Инженерия поверхности (surface engine-ering) – относительно новое направление в науке и технологии, включающее как традиционные, так и инновационные способы модифицирования поверхности изделий. Инженерия поверхности охватывает многие области современного материаловедения и базируется на процессах формирования поверхностных слоев с необходимыми свойствами непосредственно в материале-основе, а также нанесения различными методами прочно связанных с ним слоев другого, как правило, композиционного материала со свойствами, отличающимися от свойств основы. Интерес к поверхностному модифицированию обусловлен также тем, что в большинстве случаев именно характеристики поверхности в комбинации со свойствами материала-основы определяют свойства изделия в целом. Кроме того, модифицирование поверхности представляется более привлекательным по сравнению со способами изменения объемных характеристик материалов и изделий с экономических позиций [2]. Формирование торцевых уплотнений: технологии и проблемы
Разработки новых экологически чистых технологий модифицирования для формирования многофункциональных поверхностных слоев и покрытий, защищающих и упрочняющих металлические изделия, – актуальные задачи современной науки и техники. Примером подобного подхода может служить инженерия сопрягаемых поверхностей при создании торцевых уплотнений. Торцевым уплотнением называют герметизирующее устройство контактного типа, которое используют в машинах и механизмах для разделения полостей высокого и низкого давлений. Обычно оно выполнено в виде пары трения торцевых поверхностей двух деталей, одна из которых установлена на роторе, а вторая – на статоре (корпусе) устройства. Торцевым уплотнением также является разновидность упорных подшипников скольжения с парой трения, для функционирования которых необходим подвод смазки в пространство между трущимися поверхностями. Отличие торцевых уплотнений от обычных упорных подшипников по характеру работы состоит в том, что трущаяся пара торцевых уплотнений должна работать в условиях перепадов давления, а в качестве смазки в подавляющем большинстве случаев используется уплотняемая среда. Торцевые уплотнения являются наиболее эффективным и долговечным типом уплотняющих устройств вращающихся валов насосов, других машин и имеют существенные преимущества по качеству герметизации и сроку службы по сравнению, например, с сальниковыми уплотнениями [3]. Во многих случаях повышение долговечности пар трения достигают за счет получения различными методами на сопрягаемых поверхностях достаточно толстых (более 30 мкм) защитных оксидных слоев. В последнее время для этой разновидности инженерии поверхности все шире применяются методы плазменного воздействия в электролитах – сравнительно нового вида электрохимической обработки поверхности преимущественно металлических материалов [4]. Модифицирование с участием электролитной плазмы микроразрядов позволяет синтезировать на поверхности металлов вентильной группы (Al, Mg, Ti, Zr, Nb, Ta и некоторых других, при анодном окислении которых на поверхности образуются оксидные пленки с униполярной проводимостью в системе металл–оксид–электролит) наноструктурированные оксидные композитные слои, которые по многим показателям превосходят покрытия, сформированные иными способами [5]. Сочетание ряда функциональных свойств (высокая твердость, износо- и коррозионная стойкость, электроизоляционные свойства и др.) делает возможным использование модифицированных изделий во многих отраслях промышленности. Однако при разработке и применении данного технологического процесса необходимо учитывать, что его неотъемлемой особенностью является остаточная сквозная пористость в модифицированном слое, которая необходима для реализации физико-химических механизмов, приводящих к плазмообразованию и синтезу требуемых оксидных фаз. В случае, когда не ставится задача формирования на поверхности пористой структуры (например, для удержания смазки или для теплозащиты), пористость следует рассматривать как недостаток, существенно снижающий характеристики материалов и изделий и не позволяющий в полной мере достичь необходимых результатов модифицирования [6]. Для регулирования остаточной пористости (вплоть до ее полного устранения), а также придания поверхности окончательных потребительских свойств, применяют различные виды дополнительной обработки. Среди таковых можно отметить пропитку или наполнение открытых пор различными веществами (органическими и неорганическими жидкостями, полимерами, расплавами металлов); оплавление; механическую обработку и т.