RU2416675C2

RU2416675C2 - Procedure for formation of composite solid lubricating coating on working surfaces of friction units

Info

Publication number: RU2416675C2
Application number: RU2009106353/02A
Authority: RU
Inventors: Леонид Николаевич ЛЕСНЕВСКИЙ (RU); Леонид Николаевич ЛЕСНЕВСКИЙ; Владимир Николаевич Тюрин (RU); Владимир Николаевич Тюрин; Алексей Михайлович Ушаков (RU); Алексей Михайлович Ушаков
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-04-20
Also published as: RU2009106353A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: procedure consists in preliminary abrasive-jet treatment of surface, in cleaning surface with ion etching and in application of coating. Coating is applied by sputtering mosaic target in form of a disk made out of titanium with lead insertions uniformly distributed in it. Application is performed in a magnetron spraying system in a reactive medium of gases - argon and nitrogen. Also, coating is applied out of nitrides of titanium and lead at the following ratio of components: titanium nitride - 90-95 %; lead - 5-10 %.

EFFECT: increased resistance to wear and fatigue, elimination of burrs on working surfaces of parts.

4 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам формирования композиционных твердых смазочных покрытий (ТСП) для рабочих поверхностей узлов трения, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, таких как криогенная среда, высокие контактные давления, вакуум, и при фреттинг-коррозии в составе различных агрегатов и механизмов, используемых в ракетно-космической технике и атомной промышленности.The invention relates to methods for forming composite solid lubricant coatings (TSP) for the working surfaces of friction units operating in extreme operating conditions, such as cryogenic media, high contact pressures, vacuum, and fretting corrosion as a part of various units and mechanisms used in rocket -space technology and the nuclear industry.

Известен способ защиты механического контакта между двумя металлическими деталями, согласно которому рабочая поверхность, по крайней мере, одной из них, покрыта композитным самосмазывающимся материалом, образованным частицами графита, распределенными в изготовленной из никеля матрице. (Заявка на изобретение ₍₁₉₎RU₍₁₁₎2005121165₍₁₃₎A, ₍₅₁₎C23C 4/04 (2006.01) "Способ защиты поверхности механического контакта между двумя металлическими деталями, на которых использована такая защита.")A known method of protecting mechanical contact between two metal parts, according to which the working surface of at least one of them is coated with a composite self-lubricating material formed by graphite particles distributed in a matrix made of nickel. (Application for invention ₍₁₉₎ RU ₍₁₁₎ 2005121165 ₍₁₃₎ A, ₍₅₁₎ C23C 4/04 (2006.01) "A method for protecting a mechanical contact surface between two metal parts on which such protection is applied.")

Недостатком способа является то, что покрытие имеет невысокие твердость и износостойкость, ограниченный ресурс работы и может использоваться только в воздушной и криогенной средах, его невозможно использовать в составе узлов трения, работающих при высоких контактных давлениях, в вакууме, существенно ограничено использование такого покрытия при фреттинг-коррозии.The disadvantage of this method is that the coating has low hardness and wear resistance, a limited service life and can only be used in air and cryogenic environments, it cannot be used as part of friction units operating at high contact pressures, in vacuum, the use of such a coating when fretting is significantly limited -corrosion.

Целью заявляемого изобретения является получение твердого смазочного покрытия, обладающего повышенной износостойкостью при высоких контактных нагрузках в воздушной среде, в криогенной среде и в вакууме, с высокими значениями ресурса работы при различных видах трения, особенно при фреттинг-коррозии, и повышенным сопротивлением усталости, для этого покрытия характерно исключение задира рабочих поверхностей деталей узлов трения при высоких контактных давлениях.The aim of the invention is to obtain a solid lubricant coating with high wear resistance at high contact loads in air, in a cryogenic environment and in vacuum, with high values of the service life under various types of friction, especially when fretting corrosion, and increased fatigue resistance, for this Coating is characterized by the exclusion of scoring of the working surfaces of parts of friction units at high contact pressures.

