Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра
Представлено обоснование использования магнетронной технологии с ионным и плазменным ассистированием с целью разработки новой технологии нанесения наноструктурированного хромового покрытия на рабочие поверхности титановых гидроцилиндров взамен гальванической технологии нанесения покрытия типа «тверд...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Техническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2014
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88497 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра / А.Д. Гришкевич, С.И. Гринюк, С.Л. Антонюк, В.А. Бойченко, В.В. Коваленко // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 100-113. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860216945167564800 |
|---|---|
| author | Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Антонюк, С.Л. Бойченко, В.А. Коваленко, В.В. |
| author_facet | Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Антонюк, С.Л. Бойченко, В.А. Коваленко, В.В. |
| citation_txt | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра / А.Д. Гришкевич, С.И. Гринюк, С.Л. Антонюк, В.А. Бойченко, В.В. Коваленко // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 100-113. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | Представлено обоснование использования магнетронной технологии с ионным и плазменным ассистированием с целью разработки новой технологии нанесения наноструктурированного хромового покрытия на рабочие поверхности титановых гидроцилиндров взамен гальванической технологии нанесения покрытия типа «твердый хром». Отработана опытная технология нанесения хромового покрытия на натурные образцы деталей. Исследованы механические характеристики полученных покрытий. Показано, что механические характеристики покрытий, полученных по магнетронной технологии с энергетическим ассистированием, существенно превосходят соответствующие характеристики гальванического покрытия «твердый хром». Полученные результаты актуальны для совершенствования технологической базы авиационного машиностроения и способствуют повышению технического уровня шасси самолетов семейства «Ан».
Представлено обгрунтування використання магнетронної технології з іонним і плазмовим асистуванням з метою розробки нової технології нанесення наноструктурованого хромового покриття на робочі поверхні титанових гідроциліндрів замість гальванічної технології нанесення покриття типу «твердий хром». Відпрацьована дослідна технологія нанесення хромового покриття на натурні зразки деталей. Досліджено механічні характеристики покриття. Показано, що механічні характеристики покриття, що отримане по магнетронній технології з енергетичним асистуванням, суттєво перевершують відповідні характеристики гальванічного покриття «твердий хром». Результати, що отримані, актуальні для вдосконалення технологічної бази авіаційного машинобудування і сприяють підвищенню технічного рівня шасі літаків «Ан».
The application of a magnetron technology with ion-plasma assisting is validated for developing a new technology for nanostructurizated chrome coating on the working surfaces of titanium hydraulic cylinders instead of a galvanic technology for solid chrome coating. An experimental practice for chrome coating on prototypes of parts is developed. Mechanical characteristics of the coating obtained are studied. It is shown that mechanical characteristics of coating, based on the magnetron technology with energetic assisting, are significantly surpassed the corresponding characteristics of galvanic solid chrome coating. The results obtained are useful in improving a technological base of aircraft machine-building and an engineering level of landing gears for the An family of aircrafts.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:16:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
100
УДК 621.002.56
А. Д. ГРИШКЕВИЧ, С. И. ГРИНЮК, С. Л. АНТОНЮК,
В. А. БОЙЧЕНКО, В. В. КОВАЛЕНКО
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА МАГНЕТРОННОГО ХРОМОВОГО
ПОКРЫТИЯ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ СИЛОВОГО ТИТАНОВОГО
ГИДРОЦИЛИНДРА
Представлено обоснование использования магнетронной технологии с ионным и плазменным асси-
стированием с целью разработки новой технологии нанесения наноструктурированного хромового покры-
тия на рабочие поверхности титановых гидроцилиндров взамен гальванической технологии нанесения
покрытия типа «твердый хром». Отработана опытная технология нанесения хромового покрытия на
натурные образцы деталей. Исследованы механические характеристики полученных покрытий. Показано,
что механические характеристики покрытий, полученных по магнетронной технологии с энергетическим
ассистированием, существенно превосходят соответствующие характеристики гальванического покрытия
«твердый хром». Полученные результаты актуальны для совершенствования технологической базы авиа-
ционного машиностроения и способствуют повышению технического уровня шасси самолетов семейства
«Ан».
Представлено обгрунтування використання магнетронної технології з іонним і плазмовим асисту-
ванням з метою розробки нової технології нанесення наноструктурованого хромового покриття на робочі
поверхні титанових гідроциліндрів замість гальванічної технології нанесення покриття типу «твердий
хром». Відпрацьована дослідна технологія нанесення хромового покриття на натурні зразки деталей. Дос-
ліджено механічні характеристики покриття. Показано, що механічні характеристики покриття, що отри-
мане по магнетронній технології з енергетичним асистуванням, суттєво перевершують відповідні характе-
ристики гальванічного покриття «твердий хром». Результати, що отримані, актуальні для вдосконалення
технологічної бази авіаційного машинобудування і сприяють підвищенню технічного рівня шасі літаків
«Ан».
The application of a magnetron technology with ion-plasma assisting is validated for developing a new
technology for nanostructurizated chrome coating on the working surfaces of titanium hydraulic cylinders instead
of a galvanic technology for solid chrome coating. An experimental practice for chrome coating on prototypes of
parts is developed. Mechanical characteristics of the coating obtained are studied. It is shown that mechanical
characteristics of coating, based on the magnetron technology with energetic assisting, are significantly surpassed
the corresponding characteristics of galvanic solid chrome coating. The results obtained are useful in improving a
technological base of aircraft machine-building and an engineering level of landing gears for the An family of
aircrafts.