п., которые способны "запечатать" открытые поры и существенно расширить области применения оксидированных деталей. Рассмотрим особенности использования одного из плазменно-электролитических методов – микродугового оксидирования (МДО) в сочетании с газофазной депозитной полимеризацией (ГДП) [6] для заполнения остаточной открытой пористости. Подобное объединение способов модифицирования положено в основу разработки новой, "гибридной" технологии поверхностного синтеза композиционных наноструктурированных керамополимерных покрытий, опробованной для изготовления торцевых уплотнений высокоточных, долговечных, маломоментных быстровращающихся механизмов. Использование для наполнения открытых пор МДО-слоя ГДП-процесса открывает новые возможности инженерии поверхности, так как в результате подобной комбинированной обработки на поверхности материалов формируются принципиально новые наноструктурированные керамополимерные композиционные покрытия. Оборудование и методики формирования и оценки параметров оксидного слоя В качестве материала для изготовления опытных образцов был выбран деформируемый, термически упрочняемый алюминиевый сплав Д16 (3,8–4,9% Cu; 1,2–1,8% Mg; 0,3–0,9% Mn), широко применяемый в промышленности. Синтез поверхностных наноструктурированных оксидокерамических МДО-слоев проводили на установке МДО-100 МАТИ им. К.Э.Циолковского [4, 5]. Оксидирование выполняли в силикатно-щелочном электролите (9 г/л Na2SiO3∙9H2O + 2 г/л NaOH) в анодно-катодном режиме при соотношении катодного и анодного токов Iк/Iа = 1 и суммарной плотности тока 10 А/дм2 в течение 1–300 мин. Наполнение пор МДО-слоя полимерным материалом (поли-пара-ксилиленом) проводили на технологической установке газофазной депозитной полимеризации, разработанной в Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН. Поли-пара-ксилилен – ароматический полимер, который формируется в виде тонкопленочного высокоадгезионного покрытия толщиной от 10 нм до 100 мкм на поверхности субстратов различной природы. Установка для реализации ГДП-процесса состоит из трех последовательно соединенных нагреваемых зон и реактора полимеризации объемом 40 л. В зону сублимации предварительно загружается исходный димер парациклофана (ПЦФ) и установка вакуумируется до давления в реакторе полимеризации около 1 Па. В результате нагрева зоны сублимации до 150°С происходит возгонка ПЦФ, и его пары попадают в пиролизную зону (600–700°С), где каждая молекула ПЦФ распадается на две молекулы параксилилена. Проходя через зону промежуточного охлаждения (200°С), молекулы параксилилена попадают в реактор полимеризации, где они конденсируются на относительно холодной (25°С) поверхности и полимеризуются с образованием пленки поли-пара-ксилилена. Пленка формируется одновременно на всей поверхности субстрата, независимо от ее профиля, и образует однородный по толщине слой. Полимерное покрытие имеет одинаково хорошее качество на острых краях и кромках, в отверстиях и щелях, открытых порах, трещинах и иных труднодоступных местах. Толщину модифицированного слоя измеряли с помощью вихретокового толщиномера ВТ-201, который предназначен для быстрого, точного и неразрушающего контроля толщины неметаллических покрытий, нанесенных на металлическое немагнитное основание (алюминий, медь, титан и др.). Для измерения микротвердости в работе был использован микротвердомер Leitz с алмазным индентором Виккерса. Нагрузка на индентор составляла 50 г. Для определения пористости оксидных композитных слоев применяли методику, разработанную на кафедре ТОМПВЭ МАТИ им. К.