Поставленная цель достигается тем, что композиционное твердое смазочное покрытие содержит в своем составе нитрид титана и свинец при соотношении компонентов: нитрид титана - 90-95%, свинец - 5-10%, перед нанесением покрытия поверхность подвергают абразивно-струйной обработке в атмосфере порошком корунда с размерами частиц ≤10 мкм, травлению ионами аргона в вакууме равномерным по плотности потоком ионов аргона с энергией до 1,5 кэВ, покрытие наносится в магнетронной распылительной системе в вакууме в реактивной среде смеси газов: аргона с добавлением азота, при этом мозаичная мишень выполнена в виде диска из титана со вставками из свинца, равномерно размещенными на среднем диаметре мишени.This goal is achieved by the fact that the composite solid lubricating coating contains titanium nitride and lead in its composition with a ratio of components: titanium nitride - 90-95%, lead - 5-10%, before coating the surface is subjected to abrasive blasting in an atmosphere with corundum powder with particle sizes ≤10 μm, etched by argon ions in a vacuum with a uniform density flux of argon ions with an energy of up to 1.5 keV, the coating is applied in a magnetron spray system in vacuum in a reactive medium of a mixture of gases: argon with HAND nitrogen, wherein the mosaic target is made as a disc made of titanium with inserts of lead, uniformly arranged on the middle of the target diameter.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.The proposed method is as follows.

Поверхность основы, на которую будет наноситься покрытие, притирают до шероховатости Ra<0.1 мкм, очищают от притирочной пасты и обезжиривают, а затем подвергают абразивно-струйной обработке порошком корунда дисперсностью ≤10 мкм, что позволяет наряду с увеличением площади поверхности основы повысить ее поверхностную энергию. После этого поверхность образцов высушивают сухим воздухом, промывают спиртом и устанавливают в специальном держателе. Держатель с образцами загружают в вакуумную камеру и подвергают ионному травлению.The surface of the base to be coated is ground to a roughness Ra <0.1 μm, cleaned from grinding paste and degreased, and then subjected to abrasive-jet treatment with corundum powder with a dispersion of ≤10 μm, which allows increasing its surface energy along with increasing the surface area of the base . After that, the surface of the samples is dried with dry air, washed with alcohol and installed in a special holder. The sample holder is loaded into a vacuum chamber and subjected to ion etching.

Ионное травление поверхности основы осуществляют в вакууме равномерным по плотности потоком ионов аргона средней энергией до 1,5 кэВ, при этом происходит дополнительное повышение поверхностной энергии, с поверхности удаляется окисный слой, дополнительно возникает случайная наношероховатость благодаря избирательному травлению в местах с уменьшенной энергией связи атомов с решеткой: по границам зерен, дефектам кристаллической структуры и др.Ion etching of the surface of the base is carried out in a vacuum with a uniform density flow of argon ions with an average energy of up to 1.5 keV, an additional increase in surface energy occurs, the oxide layer is removed from the surface, and random nanos roughening additionally occurs due to selective etching in places with a reduced binding energy of atoms with lattice: along grain boundaries, defects in the crystal structure, etc.

Для получения покрытия состава TiN_X-Pb в магнетронной распылительной системе используют мозаичную мишень, представляющую собой монолитный диск титана с размещенными по среднему диаметру мишени равномерно расположенными цилиндрическими вставками из свинца высокой чистоты. Расположение и размеры вставок выбирают такими, чтобы обеспечить присутствие примерно 5-10% свинца в результирующем покрытии.To obtain a coating of the composition TiN _X -Pb in a magnetron sputtering system, a mosaic target is used, which is a monolithic titanium disk with uniformly spaced cylindrical inserts of high purity lead placed on the average diameter of the target. The location and size of the inserts is chosen so as to ensure the presence of about 5-10% lead in the resulting coating.

Равномерность распределения и присутствие смазывающего компонента - свинца в матрице из нитрида титана обеспечивается одновременным сораспылением титана и свинца из одной мозаичной мишени в реактивной среде смеси газов: аргона с добавлением азота.The uniformity of distribution and the presence of a lubricating component - lead in the matrix of titanium nitride is ensured by the simultaneous co-dispersion of titanium and lead from one mosaic target in the reactive medium of a mixture of gases: argon with the addition of nitrogen.

Пример выполнения способа.An example of the method.

