Износостойкое ионно-плазменное покрытие и способ получения износостойкого ионно-плазменного покрытия на поверхностях пар трения

 

Изобретение относится к области получения функциональных покрытий, стойких к износу, и способам их получения на поверхности изделия и может быть использовано в машиностроении для упрочнения деталей машин и механизмов, изготовления деталей современных высокофорсированных двигателей, нанесения износостойкого покрытия на стержни клапанов и поршневые кольца. Износостойкое покрытие, нанесенное на поверхности пар трения, состоит из азотированного подслоя основного материала толщиной более 50 мкм и непосредственно износостойкого слоя из нитрида циркония ZrN толщиной 5-10 мкм. При нанесении износостойкого ионно-плазменного покрытия на поверхности пар трения азотирование проводят на глубину, равную более 50 мкм, а в качестве верхнего слоя осаждают слой нитрида циркония толщиной 5-10 мкм. Очистку, разогрев поверхности, азотирование, активацию азотированного подслоя проводят методом ионной бомбардировки из плазменного потока, который создают источником газовой плазмы и направляют на поверхность. Азотирование поверхности и нанесение слоя нитрида циркония осуществляют за один цикл вакуумирования. Изобретение направлено на увеличение износостойкости деталей, снижение коэффициента трения в узлах механизмов, снижение износостойкости пар трения в целом, повышение производительности. 2 с. и 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области получения функциональных покрытий, стойких к износу, и способам их получения на поверхности изделия, а именно к износостойким ионно-плазменным покрытиям и способу нанесения составов ионно-плазменных износостойких покрытий с низким коэффициентом трения, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения деталей машин и механизмов.

Преимущественная область применения - изготовление деталей современных высокофорсированных двигателей, а именно нанесение износостойкого покрытия на стержни клапанов и поршневые кольца.

В качестве наиболее близкого аналога может быть предложен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделия и покрытие, полученное указанным способом, раскрытые в патенте России 2131480, кл. МПК 7 С 23 С 14/06, опубликованном 10.06.1999 г.

Способ включает очистку и разогрев поверхности изделия, создание азотированного подслоя, активацию его ионами аргона и нанесение нитрида титана. Соответственно покрытие состоит из азотированного подслоя, активированного ионами аргона и верхнего слоя из нитрида титана.

Недостатком известного способа получения подслоя в основном материале изделия методом ионного азотирования является то, что он имеет малую энергию ионов азота, бомбардирующих подложку, и, как следствие, малую глубину проникновения азота, его низкое процентное содержание в поверхностном слое изделий, остывание изделий в процессе азотирования, необходимость дополнительного подогрева изделий, а также недостатком описанного выше способа, является то, что это связано с повышенными затратами энергии, трудоемкости и др.

Новым в изобретении является применение износостойкого ионно-плазменного покрытия из азотированного подслоя основного материала и непосредственно износостойкого слоя из нитрида циркония и способ формирования этого износостойкого покрытия заключается в нанесении за один цикл вакуумирования двухслойного ионно-плазменного покрытия из нитрида циркония путем создания в материале основы азотированного слоя, последующей активации поверхности плазмой аргона и нанесения износостойкого покрытия, состоящего из нитрида циркония, на трущиеся поверхности детали, что увеличивает износостойкость деталей, снижает коэффициент трения в узлах механизмов, износ пар трения в целом.

Сущность поясняется тем, что износостойкое ионно-плазменное покрытие, нанесенное на поверхность пар трения, состоящее из азотированного подслоя, активированного ионами аргона, и верхнего слоя из нитрида металла, согласно изобретению имеет глубину азотированного подслоя в материале пар трения, которая составляет более 50 мкм, а в качестве верхнего слоя оно содержит нитрид циркония толщиной 5-10 мкм, а в способе получения износостойкого ионно-плазменного покрытия на поверхностях пар трения, включающем очистку и разогрев поверхности, азотирование, активацию полученного азотированного подслоя ионами аргона и осаждение верхнего слоя из нитрида металла, согласно изобретению азотирование проводят на глубину, равную более 50 мкм, а в качестве верхнего слоя осаждают слой нитрида циркония, толщиной 5-10 мкм.

Очистку и разогрев поверхности, азотирование, активацию азотированного подслоя проводят методом ионной бомбардировки из плазменного потока, который создают источником газовой плазмы и направляют на поверхность.

Азотирование поверхности и нанесение слоя нитрида циркония осуществляют за один цикл вакуумирования.

