eng
Выпуск #8/2014
Б.Крит, Н.Морозова, И.Рыжиков, В.Савва, О.Сомов, И.Суминов, А.Эпельфельд
Наноструктурированные керамополимерные покрытия для торцевых уплотнений
Наноструктурированные керамополимерные покрытия для торцевых уплотнений
Просмотры: 3214
"Гибридная" технология поверхностного синтеза композиционных наноструктурированных
керамополимерных покрытий позволяет получать высококачественные торцевые уплотнения
высокоточных, долговечных, маломоментных быстровращающихся механизмов.
керамополимерных покрытий позволяет получать высококачественные торцевые уплотнения
высокоточных, долговечных, маломоментных быстровращающихся механизмов.
Теги: micro-arc discharge oxidation surface engineering vapor deposition polymerization газофазная депозитная полимеризация инженерия поверхности микродуговое оксидирование
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.
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.
Отзывы читателей
