Эффект агента маслянистости на роликовом подшипнике с покрытием DLC

 

 

Рис.7 Отношения между кинематической вязкостью (40°C, 1OO°C) и коэффициентом трения (50°C, 190°C)	Рис 8.Отношения между полосканием  времен в hexane и коэффициентом трения (50°C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 9.Глубина (нм) профили Глубины углерода GDOES

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В статье было упомянуто, что нанесение покрытие осуществлялось методами ионной имплантации[11] или плазменного напыления[12].

 

УПРОЧНЕНИЕ МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Сущность процесса ионной имплантации можно представить следующим образом: атомы какого-либо вещества (или их соединения — молекулы) ионизируются на положительно или отрицательно заряженные ионы, после чего им с помощью электрического поля сообщается энергия, необходимая для имплантации (внедрения) в поверхность твердых тел. Энергия иона, необходимая для внедрения, как правило, должна быть не менее 10 кэВ. При меньших энергиях происходит распыление облучаемой поверхности (ионная очистка) или осаждение пленки (плазменное нанесение покрытий).

Нашей промышленностью выпускаются установки ионной имплантации трех типов: ИЛУ, «Везувий» и «Иола». Среди них установки типа ИЛУ и «Везувий» отличаются большими габаритами, массой (порядка 10 ООО кг) и потребляемой мощностью. Установки требуют специальных помещений и высококвалифицированного обслуживания. Они позволяют производить имплантацию однородных отсепарированных ионов с энергией до 200 кэВ. Ток ионов фосфора — до 200 мкА, бора — до 20 мкА, сепаратор позволяет разделять ионы с массовыми числами от 1 до 120 а. е. м. («Везувий-1»). Для установок ИЛУ токи могут составлять миллиамперы. Установки типа «Иола» отличаются меньшими габаритами, энергия однозарядных ионов регулируется в пределах 20...80 кэВ, сепарация ионов по массам производится до 80 а. е. м.

Впервые применение ионной имплантации как метода упрочнения режущего инструмента было исследовано К. Н. Падюковым в Томском политехническом институте под руководством д. т. н., проф. М. Ф. Полетики. Автором исследовалось влияние ионной имплантации на микротвердость и режущие свойства твердого сплава при обработке конструкционных сталей средней твердости, а также влияние имплантации различных ионов, их дозы и энергии на изменение микротвердости, режущих свойств, распределение концентрации имплантированной примеси в твердых сплавах групп ТК, ТТК и ВК. Исследования стойкости и динамики процесса резания выполнены на сплавах группы ТК при резании стали ШХ15СГ.

По мнению многих авторов считается, что ионная имплантация является более перспективным методом повышения износостойкости инструмента, чем другие ионно-плазменные методы, что метод лишен основного недостатка всех напыляемых покрытий — отслаивания покрытия в процессе работы. Отмечается повышение стойкости инструмента в 2,5...3,5 раза.

Повышение стойкости объясняется повышением микротвердости и уменьшением коэффициента трения, а также (в качестве предположения) возникновением диффузного барьера между обрабатываемым и инструментальным материалами. Рекомендуется проводить легирование твердого сплава групп ТК, ТТК и ВК алюминием, углеродом и цирконием при энергиях 40-60 кэВ, а в качестве оценки результатов имплантации использовать изменение микротвердости твердых сплавов.

Результаты промышленных испытаний различного вида инструмента приведены в табл. 90. Эти результаты наглядно показывают преимущества ионной имплантации и сложнокомпозици-онных многослойных покрытий перед однослойным покрытием из нитрида титана.

Как и вся вакуумная технология, ионная имплантация требует определенной подготовки упрочняемой поверхности. В отличие от других ионно-плазменных методов (КИБ), здесь к имплантируемой поверхности не предъявляются столь жесткие требования. Перед имплантацией поверхность инструмента обезжиривается. Необходимо удалить пятна ржавчины и фосфатное покрытие, так как они будут загрязнять камеру и потребуют длительной очистки поверхности ионным пучком. Удаление производится травлением в кислоте, затем следуют нейтрализация в щелочной среде и промывка в нейтральной.

Промывка должна быть тщательной (по возможности ультразвуковая), так как остатки щелочных соединений могут столь сильно экранировать имплантируемую поверхность, создавая на ней заряд, что ионный пучок будет скользить, будучи не в состоянии пробить образовавшийся диэлектрик. Для инструмента из твердых сплавов (многогранных неперетачиваемых пластин) необходимо следить за хорошим электрическим контактом с подложкой. Это связано с тем, что в процессе имплантации твердый сплав приобретает диэлектрические свойства, приводящие к скапливанию заряда инструмента, экранирующего ионный пучок. В таком случае иногда наблюдается разряд между соседними поверхностями имплантируемых пластин.

