Способ нанесения многослойного ионно-плазменного антифрикционного покрытия на поршневые кольца

 

Использование: в области упрочнения деталей машин, а именно при нанесении антифрикционных слоев на поверхность поршневых колец двигателей внутреннего сгорания ионно-плазменным осаждением. Сущность изобретения: в способе нанесения многослойного ионно-плазменного антифрикционного покрытия на кольца, заключающегося в предварительном определении оптимальной толщины приработочного и промежуточных слоев с последующим нанесением приработочного, износостойких и промежуточных слоев на поршневые кольца, в процессе нанесения покрытия контролируют толщину износ стойких слоев, исходя из условия, приведе ного в формуле изобретения. 4 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5()5 С 23 С 14/34

ГОСУДАР CTBE ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4892355/21 (22) 12.12.90 (46) 23,12.92. Бюл. М 47 (71) Тульский машиностроительный завод им. В.М.Рябикова и Тульский политехнический институт (72) А.А.Воеводин, В.В.Любимов, В.М.Романов, Ю.С.Тимофеев и M.ß.×ìèð (56) Дюк Г.Е. и др. Поршневые кольца. Справочник, Берлин,Изд-во Гетце АО, 1977, с.15.

Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями, — М.: Машиностроение, 1986, с.40. (54) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА

ПОРШНЕВЫЕ КОЛЪЦА

Изобретение относится к области упрочнения деталей машин, а именно к способам нанесения антифрикционных слоев на поверхность поршневых колец двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ионно-плазменным осаждением.

Известен способ нанесения упрочняющих покрытий на поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания, включающий в себя формирование износостойкого керамического и приработочного металлического слоев, снижающих износ цилиндров на стадии приработки, и увеличивающий срок службы поршневых колец.

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает требуемой адгезии покрытия к поверхности кольца. Крометого, существует ограничение по толщине (5-7 мкм) керамического иэносостойкого слоя.. Ы 178299б А1 (57) Использование: в области упрочнения деталей машин, а именно при нанесении антифрикционных слоев на поверхность поршневых колец двигателей внутреннего сгорания ионно-плазменным осаждением.

Сущность изобретения: в способе нанесения многослойного йонно-плазменного антифрикционного покрытия на кольца, заключающегося в предварительном определении оптимальной толщины приработочного и промежуточных слоев с последующим нанесением приработочного, износостойких и промежуточных слоев на поршневые кольца, в процессе нанесения покрытия контролируют толщину износ стойких слоев, исходя из условия, приведе ного в формуле изобретения. 4 ил. из-за опасности развития в нем сквозных трещин и последующего разрушения покрытия под действием механических и тепловых напряжений при работе двигателя. QO

Известен также выбранный в качестве с, ) прототипа способ нанесения многослойно- 0 го покрытия с переменными свойствами и химическим составом, заключающийся в на-. р несении подслоя, связывающего покрытие и деталь, и износастойких слоев, чередующихся с промежуточными слоями, с предва- . рительным выбором оптимального ! значения толщины покрытия, выбираемой по двум параметрам: средней стойкости детали и коэффициенту вариации. Как правило, область оптимальных значений лежит между минимальными значениями вариации стойкости и максимальной средней сто и кость ю. где

Однако с точки зрения устойчивости раба гы многослойного покрытия, необходим правильный выбор толщин входлщих в нега слоев. Слишком тонкие слои быстро изнашиваются и не дают требуемого эффекта, толстые слои склонны к разрушениям под действием напряжений, возника»ощих в покрытии. В особенности эта касается керамических слоев иэ-эа их низкой пластичности и склонности к разнити»о трещин, что вызывает возрастание вероятности паявленил опасного дефекта, который может привести к динамическому разрушению покрытия.

Целью настоящего изобретения является снижение износа цилиндра-поршневой пары ДВС эа счет устранения неравномерности износа отдельных участков.