Функциональные и эксплуатационные характеристики пар трения опре-
деляются механическими свойствами их рабочих поверхностей. Современ-
ные ионно-плазменные технологии модификации свойств поверхностей ба-
зируются на представлениях о способах управления структурой материалов и
позволяют формировать на рабочих поверхностях пар трения покрытия, об-
ладающие уникальным сочетанием свойств, принципиально отличающимся
от свойств массивных материалов [1].
Цели и задачи. В работах [2, 3] были представлены результаты разра-
ботки технологии и плазменных технологических устройств для нанесения
функционального хромового покрытия на рабочие поверхности узлов и дета-
лей, работающих в условиях интенсивного коррозионного и абразивного из-
носа. Настоящая работа является продолжением исследований в этом
направлении с целью применения ранее полученных результатов для улуч-
шения функциональных и эксплуатационных характеристик конкретных из-
делий, а также для замены устаревших технологий нанесения покрытий, в
частности для замены экологически неблагоприятной технологии гальвани-
ческого хромирования.
Сверхзадачей данной работы является снижение массы шасси современ-
ных самолетов семейства «Ан». Как утверждается в [4], мировой уровень
А. Д. Гришкевич, С. И. Гринюк, С. Л. Антонюк, В. А. Бойченко, В. В. Коваленко, 2014
Техн. механика. – 2014. – № 3.
101
технического совершенства шасси может быть обеспечен применением в си-
ловых элементах стоек шасси высокопрочного титанового сплава ВТ22. Это
возможно при условии улучшения антифрикционных характеристик титано-
вых рабочих поверхностей, например применением гальванического хроми-
рования. Однако применение гальванического хромового покрытия оказыва-
ется недостаточно эффективным из-за присущей покрытию «твердый хром»
сетчатой трещиноватости [5], что приводит к недопустимой потере гид-
роплотности рабочей полости гидроцилиндра, находящейся под давлением
до 500 атмосфер. Предполагается, что альтернативой гальваническому хро-
мированию может стать ионно-плазменная технология нанесения функцио-
нального хромового покрытия. Задачей работы является также эксперимен-
тальное подтверждение возможности модификации свойств рабочих поверх-
ностей титановых гидроцилиндров нанесением ионно-плазменного функцио-
нального хромового покрытия.
Требования к свойствам модифицированных рабочих поверхностей.
Известно, что титановые сплавы, благодаря высокой химической активности
и склонности к схватыванию, имеют низкие триботехнические свойства. В
связи с этими особенностями титана, хром является обоснованным выбором
как материал покрытия. Перспективным способом нанесения покрытия мо-
жет быть ионно-плазменная технология.
Требование гидроплотности покрытия должно обеспечиваться техноло-
гией нанесения покрытия. При магнетронном нанесении обеспечивается
сплошность, однородность покрытия и необходимая адгезия к подложке.
Бездефектность и наличие напряжений сжатия в слое магнетронного покры-
тия способствуют достижению приемлемых усталостных характеристик.
Улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик рабочих
поверхностей, по сравнению с гальваническим хромированием, может быть
достигнуто наноструктурированием рабочих поверхностей, что обеспечит
улучшение механических и эксплуатационных характеристик, влияющих на
работоспособность изделия в целом.
Требования к технологии модификации рабочих поверхностей. Эле-
менты конструкции силового гидроцилиндра стойки шасси (гильза и шток)
выполнены из высокопрочного титанового сплава ВТ22. Характерные разме-
ры деталей: диаметр рабочих поверхностей 120 мм и 100 мм; длина рабочих
поверхностей L ≈ 400 мм. Масса деталей – 6,38 кг и 5,22 кг соответственно.
Параметр шероховатости исходных рабочих поверхностей деталей равен Rа =
0,1 ÷ 0,2 мкм. Шероховатость покрытия не должна быть хуже шероховатости
исходной поверхности. Технологическая температура нанесения покрытия не
может превышать 500°С. В поверхностном слое деталей не допускаются де-
фекты, приводящие к потере гидроплотности полости высокого давления и
снижающие функциональные и ресурсные характеристики изделия. Механи-
ческие характеристики рабочих поверхностей должны обеспечивать безре-
монтную эксплуатацию шасси самолета в течение 25 лет [4].
К ионно-плазменным технологиям модификации поверхности принято
относить технологии, базирующиеся на использовании вакуумно-дуговых
испарителей (ВДИ) [6] и магнетронных распылительных систем (МРC) [7].
Анализ особенностей использования указанных технологических систем для
решения поставленной задачи выявил следующее. В определенных условиях
102
использование как ВДИ, так и МРC, в принципе, может обеспечить получе-
ние покрытий с необходимыми механическими характеристиками. При ис-
пользовании ВДИ для обработки внутренних поверхностей малого диаметра
имеется опасность превышения допустимого предела технологической тем-
пературы. Покрытия, полученные с помощью ВДИ, нуждаются в финишной
абразивной обработке. Как было показано в [8], из-за особенностей форми-
рования микроструктуры покрытий, полученных с помощью ВДИ, величина
показателя твердости имеет ограничение по сравнению с показателем, до-
стижимым при использовании МРС. Магнетронная технология лишена недо-
статков, органически присущих ВДИ.