В приведенных случаях ионный пучок уже не имплантирует поверхность, а наблюдается оседание на ней элементов пучка в виде легко удаляемой пленки. Частично это явление (экранирование поверхности) снимается импульсным режимом работы системы.

 

СУЩНОСТЬ  ПЛАЗМЕННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

Плазменная  металлизация — это процесс нанесения  покрытия на поверхность изделия  или детали напылением, при котором  для расплавления и переноса материала  на поверхность изделия или детали используются тепловые и динамические свойства плазменной струи. Плазменная струя — это частично или полностью ионизированный газ, обладающий свойством электропроводности и имеющий высокую температуру.

Плазменную  струю получают нагревом плазмообразующего газа в электрической дуге, горящей в закрытом пространстве. Устройства для получения плазменной струи получили названия плазматронов или плазменных горелок.

Плазматрон (рис. 1) состоит из охлаждаемых водой катода 1 и анода 4 (сопла). Катод изготовляют обычно из лантанированного вольфрама, а анод — из меди. Катод и анод изолированы один от другого прокладкой из изоляционного материала.

Для получения  плазменной струи 7 между катодом  и ано-дом возбуждают электрическую  дугу 5 от источника постоянного тока напряжением 80—100 В. Электрическая дуга, горящая между вольфрамовым катодом, имеющим форму стержня, и медным анодом, имеющим форму сопла, нагревает подаваемый в плазматрон газ до температуры образования плазмы, т. е. до такого состояния, когда газ становится электропроводным. В поток нагретого газа вводится материал для металлизации. Образующиеся расплавленные частицы материала для металлизации выносятся потоком го-рячего газа из сопла и напыляются на поверхность детали. Температура плазменной струи в зависимости от величины тока дуги и расхода плазмообразующего газа достигает 10 000—30 000° С, а скорость истечения 1000—1500 м/с.

В качестве плазмообразующих газов используют аргон и азот. Аргонная плазма (ионизированный газ) имеет высокую температуру 15 000—30 000° С. Температура азотной плазмы ниже (10 000— 15000°С), но имеет более высокое теплосодержание, а также низкую стоимость. Поэтому азот широко применяется в качестве плазмообразующего газа при плазменной металлизации.

 

Исходный материал покрытия при плазменной металлизации подается в плазматрон в виде порошка, проволоки, прутка или гибкого шнура. В качестве исходного материала   наиболее часто

применяют порошок  с размером частиц от 20 до 150 мкм. Порошок  по трубке 6 из порошкового питателя 8 подается под давлением транспортирующего газа в плазменную -S струю. В качестве транспортирую--Ч щего газа используют азот или аргон. Порошковый питатель определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыления. Расход порошка можно регулировать в пределах от 5 до 12 кг/ч. Попадая в плазменную струю, порошок расплавляется и приобретает скорость 150—200 м/с и выше. Наибольшей скорости полета расплавленные частицы порошка достигают на расстоянии 50—80 мм от среза сопла плазматрона. Скорость полета частиц порошка зависит от величины тока дуги и расхода плазмообразующего газа.

Плазменным  напылением (металлизацией) можно наносить покрытия из материалов, которые не испаряются при высоких температурах, в том числе из металлов, окислов, карбидов, нитридов, а также из многокомпонентных материалов.

Процесс плазменной металлизации имеет высокую производительность (до 12 кг/ч) и позволяет автоматизировать нанесение покрытий на детали. Плазменной металлизацией наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Получаемые плазменным напылением покрытия, как правило, не требуют дальнейшей термической обработки. Плазменные покрытия обладают пористостью, измененным фазовым и химическим составом по сравнению с исходным материалом. Пористость плазменных покрытий составляет в среднем 3—20%. Это объясняется тем, что материал покрытия образуется в результате деформирования и быстрого затвердевания мелких капель напыляемого материала размером до 150 мкм. Для покрытия характерна слоистая структура (рис. 2) с высокой неоднородностью физических и механических свойств. Тип связей между покрытием и деталью (подложкой), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, силы физического и химического взаимодействия. Прочность сцепления покрытия с деталями 200—600 кгс/см².

Для повышения прочности  сцепления покрытий из керамических материалов с поверхностью деталей  обычно наносят подслои из молибдена, нихрома и алюминида никеля.

Толщина покрытий практически не ограничена возможностями самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины покрытия в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Обычно толщина покрытия не превышает 1 мм, так как конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость, жаростойкость и т. д.