Э.Циолковского и подробно описанную в работе [5]. Трибологические испытания образцов проводили на модернизированной машине трения СМТ-1, оснащенной испытательным блоком для тестирования пар трения. Установка работает следующим образом (рис.1): подвижный кольцевой образец (1) толщиной 10 мм устанавливается в обойму и вращается с заданной скоростью; неподвижный кольцевой образец (2) толщиной 12 мм устанавливается в противоположную обойму, имеющую силоизмерительный датчик; фиксация образцов обеспечивается струбциной (3). При испытаниях регистрировали скорость скольжения, коэффициент трения, нагрузку на образец. Скорость скольжения измеряли с помощью фотодатчика, силу трения и нагрузку – с помощью тензодатчиков. Для обработки сигналов с регистрирующих датчиков была разработана система сбора данных на базе специальных программного и аппаратного обеспечения компании National Instrument. Коэффициент трения рассчитывали по формуле: , где N – нормальная нагрузка, Н; F – сила трения на среднем диаметре, Н. Расчетная зависимость для интенсивности изнашивания: , где l – линейный износ, мм; Sтр – путь трения, мм. Испытания образцов на трение и износ проводили при удельной нагрузке 0,5 МПа без смазки, имитируя тем самым экстремальные условия эксплуатации торцевых уплотнений. Кинетика роста, микротвердость и пористость оксидного слоя На рис.2 представлена кинетическая зависимость изменения толщины оксидокерамического слоя в процессе МДО. Следует отметить практически линейное нарастание толщины в исследуемом временном интервале (300 мин) со средней скоростью 0,6 мкм/мин. Однако, скорость роста как дифференциальная характеристика колеблется в довольно широком диапазоне от 0,4 до 1,1 мкм/мин. Это, по-видимому, связано с особенностями механизма оксидирования и, прежде всего, с различным влиянием температуро-временных характеристик микродугового разряда на состав, структуру и свойства покрытия на разных стадиях процесса МДО. На рис.3 представлены зависимости микротвердости Hµ и сквозной пористости Пс от толщины МДО-покрытия. Изменение микротвердости МДО-покрытий с ростом их толщины можно объяснить следующим образом. При толщине покрытия около 50 мкм создаются условия для начала формирования рабочей части модифицированного слоя [4, 5]. Утолщение модифицированного слоя до примерно 100 мкм сопровождается повышением микротвердости более чем в 3 раза (со стабилизацией на уровне около 900 кг/мм2) благодаря синтезу в покрытии высокотемпературной фазы α-Al2O3 (корунд), обладающей высокой твердостью. По мере дальнейшего роста толщины МДО-слоя начинается утепление его рабочей части наружным технологическим субслоем, что сопровождается более полным протеканием высокотемпературного полиморфного превращения и увеличением микротвердости до примерно 1700 кг/мм2 при толщине покрытия около 150 мкм. На кривой, иллюстрирующей зависимость сквозной пористости от толщины МДО-покрытий (рис.3), можно выделить два минимума: на уровне 3–4% для МДО-покрытий толщиной около 100 мкм; на уровне 5–6% для покрытий толщиной 150–180 мкм. Здесь важно отметить непременное наличие сквозной пористости на любой стадии процесса МДО. Наполнение пор МДО-покрытий поли-пара-ксилиленом методом ГДП позволяет существенно снизить величину сквозной пористости [6]. Трибологические свойства С точки зрения трибологического приложения, представляют интерес оксидокерамические МДО-покрытия толщиной 150–180 мкм [5]. Им свойственны наибольшие значения микротвердости и сравнительно невысокая сквозная пористость, которая может быть сведена практически к нулю (в пределах погрешности измерений) путем наполнения поли-пара-ксилиленом. Поэтому дальнейшие исследования проводили на образцах с покрытиями, имевшими исходную сквозную пористость 5–6% при толщине МДО-слоя около 170 мкм. Трибологическим испытаниям подвергали пары образцов с различным характером модифицирования поверхности: оксидокерамика (МДО-покрытие) – оксидокера- мика; оксидокерамика – керамополимер (МДО-покрытие с наполнением