Укаэанная цель достигается тем, что н способе нанесения многослойного ионноплазменного антифрикционного покрытия на. кольца, эаключа»ощегося в предварительном определении оптимальной толщины приработочного и промежуточнь»х слоев с последующим нанесением приработочного, износостойких и промежуточных слоев на поршневые кольца, н процессе нанесения»lOKp»»TMA контролируют толщину иэносостойких слоев, исходят из условия

Р = (0,7-0,8) Р, Р, с

p, Ë»ьД 6;(z)dz); Р;""=»- ;" ф "» ;"=Р

»

» ,= Z(>i,»,;)/»,,; Г,. (E;»;)/ь;

J3;tf T(Z)+ V,T (Z)

+ .с.(у) ™ " .,-(» —,)-4»» Е,тИ)nt

»,»

» ; (- — ê (, р„— 4-о );

° р(4-о ) 4М а а д, (-а ") -40 8 (Ln ) 3 ф у 2 -, »,у 8»

ycua - ) где hi — контролируемая толщина слоя;

Н = b - а, а — внутренний радиус кольца;

b — внешний радиус кольца; я- — централ ьн ый угОл в замке кол ьца, находящегося в разжатом состоянии; и — общее число слоев;

11 — работа адгезии на границах слоев;

Е», à . Ео, ро — модуль упругости и коэффициент Пуансона для материалов слоя и кольца соответственно; а- коэффициенттермическога расширения кольца:

T(Z) — распределение температуры по толщине кольца:

5»%, p., р, ф — учитывают толщину слоя

h» и упругие характеристики слоя и кольца;

q, ä» вЂ” учитывают толщину слоя и коэффициенты термического расширения слал и кольца;

"0 с»(2) — концентрация внедренных н межузелье атомов;

Йы — радиус поры в решетке слоя;

R»»> — радиус внедряемого атома.

Предлагаемый способ нанесения многослойного ионна-плазменного антифрикционного покрытия на поршневые кольца осуществляют следующим образом.

Предварительно определяют оптимальные толщины приработочного слоя и проме20 жуточных слоев, исходя из конкретных условий изготовления и применения поршневых колец. Затем на предварительно очищенной рабочей поверхности поршневого кольца создают промежуточный адгезионный подслой путем внедрения в него атомов металла(например, Ti, Zr, l-lf, Сг, Мо) онной имплантацией на глубину 500 — 1000 А с постепенным уменьшением глубины пробега ионов и переходом от внедрения к осаждеЗ0 ни»о атомов металла на понерхности кольца.

Наносят первый керамический износостойкий слой (например, TIN, ZrN, HfN, CrN). В процессе осаждения контролиру»от толщину износостайких слоев, Длл контроля толЗ5 щины используют расчет напряженного состояния кольца с многослойным покрытием и оценку устойчивости покрытия к сдвиговым усилиям на границе слоев в наиболее вероятном месте возникновения и разнития l0 трещин по условию

P» = (0,7 — 0,8) P»"", (1) где P» -.— сдвигоные усилия, действу»ащие на границе слоев; P» — критическое усилие сдвига, при котором начинается рост погра,45 ничнайтрещины; 0,7-0,8- коэффициент, соответствующий запасу прочности, принятому для таких иэделий (3). Длл определения толщины иэносостойкого слоя отвечающих услови»о (1) рассмотрим

50 покрытие, состоящее из и слоев, каждый толщиной h» нанесенное на основу толщиной Н (фиг.1). Н =- Ь - а, где Ь вЂ” внешний радиус кольца, а — внутренний радиус кольца. Покрытие удовлетворяет условию

55 и

gh» «Н. Примем плоское напряженное

»=1 состояние с отличными от нулл компонентами тензора напряжений о„= Q =0 ., 1782996

Упругие постоянные основы и слоев покрытия будем считать известными.

Пусть в каждом слое покрытия под действием технологических и эксплуатационных факторов существуют напряжения

al(Z). Усилия сдвига, действующие на грани- 5 це i-го слоя с 1-1 слоем

l п 21+hi

Pp = g f oi (Z)dZ, (2)

Г 2|

I где Zl- подвижная координата, соответствующая нижней границе слоя.