Изобретение осуществляется следующим образом. Изделия помещаются в вакуумную камеру, и создается вакуум 1,3310^-3 Пa. Напуск в камеру Аr (или N₂ при азотировании) осуществляется через ИГП. Газ, проходя через ИГП, ионизируется и формируется в плазменный поток ионов Аr, направленный к подложке при давлении Р_AR = 1,33. . .6,6510^-1 Пa и ионном токе 25...30 А. При плавном увеличении напряжения смещения на подложке (изделиях) от 0 до 800...1500 В происходит ионная очистка и разогрев изделия до Т = 750...950^oС бомбардирующими подложку ионами Аr. Затем аналогичным образом в камере создают плазму ионов N₂ и осуществляется процесс азотирования в течение 30...40 мин, при Р_N2 = 1,33...6,610^-1 Па, температуре подложки 750...900^oС, потенциале смещения на подложке 800...1000 В. При этом ток ИГП увеличивают до 30...50 А. Глубина азотированного слоя составляет 50...100 мкм. После процесса азотирования осуществляют ионное травление и активацию поверхности изделий плазмой Аr в течение 5...10 мин при Т_подл = 700...800^oС, U_подл = 500...700 B. По окончании активации начинают формирование основного износостойкого слоя и ZrN осаждением на подложку с одновременной бомбардировкой ионами Zr⁺ и N⁺ из плазменных потоков, создаваемых электродуговым испарителем и ИГП. Осаждение покрытия производится при P_N2 = 2,66...5,3210^-1 Пa, токе дуги I_ZR = 80... 100 A, токе газовой плазмы I_N2 = 20...30 А, отрицательном напряжении смещения на подложке 250...300 В, температуре подложке Т = 300...500^oС. Примером может служить нанесение износостойкого покрытия на клапаны ДВС, изготовленного из интерметаллидного сплава системы TiAl. Покрытие формировалось на поверхности стержня клапана следующим способом: ионная очистка и разогрев поверхности клапанов до Т_подл = 850^oС в плазме аргона, формируемой ИГП при Р_аr = 5,3210^-1 Пa, I_игп = 30 А, U_подл = 1200 В в течение 20 мин; ионное азотирование в плазме N₂ при следующих параметрах U_подл = 1000 В, I_итп = 50 А, Т_подл = 750. . . 800^oС, P_N2 = 2,66...5,3210^-1 Пa в течение 30 мин; ионное травление в плазме Аr при U_подл = 500 В, I_итп = 30 А, Р_Ar = 2,6610^-1 Па, Т_подл = 600...650^oС в течение 5 мин; конденсация в течение 40 мин покрытия из ZrN из плазмы электродугового разряда катода из Zr при одновременно работающем ИГП, создающем плазменный поток N₂ при следующих параметрах Т_подл = 450. . . 500^oС, U_пoдл = 250 B, I_дугиZr = 100 А, I_итпN+ = 30 A, P_N2 = 2,66... 5,3210^-1 Пa.

Предлагаемое износостойкое ионно-плазменное покрытие, нанесенное на поверхности пар трения, и способ получения износостойкого ионно-плазменного покрытия на поверхностях пар трения может использоваться в качестве финишной операции при изготовлении деталей взамен традиционных процессов гальванического хромирования или азотирования и снижает износ деталей и пар трения в целом в автомобильных двигателях путем нанесения износостойкого покрытия из нитрида циркония на трущиеся поверхности деталей, увеличивает долговечность пар трения, лимитирующих ресурс ДВС, таких как "направляющая втулка клапана - стержень клапана", "поршневое кольцо - гильза цилиндра", и увеличивает производительность, т. к. износостойкое покрытие получают за один цикл вакуумирования.

Триботехнические испытания пары трения "втулка направляющая - стержень клапана", проведенные на специализированном стенде по отработанной методике, моделирующей работу пары в реальном двигателе, с использованием стержней из TiAl интерметаллидного сплава и ZrN - покрытием, показали, что износостойкость стержней клапана возросла не менее чем в 1,9 раза, а износостойкость самой пары не менее чем в 1,5 раза.

Формула изобретения

1. Износостойкое ионно-плазменное покрытие, нанесенное на поверхности пар трения, состоящее из азотированного подслоя, активированного ионами аргона, и верхнего слоя из нитрида металла, отличающееся тем, что глубина азотированного подслоя в материале пар трения составляет более 50 мкм, а в качестве верхнего слоя оно содержит нитрид циркония, толщиной 5-10 мкм.

2. Способ получения износостойкого ионно-плазменного покрытия, на поверхности пар трения, включающий очистку и разогрев поверхности, азотирование, активацию полученного азотированного подслоя ионами аргона и осаждение верхнего слоя из нитрида металла, отличающийся тем, что азотирование проводят на глубину, равную более 50 мкм, а в качестве верхнего слоя осаждают слой нитрида циркония, толщиной 5-10 мкм.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что очистку и разогрев поверхности, азотирование, активацию азотированного подслоя проводят методом ионной бомбардировки из плазменного потока, который создают источником газовой плазмы и направляют на поверхность.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что азотирование поверхности и нанесение слоя нитрида циркония осуществляют за один цикл вакуумирования.