Промышленные технологии нанокомпозитных покрытий с низким коэффициентом трения, как пример внедрения инновационных разработок в серийное производство в России

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НПФ «Элан-Практик» г. Дзержинск

Промышленные технологии нанокомпозитных покрытий с низким коэффициентом трения, как пример внедрения инновационных разработок в серийное производство в России

Ю.В Агабеков

Приблизительно 25% энергии, используемой в мире, теряется за счет трения. Потери от износа механических компонентов оцениваются приблизительно в 1,3-1,6% от ВВП развитых стран.

Другой важнейшей задачей, стоящей в мировом автомобилестроении, является снижение расхода топлива автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Одним из наиболее эффективных путей решения этой задачи является уменьшение трения в узлах вращения автомобиля. Например, уменьшение на 20% коэффициента трения при работе шестерен в коробке передач автомобиля может дать снижение потерь за счет трения на величину около 0,64-0,8%, что даст экономию 26 млрд. евро только в транспортной индустрии.

Это достигается при использовании низкофрикционных покрытий в конструкции двигателя и трансмиссии, здесь наиболее перспективными являются нанокомпозитные покрытия.

В основу разрабатываемых НПФ «Элан-Практик» промышленных технологий многофункциональных нанокомпозитных (НК) покрытий положен PVD метод нанесения покрытий с использованием несбалансированных магнетронных распылительных систем (НМРС) [1].

Точный контроль и управление размером зерен очень важны для нанокомпозитных покрытий. В процессе магнетронного распыления многие основные параметры процесса оказывают существенное влияние на размер зерен покрытий, включая температуру подложки, плотность ионного тока, напряжение смещения, парциальное давление реактивного газа. В отличие от техник PECVD и дугового испарения реактивное магнетронное распыление является гораздо более гибкой и низкотемпературной технологией. Также, оно может быть легко воспроизведено в увеличенном масштабе для промышленного применения. Совместное распыление мишеней различных металлических материалов допускает независимое регулирование каждого источника атомов определенного сорта, посредством изменения удельной мощности разряда, гарантируя, таким образом, тонкую настройку химической стехиометрии результирующего соединения.

Нанокомпозиты (покрытия типа superlattice) - это многослойные покрытия с периодической структурой двух или более чередующихся нанослоев (толщиной от 1нм до 10 нм) различных материалов. В качестве материалов нанослоев могут выбираться различные металлы, углерод, нитриды, карбиды, оксиды переходных металлов и др.

Для получения таких нанокомпозитов используется оригинальная схема несбалансированных магнетронов НМРС-2D запатентованная НПФ «Элан-Практик» (патент РФ №2308538 [2]). Эта схема позволяет создавать многослойные структуры с тонкими границами при полном отсутствии смесевого переходного слоя между нанослоями.

Рис.1 Схема магнетронной распылительной системы НМРС-2D

Рис.2 Покрытие НПФ «Элан-Практик» TiN/NbN с периодом 3,5 -3,8 нм

Во всех разрабатываемых НПФ «Элан-Практик» технологиях нанесения покрытий начато использование самого эффективного на сегодняшний день метода магнетронного распыления, который также может быть использован для ионной очистки поверхности изделий перед нанесением покрытий - метод HIPIMS («магнетронное распыление импульсами высокой мощности») [2]. При использовании в процессе ионной очистки данный метод обеспечивает чистую кристаллическую поверхность раздела «покрытие-подложка» и, за счет низкоэнергетичной (500-1500 эВ) имплантации распыляемых атомов в приповерхностный слой подложки на глубину 5-7 нм обеспечивает очень высокий уровень адгезии покрытия. Внедренные в поверхностный слой металлические атомы (Cr, Ti, Y и др.) создают условия эпитаксиального роста в первых слоях покрытия, т.е. кристаллы покрытия растут как продолжение подложки и при этом обеспечивается когезионная связь.

Рис. 3 Лабораторная вакуумная установка УНИП-200 с блоком питания магнетрона HIPIMS

покрытие распылительный магнетронный нанокомпозитный

Промышленные технологии нанокомпозитных покрытий НПФ «Элан-Практик»:

1. Технология нанесения защитно-упрочняющего нанокомпозитного покрытия TiAl-AlTiN на стальные автомобильные штоки-амортизаторы взамен 12 мкм покрытия твердого гальванического хрома. В 2008 г. на Петровском автоагрегатном заводе АМО ЗИЛ покрытия успешно прошли испытания на коррозию по ГОСТ 4233 (96 часов среде нейтрального соляного тумана) и стендовые испытания на износ по ОСТ 37.001.084-84 (циклические перемещения поршня при скорости 1 м/с; количество циклов - 3,0Ч106) [4] Проект создания производства амортизаторов с нанокомпозитными покрытиями был одобрен НТС ГК «Роснано» 27. октября 2009г и в настоящее время находится на этапе рассмотрения на инвестиционном комитете.