остаточной пористости поли-пара-ксилиленом методом ГДП); керамополимер – керамополимер. Для каждого из перечисленных сочетаний было испытано по 5 пар образцов. На рис.4 представлены результаты испытаний пары трения оксидокерамика – оксидокерамика. Средняя интенсивность изнашивания МДО-покрытия вращающихся (тонких) образцов составила I1 = 17,0∙10-8 мм/мм, а неподвижных – I2 = 13,9∙10-8 мм/мм. Среднее значение коэффициента трения составило f = 0,60. Следует отметить существенную осцилляцию значений коэффициента трения в течение испытаний. На рис.5 представлена типичная диаграмма, соответствующая испытаниям пары трения оксидокерамика – керамополимер. В процессе данного эксперимента на подвижных образцах было покрытие из оксидокерамики, на неподвижных – керамополимер. Покрытие на подвижных образцах истиралось практически до подложки, при этом величина износа была значительно выше по сравнению с неподвижными образцами. Средняя интенсивность изнашивания покрытия на вращающихся образцах составляла I1 = 10,5∙10-8 мм/мм, а на неподвижных – I2 = 0,88∙10-8 мм/мм. Среднее значение коэффициента трения после окончательной приработки (примерно 40 мин) составило f = 0,26. Рис.6 иллюстрирует результаты испытаний пары трения керамополимер – керамополимер. Средняя интенсивность изнашивания покрытия на вращающихся образцах составила I1 = 6,18∙10-8 мм/мм, а на неподвижных – I2 = 0,83∙10-8 мм/мм. Среднее значение коэффициента трения составило f = 0,08. Это позволяет отнести пару трения керамополимер – керамополимер к разряду антифрикционных, поскольку f ≤ 0,15 [5]. Для апробации полученных экспериментальных результатов было изготовлено торцевое уплотнение, герметизирующее выходной конец вала ротора многосекционного центробежного насоса для перекачки воды, и проведены его натурные испытания (рис. 7). Сопрягаемые детали были обработаны методом МДО с последующим наполнением остаточных открытых пор оксидокерамического слоя поли-пара-ксилиленом (пара трения керамополимер – керамополимер). Частота вращения вала приводного двигателя составляла 3 тыс. об/мин, давление воды в зоне уплотнения – до 16 кгс/см2. Результаты испытаний показали, что момент вращения при запуске составил 0,011 Н∙м, осевой люфт в зоне сопряжения – менее 0,001 мм. При эксплуатационных испытаниях в течение 200 час уплотнение сохраняло полную герметичность (отсутствие протечки). Перспективы "гибридной" технологии В заключение можно сделать вывод о том, что наилучшие результаты для исследованных пар трения получены в случае контактирующих керамополимерных поверхностей. Представляет интерес довольно значительная разница в интенсивности износа для подвижных и неподвижных образцов для всех изученных сочетаний тела и контртела. Возможно, это связано с методикой и оборудованием для испытаний, использовавшихся при проведении эксперимента. Что касается разработанной "гибридной" технологии поверхностного синтеза композиционных наноструктурированных керамополимерных покрытий, то полученные результаты свидетельствуют о перспективности ее использования для инженерии поверхности при создании, в том числе, торцевых уплотнений высокоточных, долговечных, маломоментных быстровращающихся механизмов.
Исследование выполнено при поддержке РФФИ (научный проект № 13-08-12038 офи_м) и ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы" (ГК № 14.513.11.0034). Литература Суслов А.Г. Инженерия поверхности деталей. – М.: Машиностроение, 2008, 320 с. Крит Б.Л. Ионно-лучевая модификация материалов. – Очерки по физико-химии и материаловедению, М.: Интермет инжиниринг, 1998, с. 278–290. Мельник В.А. Торцовые уплотнения валов: справочник. – М.: Машиностроение, 2008, 321 с. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). – М.: Экомет, 2005, 368 с. Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х томах. – М.: Техносфера, 2011, т. 2, 512 с. Белова Е.А., Гусев А.В., Крит Б.Л., Маилян К.А., Рыжиков И.А., Сорокин В.А. Повышение свойств МДО-слоев методом VDP. – Физика и химия обработки материалов, 2009, № 6, с.49–54.