Характеристика магнетронных технологических устройств. Для
нанесения покрытия на наружную рабочую поверхность штока использова-
лась планарная магнетронная распылительная система несбалансированного
типа [3]. Несбалансированность магнитной системы МРС позволяла произ-
водить предварительную ионную подготовку поверхности конденсации и
нанесение покрытия в режиме ионного ассистирования, что обеспечивало
высокую адгезию и наноструктурирование покрытия. Диаметр хромового
распыляемого катода-мишени планарной МРС равнялся 70 мм. Плотность
мощности разрядного тока в области распыления катода составляла 100 ÷
150 Вт/см2. Плотность ионного тока ассистирования на подложку, располо-
женную в 60 мм от катода, равнялась 10 мА/см2 при напряжении смещения
60 В. Нанесение покрытия на рабочую поверхность штока выполнялось при
относительном перемещении поверхности конденсации покрытия относи-
тельно неподвижного магнетрона. Скорости вращения и продольного пере-
мещения штока выбиралась такими, чтобы область конденсации покрытия
равномерно покрывала всю поверхность нанесения покрытия одним слоем за
период около шести минут. При таком характере взаимодействия технологи-
ческого плазменного устройства и обрабатываемой поверхности был реали-
зован аналог технологии «циклического» режима нанесения покрытия [8],
что обеспечивало улучшение условий формирования наноструктурированого
покрытия с квазислоистой структурой.
Нанесение покрытия на внутреннюю рабочую поверхность гильзы гид-
роцилиндра выполнялось с использованием интегрированного плазменного
устройства [3, 10, 11]. Предварительная ионная обработка выполнялась при
помощи инверсной магнетронной распылительной системы. Нанесение хро-
мового покрытия производилось при магнетронном распылении слоя гальва-
нического хрома, осажденного на наружную поверхность неферромагнитно-
го трубчатого катода диаметром 60 мм. Расстояние катод–подложка равня-
лось 30 мм. Плотность мощности разрядного тока на катоде составляла
70 Вт/см2 ÷ 100 Вт/см2. Поверхность конденсации покрытия на гильзе гидро-
цилиндра находилась под анодным потенциалом. Из-за малости расстояния
между катодом и анодом осаждение покрытия происходило в режиме плаз-
менного ассистирования. При перемещении магнитной системы цилиндриче-
ского магнетрона, кольцевая область конденсации покрытия сканировала
внутреннюю поверхность гильзы гидроцилиндра со скоростью 20 мм/с. Ска-
нирование с периодом до 40 с создавало условия для периодического («цик-
лического») режима конденсации, способствующего образованию в объеме
покрытия квазислоистой наноструктуры.
103
Диагностическое оборудование и методики измерений. Образцы хро-
мового покрытия исследовались с целью оптимизации параметров техноло-
гического процесса нанесения покрытия и оценки его функциональных
свойств. Покрытие наносилось на образцы из нержавеющей стали и сплава
ВТ22 диаметром 20 мм. Толщина покрытий определялась гравиметрическим
методом (взвешиванием образцов).
Сравнительная оценка износостойкости магнетронного и гальваническо-
го покрытий производилась на машине трения (см. рис. 1).
Для исследования морфологии поверхности покрытия и определения
элементного состава покрытий использовался сканирующий электронный
микроскоп с рентгеновским микроанализатором TESCAN VEGA.
Фазовый состав покрытия анализировался на рентгеновском дифракто-
метре «Rigaku». Дифрактограммы обрабатывались по общепринятым мето-
дикам [12].
Традиционные методы исследования механических характеристик мас-
сивных материалов неприемлемы при изучении свойств покрытий. Основ-
ными механическими характеристиками массивных материалов и покрытий
являются: твердость, модуль Юнга, предел текучести, предел прочности,
предел усталости, износостойкость. В отличие от модуля Юнга, который не
зависит от структуры, все остальные механические характеристики покрытия
являются структурно чувствительными, т. е. могут управляться посредством
целенаправленного изменения его структурного состояния [13]. Нанострук-
турирование обеспечивает повышение твердости покрытия, в свою очередь
влияющей на величину других механических характеристик. Микротвер-
дость покрытий исследовалась на микротвердомере ПМТ-3 по стандартной
методике.
Механические характеристики наноструктурированного покрытия ис-
следдовались с использованием метода измерительного индентирования на
установке “Микрон-гамма” [14] (рис. 2). Метод исследования заключается во
внедрении в поверхность покрытия алмазного пирамидального индентора
Берковича с «углом заточки» 65,03°. Одновременно с индентированием про-
водится запись диаграммы зависимости глубины индентирования от величи-
ны нагрузки (диаграмма Р – Н). Количественные характеристики кривой ин-
дентирования регистрируются и обрабатываются автоматически.
Рис. 1 – Машина трения
104
Метод позволяет определять механические характеристики поверхности
массивного материала или покрытия путем анализа диаграммы индентирова-
ния. В литературе описано несколько десятков методов извлечения из
диаграммы Р–Н различных механических характеристик. В 2002 году был
принят международный стандарт измерительного индентирования ISO 14577
[15], в основу которого положена методика У. Оливера и Дж. Фарра (МОФ)
[16].
В данной работе использовались различные методики извлечения ин-
формации из диаграммы Р–Н. По этой причине приводится используемый
алгоритм обработки диаграммы индентирования. На рисунке 3 показана об-
ласть индентирования и типичная диаграмма Р–Н.