Плоская поверхность образца - диск размером ⌀78Х10 из стали 95Х18 - была подвергнута предварительной ультразвуковой очистке в щелочном растворе и промывке в спирте и ацетоне, затем подвергнута абразивно-струйной обработке в атмосфере корундом крупностью ≤10 мкм с последующей очисткой от остатков абразива и промывкой спиртом.The flat surface of the sample, a размером78X10 disk made of steel 95X18, was subjected to preliminary ultrasonic cleaning in an alkaline solution and washing in alcohol and acetone, then it was subjected to abrasive-jet treatment in the atmosphere with corundum with a particle size of ≤10 μm, followed by cleaning of abrasive residues and washing with alcohol.

Травление поверхности образца ионами аргона проводили в вакуумной камере с помощью ионного источника. Давление в камере - 1,8-2,0·10^-4 мм рт. ст., расход рабочего газа аргона 0,1-0,15 см³/с, энергия ионов 1,2-1,4 кэВ, ток ионного пучка 120-150 мА, время очистки 20-30 мин, температура нагрева образцов за время очистки не превышала 180-200°C. Формирование композиционного твердого смазочного покрытия TiN_x-Pb в магнетронной распылительной системе из одной мозаичной мишени осуществляли в вакуумной камере в реактивной среде смеси газов: аргон с добавлением азота при давлении 4,0-5,0·10^-3 мм рт. ст. при расходах: аргона - 0,33 см³/с и азота - 0,25 см³/с, напряжение на мишени магнетрона составляло 400-500 B, ток разряда - 4-5 A, максимальное значение магнитного поля - 0,15 Тл. Напряжение смещения на образце составляло 100 B, плотность тока на поверхности образца - 0,2 мА/см², дистанция напыления 90 мм, время напыления 40 мин, температура образца не превышала 180-200°C. Толщина полученного покрытия составляла 4,5-5,0 мкм.Etching of the sample surface with argon ions was carried out in a vacuum chamber using an ion source. The pressure in the chamber is 1.8-2.0 · 10 ^-4 mm RT. century, argon working gas flow rate 0.1–0.15 cm ³ / s, ion energy 1.2–1.4 keV, ion beam current 120–150 mA, purification time 20–30 min, sample heating temperature over time cleaning did not exceed 180-200 ° C. The formation of a composite solid lubricant coating TiN _x -Pb in a magnetron sputtering system from a single mosaic target was carried out in a vacuum chamber in a reactive medium of a mixture of gases: argon with the addition of nitrogen at a pressure of 4.0-5.0 · 10 ^-3 mm RT. Art. at the expense of: argon - 0.33 cm ³ / s and nitrogen - 0.25 cm ³ / s, the voltage on the magnetron targets was 400-500 V, the discharge current was 4-5 A, the maximum magnetic field was 0.15 T . The bias voltage on the sample was 100 V, the current density on the surface of the sample was 0.2 mA / cm ² , the spraying distance was 90 mm, the spraying time was 40 min, and the temperature of the sample did not exceed 180-200 ° C. The thickness of the obtained coating was 4.5-5.0 microns.

На фиг.1 представлена схема вакуумной установки для формирования композиционного твердого смазочного покрытия TiN_X-Pb в магнетронной распылительной системе с ионным источником, где 1 - вакуумная камера, 2 - поворотный держатель с образцами, 3 - мишень магнетрона, 4 - магнетрон, 5 - кран подачи воды охлаждения, 6 - ионный источник Кауфмана, 7 - кран-натекатель смеси газов: аргона и азота, 8 - кран подачи аргона.Figure 1 presents a diagram of a vacuum installation for the formation of a composite solid lubricant coating TiN _X -Pb in a magnetron sputtering system with an ion source, where 1 is a vacuum chamber, 2 is a rotary holder with samples, 3 is a magnetron target, 4 is a magnetron, 5 is cooling water supply tap, 6 - Kaufman ion source, 7 - leakage cock of a mixture of gases: argon and nitrogen, 8 - argon supply tap.

