125.
7. Любимов В.В., Иванов А.В. Напряжения в многослойных ионно-плазменных покрытиях на поверхностях деталей с затрудненным доступом // Современная электротехнология в машиностроении // Труды Международной научно-технической конференции. Тула, 4-5 июня 2002. С. 247-256.
8. Любимов В.В., Иванов А.В. Выбор рациональных режимов получения многослойных Ti—TiN покрытий методом КИБ в вакууме // Оборонная техника, № 4, 5. 1998. С. 23-27.
9. Teixeira V. Mechanical integrity in PVD coatings due to the presence of residual stresses // Thin Solid Films.392(2001).
10. Иванов А.В. Вариант системного выбора рациональных условий осаждения многослойных ионно-плазменных покрытий титана и TiN: Автореф. дис... канд. техн. наук / ТулГУ. Тула, 1997. 19 с.

Справочник инженерный журнал №12 (2004г)

стр.15-19 В.В.Любимов, А.В.Иванов (Тульский государственный университет)

Статьи партнеров