При индентировании задавалась величина максимальной нагрузки на
индентор Рmax. Максимальная глубина индентирования hmax и глубина отпе-
чатка индентора после снятия нагрузки (глубина восстановленного отпечат-
ка) hf определялись прибором автоматически. Глубина отпечатка индентора с
учетом прогиба поверхности образца hc и площадь проекции контакта Ас
(площадь невосстановленного отпечатка) определялись следующими соот-
Рис. 2 – Нанотвердомер «Микрон – гамма»
а) б)
а) – Отпечаток индентора: Рmax – максимальная нагрузка индентирования; hf
– глубина восстановленного отпечатка; hc – глубина отпечатка индентора с
учетом прогиба поверхности; Ас – площадь проекции контакта;
б) – Диаграмма индентирования Р–Н: S – контактная жесткость.
Рис. 3 – Измерительное индентирование
105
ношениями. Величина hc = hmax – ε∙Pmax/S. Для идеального индентора Берко-
вича Ас = 24,56∙hc
2. Здесь ε = 0,75, а S = dP/dH – контактная жесткость, кото-
рая определялась по диаграмме индентирования в начале кривой разгрузки.
Величина hi определялась из диаграммы (рис. 3). Используя значения Pmax,
hmax, hi, hc, Ac, и S, вычислялись значения механических характеристик по-
верхности. При обработке кривой индентирования пользовались следующи-
ми основными соотношениями:
HIT – твердость поверхности материала на наноуровне (твердость по
Мейеру), определяемая как НIT = Pmax/Ac. Или HIT = Pmax/24,56∙hc
2. Та-
кое определение твердости имеет очевидный физический смысл
среднего контактного давления под индентором и измеряется в пас-
калях (Н/м2). Необходимо отметить, что величина нанотвердости по
Мейеру существенно отличается от величины микротвердости по
Виккерсу. Предельное значение твердости для данного материала в
данных условиях индентирования равняется НITпред = 0,1803∙Е*;
E – нормальный модуль Юнга, характеризующий сопротивление рас-
тяжению/сжатию при упругой деформации материала, который опре-
деляется соотношением E* = E/(1 − ν2), где ν – коэффициент Пуассо-
на, величина которого мала и находится в диапазоне 0,1 ÷ 0,3. Из ана-
лиза диаграммы Р – Н приведенный модуль Юнга определяется как
25624 ch
dH
dP
E
,
* или Е* = 1,304 Pmax /(hf/hc);
Отношение НIT/Е* = 0,3206∙(hf/hc) является показателем сопротивле-
ния материала упругой деформации, характеризует степень упрочне-
ния наноструктурированных материалов, может достигать значения
0,14, но не превышает 0,2 (т. е., HIT ≈ 0,14E*), что свидетельствует о
значительном упрочнении материала;
HIT
3/E*2 – параметр, характеризующий сопротивление материала пла-
стическому деформированию;
Величина (Wобщ – We )/Wобщ характеризует пластичность материала
при индентировании, где Wобщ – площадь под кривой нагрузки, We –
площадь под кривой разгрузки.
На основании энергетического подхода к анализу Р–Н диаграммы имеет-
ся возможность получить основные механические характеристики при ис-
пользовании следующих величин:
Wе – работа упругого восстановления отпечатка индентора, которая
численно равна площади под кривой разгрузки;
Wр – работа пластической деформации при индентировании, опреде-
ляемая как площадь между кривыми нагрузки и разгрузки;
Твердость покрытия H ~ (Wp + We)/Wp ;
Модуль Юнга E ~ (Wp + We)/We.
Соотношение между показателями диаграммы индентирования и меха-
ническими характеристиками материала, называемое уравнением индентиро-
вания, использовалось как тарировочная зависимость НIT/Е* =
0,687∙ ctg α∙(hf/hc). Для индентора Берковича с углом заточки α = 65° это со-
отношение преобразуется в НIT/Е* = 0,3206∙(hf/hc).
106
Замечено, что отношение P/S2 = π/(2β)2 ∙ H*/E2 (для металлов коэффици-
ент β = 3) хорошо коррелирует с триботехническими характеристиками по-
верхности, что важно для оценки функциональных и эксплуатационных ха-
рактеристик изделий с покрытием.
В настоящее время метод измерительного индентирования продолжает
развиваться. В работе [17] представлена методика, позволяющая установить
новые, не предусмотренные международным стандартом, соотношения меж-
ду показателями диаграммы индентирования и свойствами поверхности. По-
казана возможность идентификации типа структурного состояния материа-
лов и покрытий. В работе введено понятие относительной внеконтактной
упругой деформации εes = 0,307∙(H/E*). Величина показателя εes используется
для определения типа структурного состояния. Как показано в [17], материа-
лы и покрытия могут быть классифицированы по типу структурного состоя-
ния на три группы следующим образом:
I. К первой группе относятся крупнокристаллические материалы, в
основном металлы и сплавы (εes ≤ 0,013);
II. В первой подгруппе второй группы находятся мелкокристалли-
ческие материалы и материалы, подвергнутые термической обработке. Ха-
рактерный диапазон их нанотвердости 2 ÷ 7 ГПа. Во второй подгруппе нахо-
дятся покрытия с нанокристаллической структурой. Твердость покрытий в
этой подгруппе находится в пределах от 7 ÷ 8 ГПа до несколько десятков ги-
гапаскалей (обычно не выше 40 ГПа). Во второй группе значение εes нахо-
дится в пределах 0,013 ÷ 0,03.
III. В третьей группе (при εes = 0,03 ÷ 0,055) находятся материалы и
покрытия, характеризующиеся частичным или полным отсутствием четко
выраженной кристаллической структуры.
Таким образом, коэффициент εes может использоваться для установления
соответствия между абсолютным значением твердости HIT и тремя характе-
ристиками покрытия: 1) величиной его относительной внеконтактной упру-
гой деформации εes; 2) величиной приведенного модуля упругости Е*;
3) структурным состоянием материала.