Твердость покрытия в зависимости от состава исходного  материала может быть получена в пределах 30—60HRC. Износостойкость покрытия в 1,5—2 раза выше, чем износостойкость стали 45, закаленной до твердости 58—62HRC. Покрытие не снижает усталостной прочности деталей.

Покрытия, полученные способом плазменной металлизации, имеют  более высокие физико-механические свойства по сравнению с покрытиями, нанесенными другими способами металлизации, однако они значительно уступают покрытиям из тех же материалов, полученным наплавкой.

Все свойства плазменных покрытий могут быть значительно  улучшены введением в технологический процесс восстановления деталей операции оплавления покрытия. При оплавлении покрытия появляется жидкая фаза, которая способствует более интенсивному протеканию диффузионных процессов. При этом значительно повышается прочность сцепления покрытия с деталью, увеличивается механическая прочность, исчезает пористость, повышается износостойкость покрытия и сопряженных с ним деталей.

Оплавление  покрытия может быть выполнено ацетилено-кисло-родным пламенем, плазменной струей, токами высокой частоты. Наиболее распространено оплавление покрытий токами высокой частоты, так как при этом обеспечивается локальный (местный) нагрев.

К сплавам, подвергающимся оплавлению, предъявляются следующие требования: температура плавления сплавов должна быть не выше 1000—1100 °С, в оплавленном состоянии сплавы должны хорошо смачивать подогретую поверхность детали и обладать свойством самофлюсования. Практически всем этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе никеля с легирующими добавками хрома, бора и кремния.

Оплавленное покрытие из сплавов с легирующими добавками  хрома, бора и кремния в зависимости  от содержания бора имеет твердость 40—60HRC. Износостойкость оплавленного покрытия превышает износостойкость стали 45, закаленной до твердости 54—58HRC, в 3—4 раза. Прочность сцепления покрытия с деталью после оплавления повышается в 5—10 раз, усталостная прочность деталей после оплавления покрытия повышается на 20—25%, что объясняется упрочняющим влиянием покрытия.

 

 

Вывод

В процессе данной курсовой работы были освоены новые и очень интересные методики поиска материала, обработки найденной информации и адаптации под поставленные задачи.

После анализа  информации, можно сделать вывод, что даже без смазки алмазоподобное покрытие будет хорошо работать на роликовом подшипнике. Оба метода нанесения покрытия будут подходить, но лично я бы наносил покрытие методом плазменного напыления. Он даёт более толстый слой наплавки, что увеличивает ресурс. Из общего обзора видно, что самого низкого коэффициента трения позволяет добиться смазка на основе монолеата глицерина. Было бы интересно попробовать этот метод на практике.

 

Литература:

[1] Yoshida. K.. "Junkatsuka DLC Maku no MasatsuMamou Tokusei." Tribol. Conf. Tokyo. May, 2007.179-180.

[2] Tsuchiya. Y.. "Kougu Zaiiyou to Kougu Hhyoumen Shori," J. Jpn. Soc. Technol. Plast., 46.2005, 823-827.

[3] Nakamori. FL. Tokisue. H.. Kaga. K. and Hiratuka. M, "Influence of Interiayer on Wear Characteristics of DLC Films Deposited on Various Alumimun Alloys." J. Jpn. Inst. Light Met..56,2006,77-81.

[4] Fukui, FL, Okida, J., Moriguchi, H. and Iyori. FL."Aluminum Milling Performance of DLC Coated Tools Prepared by Using a Vacuum Arc Discharge Method," J. Jpn. Soc. Trib.. 49. 2004. 509-517.

[5] Hayashida. K.. "Tribological Properties of DLC Coatings in Rolling Contacts." J. Jpn. Soc. Trib..47.2002,840-845.

[6] Siuniya. T., Morikawa. K.. Mituo, A. and Kataoka, S.. "Application of DLC Coating to Plastic Working Tools." J. Jpn. Soc. Trib., 47, 2002. 821-826.

[7] Tsuchiya, F. and Suzuki. FL. "Improvement of the Mold Releasing Properties by DLC Surface Modification for the Injection Processing," J. Surf. Fin. Soc. Jpn., 58, 2007, 130-133.

[8] Ronkainen, FL. "Tribological Properties of Hydrogenated and Hydrogen-Free Diamond-Like Carbon Coatings," VTT Publications, 434, 2001.

[9] Kano. M., Yasuda, Y and Jiping, Y, "Friction Properties of Tribofrlm Formed from Engine Oil Additives (Parti)." J. Jpn. Soc. Trib.. 48. 2003.54-59.