На фиг.2 представлены результаты триботехнических испытаний, проводившихся на машине трения УМТ-1 по схеме "палец-диск". По оси абсцисс - время испытаний, по оси ординат - коэффициенты трения покрытий TiN_X (кривая 9) и TiN_X-Pb (кривая 10). Давление в контакте составляло 15 МПа, скорость скольжения 2,5 м/с, время испытаний - 60 минут. Из приведенных данных видно, что коэффициент трения покрытия TiN_X-Pb (кривая 10) в ходе испытаний оставался примерно на уровне 0,08-0,1, тогда как коэффициент трения покрытия TiN_X (кривая 9) резко возрастал и уже на 20-й минуте испытания прекращали из-за задира покрытия и ответной детали.Figure 2 presents the results of tribological tests conducted on a friction machine UMT-1 according to the scheme "finger-disk". The abscissa is the test time, the ordinate is the friction coefficients of the coatings TiN _X (curve 9) and TiN _X -Pb (curve 10). The contact pressure was 15 MPa, the sliding speed was 2.5 m / s, and the test time was 60 minutes. From the above data it is seen that the coefficient of friction of the TiN _X -Pb coating (curve 10) during the tests remained approximately at the level of 0.08-0.1, while the coefficient of friction of the TiN _X coating (curve 9) sharply increased and already by 20 minutes to the test were stopped due to scuffing of the coating and the reciprocal part.

Испытания на фреттинг-износ образцов (с покрытиями и без) были проведены на специальной машине трения, показанной на фиг.3, где 11 - подвес на рессорах, 12 - датчик перемещений, 13 - ось перемещений, 14 - поддерживающий элемент, 15 - уравновешивающий вес, 16 - действие силы от генератора вибраций, 17 - криогенная среда. Результаты испытаний представлены на фиг.4, где a - износ образца без покрытия, b - износ образца с покрытием TiN_X, c - износ образца с покрытием TiN_X-Pb с предварительной обработкой поверхности частицами корунда размером 63 мкм, d - износ образца с покрытием TiN_X-Pb с предварительной обработкой частицами корунда размером ≤10 мкм. Испытания, проводившиеся при нагрузке до 50 МПа, амплитуде колебаний ±15 мкм, с частотой 160 Гц в среде жидкого азота, показали, что покрытие TiN_X-Pb с предварительной абразивно-струйной обработкой поверхности корундом дисперсностью ≤10 мкм значительно повысило износостойкость основного материала.Tests for fretting wear of the samples (with and without coatings) were carried out on a special friction machine shown in Fig. 3, where 11 is the suspension on springs, 12 is the displacement sensor, 13 is the displacement axis, 14 is the supporting element, 15 is the balancing element weight, 16 - the action of force from a vibration generator, 17 - cryogenic medium. The test results are presented in figure 4, where a is the wear of the sample without coating, b is the wear of the sample with a TiN _X coating, c is the wear of the sample with a TiN _X -Pb coating with surface pretreatment with corundum particles of 63 μm, d is the wear of the sample with TiN _X -Pb coating pretreated with corundum particles of size ≤10 μm. Tests carried out at a load of up to 50 MPa, an oscillation amplitude of ± 15 μm, with a frequency of 160 Hz in liquid nitrogen, showed that TiN _X -Pb coating with preliminary abrasive-jet surface treatment with corundum with a dispersion of ≤10 μm significantly increased the wear resistance of the base material.

При испытаниях на усталость покрытия из TiN_X, нанесенные на специальные образцы из стали 440 С, выдерживали не более 5×10⁶ циклов и разрушались. Покрытия из TiN_X-Pb, нанесенные на такие же образцы, не разрушились даже после 10⁷ циклов и продемонстрировали тенденцию к дальнейшей работе.In fatigue tests, TiN _X coatings applied to special samples of 440 C steel withstood no more than 5 × 10 ⁶ cycles and were destroyed. TiN _X -Pb coatings deposited on the same samples did not fail even after 10 ⁷ cycles and showed a tendency to further work.

Claims

1. The method of forming a composite solid lubricant coating on the working surface of the friction unit, including preliminary abrasive-jet surface treatment, cleaning the surface by ion etching and coating by spraying a mosaic target in the form of a disk made of titanium with lead inserts evenly distributed in it in a magnetron spray system in a reactive environment of gases - argon and nitrogen, while the coating is applied from titanium nitride and lead in the following ratio of components: titanium nitride - 90-95 %, lead - 5-10%.

2. The method according to claim 1, characterized in that the preliminary abrasive-jet surface treatment is carried out in the atmosphere with corundum powder with a particle size of ≤10 μm.

3. The method according to claim 1, characterized in that the ion etching is carried out in vacuum with a uniform density stream of argon ions with an energy of up to 1.5 keV.

4. The method according to claim 1, characterized in that when coating in a magnetron sputtering system using a mosaic target.