Для предварительных оценок характеристик усталости иногда использу-
ют эмпирическую зависимость предела усталости σ-1 =0,35σв ÷ 0,5σв (где σв –
предел прочности материала). На усталостную прочность оказывают влияние
и другие механические характеристики, например условный предел текуче-
сти σ02. Величина механических характеристик функциональных покрытий в
значительной степени определяется их структурными характеристиками, ко-
торые в свою очередь находятся в зависимости от технологических парамет-
ров процесса поверхностного упрочнения рабочей поверхности.
Поверхностное упрочнение затрудняет зарождение усталостных трещин, но в
случае снижения показателя пластичности распространение возникшей
трещины может облегчаться. Благоприятного сочетания прочностных и
пластических свойств добиваются измельчением субструктуры (зерна) и
созданием композитных материалов.
Принято считать, что грубые неоднородности и поверхностные дефекты
покрытия являются концентраторами напряжений, которые способствуют
107
зарождению усталостных трещин. Для эффективного повышения
усталостных характеристик рекомендуется:
– понижать параметр шероховатости рабочих поверхностей;
– создавать сжимающие напряжения в поверхностном слое;
– повышать макро-, микро- и нанооднородность структуры поверхности;
– увеличивать напряжение начала пластической деформации в условиях
циклического нагружения, т. е. сдвигать момент начала упруго-
пластического перехода и начала разрушения.
Методики экспериментального определения усталостных характеристик
отличаются значительной трудоемкостью, а результаты их определения
имеют вероятностный характер и зависят от многих случайных факторов.
Полученные механические характерстики можно с успехом использовать для
оценки их влияния на усталостные характеристики рабочих поверхностей с
наноструктурированным хромовым покрытием [18]. Но на этом основании
можно сделать только некоторые общие выводы скорее качественного, чем
количественного характера. Эмпирически установленны приближенные,
качественные зависимости σ-1 от других, сравнительно легко
определяемымых, механических характеристик поверхности. Эта корреляция
широко используется для экспресс-оценки усталостных свойств материалов.
К сожалению, все эти зависимости являются частными, применимыми для
узкой группы материалов. Для установления надежного соответствия
требуются дополнительные экспериментальные исследования конкретных
образцов покрытий. Наиболее надежным способом определения усталостных
характеристик являются эксплуатационные испытания изделий с
покрытиями.
Обсуждение полученных результатов. Для проектирования технологи-
ческого процесса нанесения покрытия на рабочие поверхности гидроцилин-
дра важно было уточнить показатель распыления хрома с поверхности като-
дов технологических плазменных устройств. Очевидно, что при распылении
катода цилиндрической МРС, расположенной в полости гильзы гидроцилин-
дра, практически весь распыляемый материал осаждается на обрабатываемой
внутренней поверхности. При нанесении покрытия на наружную рабочую
поверхность штока было установлено, что при дистанции напыления 60 мм
на рабочей поверхности штока конденсируется только ≈ 40% распыленного
на катоде материала. Были определены удельные характеристики распыле-
ния массивного и гальванического хрома. Численные значения показателей
распыления (эрозии) хрома находятся в пределах 0,027 М/N∙τ ÷ 0,04 М/N∙τ,
где М – распыленная масса катода в мг; N – мощность магнетронного разря-
да в ваттах, τ – время работы магнетрона в минутах. Для планарного катода
этот показатель изменяется от максимального значения до минимального по
мере выработки катода. Для цилиндрического катода, работающего в режиме
продольного сканирования разряда, величина показателя эрозии катода оста-
ется постоянной – 0,04 мг/Вт∙мин.
Износостойкость магнетронного хромового покрытия толщиной 6 мкм
сравнивалась с износостойкостью гальванического покрытия равной толщи-
ны на машине трения (рис. 1). Определено, что показатель износостойкости
магнетронного покрытия, равный произведению потери массы на путь тре-
ния, в 2,32 раза превосходит износостойкость гальванического покрытия
«твердый хром».
108
Исследование морфологии поверхности покрытия на электронном мик-
роскопе выявило глобулярную структуру поверхности покрытия (рис. 4а, 4б),
характерную для покрытия, нанесенного с ионным ассистированием. В ста-
ционарном режиме осаждения характерный размер структурных элементов
(глобул) равнялся 2 мкм ÷ 3 мкм. По-видимому, для текстурированного по-
крытия этот размер соответствует поперечному размеру кристаллитов. Для
образцов, полученных в «циклическом» режиме, размер глобул равнялся
0,3 мкм – 1 мкм. На поверхности образца, полученного в стационарном ре-
жиме осаждения хрома за 30 минут, видны и поверхностные неоднородности
типа набросов и пор (рис. 4в). Причины появления этих артефактов точно не
установлены. Предполагается, что они возникают в результате недостаточной
технологической чистоты и стабильности при длительной ионно-плазменной
обработке и осаждении покрытия.
Измерения элементного состава покрытия показали (рис. 5), что про-
центное содержание хрома в образцах покрытий составляет 97,3 % ÷ 98,1 %.