Предположим, что в покрытии произошел сквозной разрыв (при х — со, Z > 3), и на границе раздела слоев при х< имеется полубесконечная трещина технологическоr0 или эксплуатационного происхождения.

Предельные значения деформации я"Р, при которой трещина движется и происходит отслаивание покрытия (4) 20 ,р 2У(1 - Я 1/г

Ь Е| где yi — работа адгезии, представляющая собой энергетические затраты на увеличе- 25 ние единицы площади трещины скольжения; Ь|,р|, El — толщина, коэффициент

Пуансона и модуль !Онга покрытия при

Z>Zl, соответственно. Для многослойного покрытия 30 и

hl = hl; (4.1) и

Х И:hl) (е : рр)

Е|— (4,3) 40

hl где hl. р|, Е| — соответствуют отдельному

I-му слою.

Так как hi*«H, то нижележащие слои и подложку можно представить в аиде бесконечного полупространства Z

Е. El (5)

1 -и|* 50

Подставляя (5) в (3)

hl (1-Pi

Переходя к погонным усилиям при по- 55 мощи Р"" cf" |1|, получим (7)

1 —,и| (3) (4.2) кр где P Р— критическое усилие, при котором происходят росттрещины и отслаивание покрытия. Выражение (7) справедливо как для растягивающих, так и для сжимающих усилий.

Из (1),(2),(3),(7) следует, что для оценки работоспособности необходимо знать зависимость o;(Z) для каждого слоя. Величина о|Д складывается для ионно-плазменных покрытий на поршневых кольцах из трех составля ющих

ol l(Z) = ol (Z) + oI í (Z) + oI (Z), (8) где oi (Z) — температурные напряжения, т ог (Z) — внутренние напряжения, вызванные внедрением бомбардирующих ионов, oI(Z) — эксплуатационные напряжения.

Температурные напряжения в I-м слое покрытия вызываются различием коэффициентов а теплового расширения (к.т.р.) материалов слоя и подложки. Так как й|« Н, то . вкладом в ol (2) от разницы к,т.р, I-го слоя т и других слоев покрытия можйо пренебречь.

С учетом линейной зависимости Е и а от температуры для слоя толщиной hl npu

Т = f(Z) (5) т | H) + TZ+ Т Z+ T Z т, | + | T Z х dt(Z), (9) где To — температура после осаждения (температура эксплуатации)

Pi = а|аос| у| = BoClbl+ а|С|Ь|+ fl3(8p

P = fl8obl+ fi8lbp+ bpbiCl у = |ь|ь яу = (1 -,и| )Нао+ (1 —,и )»al

$| = (1 -,и| )Hbo+(1 -ио )hlbl а|; Ь!; с|; fl — коэффициенты в выражениях

Е| = а| + blT(Z)

Ео = а| + bpT(Z)

Л а| = а| — ао = с| + biT(Z)

Индексы! и о соответствуют I-му слою. и подложке.

Внутренние напряжения при ионноплазменном осаждении вызываются внедрением ускоренных ионов в подложке и в покрытие. Введение примесей в объемы элементарной ячейки приводит и искажению кристаллической решетки и появлени|о напряжений в окрестностях дефектов. В случае внедрения в межузелье величина искажений кристаллической решетки определяется соотношением радиусов атома примеси и поры, в которую он внедряется. В области упругих деформаций при малых концентрациях примеси внедрения (менее 0,81 ат.

1782996 для кубических решеток), возникающие в

1-ом слое покрытия внутренние напряжения.

Сун (z) - Е, Cl(z) (10) где йп, Лпр — радиусы поры и примеси соответственно; .

c(Z) — концентрацйя внедренной примеси в атомных долях.

Зксплуатационные напряжения. При сборке и работе поршневых колец двигателей внутреннего сгорания в них развиваются эксплуатационные напряжения, вызванные давлением стенок цилиндра на кольцо и нагревом кольца при работе двигателя. Напряжениями, связанными с силами трения кольца по ц»илийдр»у и с давлением со сторонй рабочих газов, обычно пренебрегают ввиду их малости по сравнению с первыми двумя (3).