2. Использовании более эффективных по своим трибологическим характеристикам покрытий для деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок в двигателе внутреннего сгорания. (µ=0, 25 для nc-AlN/nc-CrN) (µ=0, 15 для TiN-CNx ) при тех же толщинах покрытия может быть обеспечено более чем 2-х кратное повышение ресурса [4].

В настоящее время покрытие TiN-CNx (TiN/CNx ) наносится НПФ «Элан-Практик», на титановые клапаны двигателя внутреннего сгорания для спортивных автомобилей. Эти клапаны поставляются московской компанией «Компоненты Двигателя» на экспорт [4].

Покрытие nc-AlN/nc-CrN на поршневые кольца хорошо показало себя на испытаниях в условиях работы дизеля тепловоза на Коломенском заводе [4] и сейчас идет подготовка к серийному производству.

В таблице 1 приведены характеристики различных нанокомпозитных покрытий, получаемых на вакуумных установках НПФ «Элан-Практик»

Таблица 1. Свойства нанокомпозитных покрытий НПФ «Элан-Практик»

Где НV - твердость по Виккерсу; Hпл - пластическая твердость; НIT - инденторная твердость (нанотвердость); E*= E/(1-2) - приведенный модуль упругости; We - упругое восстановление; Н3/(E*)2 - стойкость к пластической деформации («вязкость»); Tс - термостойкость в среде атмосферного воздуха; м - коэффициент трения скольжения (по стали); Кс - скорость износа («приведенный износ»)

Особый интерес представляет покрытие TiN/CNx, обладающее низким коэффициентом трения (µ=0, 15, см. рис. 4), но при этом оно гораздо тверже покрытий алмазоподобного углерода, например, Ti-C:H (см. табл.2).

Рис.4 Результаты трибологического испытания покрытия TiN-CNx на изнашивание по схеме «неподвижный шарик вращающийся диск»

Для трибологических покрытий, используемых в серийном производстве автомобильных компонентов (или других деталей, подвергаемых большим нагрузкам), следует рассматривать комплекс свойств, где наряду с коэффициентом трения м важнейшими являются: упругое восстановление (эластичность) We, нанотвердость H и параметр H/E характеризующий вязкость покрытия, где Е- модуль Юнга [5].

В покрытиях имеющих высокие значения We и H/E энергия деформации преимущественно сохраняется упруго и выделяется после перемещения нагрузки, придавая ей вязкий и упругий характер. Кроме того, относительно низкий модуль ведет к распространению контактных напряжений на большем объеме и, соответственно, к низким градиентам напряжения на подложке/поверхности покрытия. Это препятствует расслаиванию подложки/покрытия под нагрузкой и, следовательно, допускает более высокие нагрузки на детали (например, подшипника я или других автомобильных компонентов). При этом шероховатости на поверхности покрытия держатся упруго, без склонности к хрупкому излому в трибологическом контакте.

Сверх-эластичные характеристики покрытия позволяют ему абсорбировать локально большие деформации без повреждений в результате, например, вдавливания микрочастиц (при высоком уровне загрязнений в смазке), чисто упругим способом.

Сверхтвердость и высокая вязкость позволит покрытию адаптироваться к вмятинам без растрескивания, а низкий коэффициент трения уменьшит локальное сцепление и адгезивное касательное напряжение, которое является одной из основных причин микро-точечного износа, переходящего затем в площадное отслоение.

Выше перечисленный комплекс свойств на сегодняшний день обеспечивается только нанокомпозитными покрытиями.

Сравнительные характеристики покрытий, используемых в трибологических приложениях, приведены в Таблице 2.

Таблица 2 Сравнительные характеристики покрытий

Как видно из приведенных в Таблице 2 данных, по комплексу свойств, обуславливающих трибологическое поведение покрытий, покрытие TiN/CNx существенно превосходит как покрытие nc-TiAlN, так и достаточно широко распространенное покрытие Me-DLC, не говоря уже о покрытии твердого хрома.

Ссылки на использованные источники

1. Агабеков Ю.В., Сутырин А.М. "Несбалансированные магнетронные распылительные системы с усиленной ионизацией плазмы". В кн. Труды постоянно действующего научно-технического семинара. "Электровакуумная техника и технология" (за 1997-1998 гг.), Москва, 1999, сс. 48-52

2. Агабеков Ю.В., Федотов А.В., Сутырин А.М. патент РФ №2308538 «Установка для нанесения многослойных покрытий с периодической структурой методом магнетронного распыления»

3. Hauzer For You, №12, March, 2007, 12-13

4. Агабеков Ю.В., Федотов А.В., Сутырин А.М. «Промышленное применение многослойных нанокомпозитных покрытий», доклад на 4-м симпозиуме SVBST 2009, сентябрь 2009, Колобжег, Польша

5. Allan Matthews, Adrian Leyland «Материалы, связанные с перспективами наноструктурных трибологических покрытий», доклад на конференции SVC 23 апреля 2008г

Размещено на Allbest.ru