Кроме хрома, в покрытиях в незначительных количествах определяются не-
которые легирующие элементы титанового сплава. Обращает на себя внима-
ние присутствие в покрытии кислорода в количестве 1,4 % ÷ 2,72 %. Присут-
ствие кислорода в покрытии соответствует данным источника [8] о том, что
причиной измельчения структуры и упрочнения покрытия является «цикли-
ческий» режим осаждения, при котором облегчается взаимодействие поверх-
ности конденсата с остаточной атмосферой вакуумной камеры. При этом в
результате геттерного эффекта в покрытие внедряются атомы кислорода, об-
ладающие более сильной химической связью с атомами хрома, чем связь
атомов хрома между собой. В результате ликвидируются несплошности в
границах зерен, то есть происходит дополнительное упрочнение покрытия.
Этот же эффект способствует значительному повышению временной ста-
бильности структуры. Стабильность механических характеристик (микро-
твердость) наноструктурированного хромового покрытия в течение 5 лет
подтверждена нами эспериментально, что положительно характеризует экс-
плуатационные качества покрытия.
Рентгеновские исследования покрытий проводились с целью определе-
ния фазового состава покрытия, определения характерного размера зеренной
структуры и уровня внутренних напряжений в покрытии. На рентгеновских
дифрактограммах, полученных в Сu-излучении (рис. 6а), видно, что покры-
тие, нанесенное в непрерывном режиме осаждения, дает рефлекс, надежно
определяемый как фаза хрома [100]. Определяется также вторая фаза хрома –
[110]. Покрытие текстурированно c характерным размером столбчатых кри-
сталлитов несколько микрометров. Кристаллографическая ориентация кри-
сталлитов <100>.
Фазовый состав покрытия, осажденного в «циклическом» режиме,
(рис. 6б) примерно соответствует составу покрытия, полученного в стацио-
нарном режиме осаждения. При этом содержание второй фазы хрома [110] в
покрытии относительно больше, чем в покрытии, полученном в стационар-
ном режиме. Пики рефлексов на дифрактограмме уширены, что свидетель-
ствует об относительном измельчении структуры. Уширенные пики на ди-
фрактограмме сливаются, что затрудняет идентификацию некоторых рефлек-
сов. Из-за ограниченной возможности роста кристаллитов в направлении
109
<100>, преимущественным направлением кристаллизации покрытия стано-
вится <110>, что не типично для ОЦК-решетки хрома.
а)
б)
в)
а) образец с покрытием, нанесенным в стационарном режиме;
б) образец с покрытием, нанесенным в «циклическом» режиме;
в) участок покрытия с поверхностными дефектами.
Рис. 4 – Морфология поверхности хромовых покрытий.
110
Достоверную информацию об усталостных характеристиках хромового
покрытия не удалось получить экспериментальным способом. Учитывая вы-
воды [18] о корреляции усталостных и механических характеристик нано-
структурированных покрытий, прогнозирование усталостных характеристик
выполнялось на основании механических характеристик, полученных мето-
дами измерительного наноиндентирования.
В различных условиях обработки получены экспериментальные образцы
покрытий. Условия нанесения покрытий на образцы представлены в табли-
це 1. Микротвердость образцов хромового покрытия определялась на прибо-
ре ПМТ-3 и для всех образцов находилась в пределах 10 ГПа ÷ 20 ГПа.
Нанотвердость и зависящие от неё другие механические характеристики по-
крытия определялись с помощью прибора «Микрон-гамма». Для сравнения
данные экспериментальных измерений и расчетного определения механиче-
ских характеристик покрытия представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что твердость нанопокрытий почти в три раза пре-
вышает твердость гальванического покрытия «твердый хром». Выводы, по-
лученные с помощью методики [17], позволяют идентифицировать магне-
тронные покрытия как наноструктурированные. При этом покрытие, полу-
ченное в «циклическом» режиме, характеризуется более высокими парамет-
рами наноструктурирования, что хорошо согласуется с данными [8].
Сравнивая покрытия по параметру HIT
3/E*2, характеризующему сопро-
тивление пластическому деформированию, можно прогнозировать улучше-
ние усталостных характеристик от гальванического покрытия к нанопокры-
тию, полученному в стационарном режиме. При переходе к «циклическому»
режиму нанесения улучшается прогноз повышения сопротивляемости уста-
лостному разрушению.
Рис. 5 – Элементный состав ионно-плазменного хромового покрытия
Название
спектра
Cr O Al Si Ti V Fe Mo Сумма
Спектр 1 97.72 1.97 0.00 0.00 0.00 0.00 0.30 0.00 100.00
Спектр 2 96.74 2.72 0.15 0.00 0.00 0.00 0.40 0.00 100.00
Спектр 3 97.83 1.40 0.00 0.17 0.00 0.20 0.41 0.00 100.00
Спектр 4 97.30 1.98 0.00 0.18 0.00 0.23 0.31 0.00 100.00
Спектр 5 97.83 1.82 0.00 0.13 0.00 0.23 0.00 0.00 100.00
111
а)
б)
а) Покрытие, полученное в стационарном режиме;
б) Дифрактограмма покрытия, полученного
в «циклическом» режиме, наложена на дифрактограмму
покрытия, полученного в стационарном режиме.
Рис. 6 – Дифрактограммы хромовых покрытий
Некоторое несоответствие между полученными характеристиками и
литературными данными следует отнести за счет незначительного объема
экспериментальных данных.
Таким образом, можно констатировать, что при магнетронном оса-
ждении хрома в циклическом режиме с ионным ассистированием одновре-
менно действуют три фактора улучшения механических характеристик по-
крытия. Это ионное ассистирование, «циклический» характер осаждения и
взаимодействие материала покрытия с кислородом остаточной атмосферы
технологической вакуумной камеры. Улучшение механических характери-
стик положительно сказывается на повышении сопротивления покрытия
усталостному разрушению.
112
Таблица 1. Условия нанесения хромовых покрытий на образцы
В колонках таблицы 1 приведены следующие данные: 3 – тип
ассистирования; 4 – дистанция нанесения покрытия; 5 – давление в рабочей
камере; 6, 7 – параметры разряда магнетрона; 8 – время нанесения покрытия;
9 – период «цикличности» режима нанесения покрытия; 10 – толщина
покрытия; 11, 12 – миротвердость покрытия.
Таблица 2. Результаты измерительного индентирования
№ Данные, снятые с Р–Н диаграммы Результаты расчетов
hmax hf hc hf/hc Wобщ We Wр HIT E* HIT/E* HIT
3/E*2 εes
0 2,334 1,333 1,94 0,688 88,8 44 0,5 12,866 178,92 0,072 6.65∙10-4 0,0174
1 1,551 0,944 1,34 0,706 31,7 12 0,6 11,936 227,98 0,0523 0,0327 0,0161
2
3
4 1,065 0,537 0,78 0,688 21,4 21 0,0 33,62 293,5 0,1145 0,441 0,0351
5 1,076 0,386 0,73 0,530 22,5 22 0,0 41,18 273,2 0,1507 0,9355 0,0314
Выводы. Определены основные механические характеристики хромо-
вых покрытий, нанесенных с помощью планарного и цилиндрического маг-
нетронов с использованием ионного и плазменного ассистирования в режиме
стационарного и «циклического» осаждения. Показано, что механические
характеристики наноструктурированных хромовых покрытий превышают
аналогичные характеристики гальванического покрытия «твердый хром». Во
всех режимах осаждения твердость и связанные с ней механические характе-
ристики хромовых нанопокрытий соответствуют требованиям защиты рабо-
чих поверхностей титановых гидроцилиндров. Установлены основные ре-
жимные параметры нанесения покрытий. Оценка усталостных характеристик
произведена на основании данных [18] о корреляции усталостных и механи-
ческих характеристик функциональных покрытий.
Полученные результаты подтверждают целесообразность замены гальва-
нической технологии нанесения функционального покрытия «твердый хром»
магнетронной технологией нанесения наноструктурированных функциональ-
ных покрытий.
Результаты оценок механических и усталостных характеристик магне-
тронных хромовых покрытий на титановых рабочих поверхностях гидроци-
линдров позволяют делать вывод о перспективности разработанной техноло-
гии и технологического оборудования для повышения технического уровня
шасси самолетов семейства «Ан».
1. Андриевский Р. А. Наноструктурные материалы – состояние разработок и применение /
Р. А. Андриевский // Перспективные материалы. – 2001. – № 6. – С. 5 – 11.
№ Тип
МРС
Ас-сист Ннап.
мм
РAr,
Торр
Uраз.,
В
Iраз.,
А
τсуммар.,
мин
T,
мин
δ, мкм HV100
ГПа
НV200
ГПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 Литой хром (Катод ПлМРС) - 1,3 -
1 Гальваническое нанесение покрытия «твердый хром» 6 12 -
2 ЦМРС Плаз 8 4,5×10-3 660 2 620×25'' 0,25 40 - 20
3 ЦМРС Плаз 18 4,0×10-3 480 5 0,25 27 25 23
4 ПлМРС Ион. 60 2,9×10-3 700 3,9 30' - 30,8 17 15
5 ПлМРС Ион. 60 2,5×10-3 680 4,3 60×15'' 1 15 22,9 18,9
113
2. Гришкевич А. Д. Наноструктурированные покрытия как альтернатива гальваническому хромированию
внутренних поверхностей / А. Д. Гришкевич // Техническая механика. – 2013. – № 3. – С. 3 – 13.
3. Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов //
А. Д. Гришкевич, С. И. Гринюк, В. В. Коваленко, Ю. П. Кучугурный // Техническая механика. – 2013. –
№ 4. – С. 43 – 57.
4. Особенности использования титановых сплавов, нержавеющих сталей, металлокомпозитных и анти-
фрикционных материалов в шасси современных самолетов / В. И. Рябков, Л. В. Капитанова,
Ю. В. Бабенко, В. А. Трофимов, Н. Н. Бычкова // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 1998. –
Вип. 1. – С. 6 – 15.
5. Богданович В. И. Применение титана в узлах пар трения космических аппаратов / В. И. Богданович,
В. И. Михлин, И. Л. Докукина // Проблемы машиностроения. –1998. – №2,3. – С. 100 – 103.
6. Вакуумная дуга / И. И. Аксенов, А. А. Андреев, В. Л. Белоус, В. Е. Стрельницкий, В. М. Хороших. – Ки-
ев : Наукова думка, 2012. – 727 с.
7. Кузьмичев А. И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магне-
тронного распыления / А. И. Кузьмичев. – Киев : Аверс, 2008. – 244 с.
8. Структура, механическое поведение и нанотвердость поликристаллических хромовых и молибденовых
покрытий, полученных методом магнетронного распыления / С. А. Фирстов, Т. Г. Рогуль, В. Л. Свечни-
ков и др. // Металлофизика и новейшие технологии. – 2003. – Т. 25, № 9. – С. 1153 – 1164.
9. Ракицкий А. Н. Структура осажденного хрома при магнетронном распылении / А. Н. Ракицкий // По-
рошковая металлургия. – 1992. – № 2. – С. 56 – 63.
10. Гришкевич А. Д. Нанесение функционального покрытия на внутреннюю стенку осесимметричного
изделия малого диаметра / А. Д. Гришкевич // Проблемы высокотемпературной техники. – 2011. –
С. 37 – 41.
11. Патент на изобретение №38845U, Украина, МПК С23С 14/00. Плазменное устройство / Гришкевич
А. Д. ; заявитель и патентобладатель Институт технической механики НАНУ и ГКАУ. –
u200808700 ; заявл. 01.07.2008 ; опубл. 26.01.2009, Бюл. №2. – 4 с.
12. Горелик С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков,
Л. Н. Расторгуев. – М. : МИСИС, 2002. – 366 с.
13. Наноструктурированные покрытия // Под. ред. А. Кавалейро и Д. Де Хоссона. – М. : Техносфера, 2011.
– 752 с.
14. Aznakayev E. Micron - gamma for estimation the physico-mechanical properties of micromaterials /
E. Aznakayev // Proc. of the Internat. сonf. “Small Talk-2003”. – San Diego, California, USA, 2003. ―
TP.001. – Р. 8.
15. ISO 14577-1:2002(E). Instrumented indentation test for hardness and materials para meters. Part 1: Test
method. Date: 2002-09-22
16. Oliver W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displace-
ment sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. – 1992. – Vol. 7, № 6. –
P. 1564 – 1583.
17. Идентификация структурного состояния материалов методом автоматического индентирования /
В. Ф. Горбань, Н. А. Мамека, Э. П. Печковский, С. А. Фирстов // Сб. доклад. Харьковской нанотехноло-
гической ассамблеи, Т. 1. Наноструктурные материалы. – Харьков, 2007. – С. 52 – 55.
18. Гришкевич А. Д. Исследование связи механических и усталостных характеристик магнетронного хро-
мового покрытия / А. Д. Гришкевич // Техническая механика. – 2014. – №3. – С. 94 – 99.
Институт технической механики Получено .09.2014,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 06.10.14
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88497 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:16:15Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Антонюк, С.Л. Бойченко, В.А. Коваленко, В.В. 2015-11-16T08:57:24Z 2015-11-16T08:57:24Z 2014 Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра / А.Д. Гришкевич, С.И. Гринюк, С.Л. Антонюк, В.А. Бойченко, В.В. Коваленко // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 100-113. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88497 621.002.56 Представлено обоснование использования магнетронной технологии с ионным и плазменным ассистированием с целью разработки новой технологии нанесения наноструктурированного хромового покрытия на рабочие поверхности титановых гидроцилиндров взамен гальванической технологии нанесения покрытия типа «твердый хром». Отработана опытная технология нанесения хромового покрытия на натурные образцы деталей. Исследованы механические характеристики полученных покрытий. Показано, что механические характеристики покрытий, полученных по магнетронной технологии с энергетическим ассистированием, существенно превосходят соответствующие характеристики гальванического покрытия «твердый хром». Полученные результаты актуальны для совершенствования технологической базы авиационного машиностроения и способствуют повышению технического уровня шасси самолетов семейства «Ан». Представлено обгрунтування використання магнетронної технології з іонним і плазмовим асистуванням з метою розробки нової технології нанесення наноструктурованого хромового покриття на робочі поверхні титанових гідроциліндрів замість гальванічної технології нанесення покриття типу «твердий хром». Відпрацьована дослідна технологія нанесення хромового покриття на натурні зразки деталей. Досліджено механічні характеристики покриття. Показано, що механічні характеристики покриття, що отримане по магнетронній технології з енергетичним асистуванням, суттєво перевершують відповідні характеристики гальванічного покриття «твердий хром». Результати, що отримані, актуальні для вдосконалення технологічної бази авіаційного машинобудування і сприяють підвищенню технічного рівня шасі літаків «Ан». The application of a magnetron technology with ion-plasma assisting is validated for developing a new technology for nanostructurizated chrome coating on the working surfaces of titanium hydraulic cylinders instead of a galvanic technology for solid chrome coating. An experimental practice for chrome coating on prototypes of parts is developed. Mechanical characteristics of the coating obtained are studied. It is shown that mechanical characteristics of coating, based on the magnetron technology with energetic assisting, are significantly surpassed the corresponding characteristics of galvanic solid chrome coating. The results obtained are useful in improving a technological base of aircraft machine-building and an engineering level of landing gears for the An family of aircrafts. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра Article published earlier |
| spellingShingle | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Антонюк, С.Л. Бойченко, В.А. Коваленко, В.В. |
| title | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра |
| title_full | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра |
| title_fullStr | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра |
| title_full_unstemmed | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра |
| title_short | Получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра |
| title_sort | получение и свойства магнетронного хромового покрытия на рабочих поверхностях силового титанового гидроцилиндра |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88497 |
| work_keys_str_mv | AT griškevičad polučenieisvoistvamagnetronnogohromovogopokrytiânarabočihpoverhnostâhsilovogotitanovogogidrocilindra AT grinûksi polučenieisvoistvamagnetronnogohromovogopokrytiânarabočihpoverhnostâhsilovogotitanovogogidrocilindra AT antonûksl polučenieisvoistvamagnetronnogohromovogopokrytiânarabočihpoverhnostâhsilovogotitanovogogidrocilindra AT boičenkova polučenieisvoistvamagnetronnogohromovogopokrytiânarabočihpoverhnostâhsilovogotitanovogogidrocilindra AT kovalenkovv polučenieisvoistvamagnetronnogohromovogopokrytiânarabočihpoverhnostâhsilovogotitanovogogidrocilindra |