При надевании кольца на поршень и установке поршня в цилиндр поршневое кольцо деформируется г)од действием дав= ления со стороны стенок цилиндра, при этом выбирается зазор„равный сектору с центральным углам а(. В1кольце возникают собственные напряжения (напряжения изгиба кривого бруса). Компоненты радиальр . ных cg и тангенциальных cTg напряжений определяются по деформациям (6J (фиг,4).

4 8 р г г о 1

6 =« —. (— +Е(ГР— .(-а Py — 1»1 ц г - у,((Ц

@"7(агдг 8 г /", а — — -ья Геу — +(Егp — «g -а ) .е у(а 6 (/ (,. / где

2 (7.,2 2) 2 2(7 а)2 — (13)

8 Z 2 (2,2)

N (7 2 .2)2 1 212(7п Ь )2 (14) а

Радиальные напряжения на поверхности при r =. а и г =- b равны иул1о.

Тангенциальные напряжения максимальйь(на поверхности и равны

vg = — — (2а tn — +Ь -а )(1Я

2 о 2 2 (b N a .Температурные напряжения в поршневом кольце возникают из-за неравномерности его нагрева при работе двигателя.

Радиальные и тангенциальные напряжения, возникающие вследствие награва кольца, вычисляются по формулам (б) (, Е„ Г

6„-4,еР (г(Г1 - — (((;и,>- ((67 6":,» г

-с.((-р.>-„.7 - — И((и.> ° ъй,.>,2

Г (д) (19) где К=

Е

Ео

Подставляя формулы (9),(10),(23) в выражение (8) получим общую зависимость для. где с1 и с2 — произвольные пастоянные, определяемые из граничных условий

О(/г-О = 0 О е/(-Ь =- Р, (18) где а; = or + or,р-давление, сказываемое стенками цилиндра на кольцо.

Используя формулы (11),(12);(18), имеем для с1 и с2 два уравнения

С1(1 + (Mo)-С2(""po ) — 2 = 0

1 а с1(1 ь Po)-с2(1 Po )= = (P +

1 1-Ро

Ео

Ь

+ ао ЕΠ— f TTQ) p ду:

Ь а

Решая проблему (19), получим

Е (("(«" )((а 7у(), („ (1 "))

Тангенциальные напряжения. имеют максимальное значение на рабочей поверх2б насти кольца, т.е. при- г = Ь. Используя (17) и (20), имеем я р ЯФ д 4)

- Е Т(6)

30 Суммарные тангенциальные напряже. ния при г= b из формул (15) и (21)

4 Е, К -а"

6;/, = ((» 8» )-c4 Е, T(8)335 5. 7 (b"- ) Ф И, где M и и определяются из выражений (13) и (14), 40 Рассмотрим поршневое кольцо с многослойным покрытием, Используя условие неразвывнасти деформаций и пренебрегая влиянием покрытия на распределение напряжений в массиве ко(1ьца, можно считать, 4r что эксплуатационные напряжения в 1-там слое покрытия определяются по деформациям в массиве кольца с учетом упругих свойств постоя»нных покрытия, т.е. ь((о К Е Ю а

"(I (6 а ) ГеИ 8 г 4 (.79)- -, ;(2дгбе--l-аг)

55 Е ®

1782996

10 определения напряжений в -том слое покрытия на поршневом кольце.

";" в;.д т(г>+ т; т (z) тт (z)

"ие "ееР ве(о ее ; Ео В"-0" и . х ((+ Р)"

К, Р(В -вв в 4й а а

-в,в;в.теве- — - — «;ее, е --в-л в C24) и В

Используя выражение (24) совместно с формулами (1) и (7), контролеируют толщину изнЪсостойких керамичеСких слоев, при которой сдвиговые усилия на границах слоев меньше критических на 20-30%, или

Р л = {0,7-0,8) Р Р, что является оптимальным соотношением для контроля толщины слоев покрытия и обеспечивает максимальНО ВОЗМОЖНУЮ ТОЛЩИНУ ИЗНОСвОСтайКОГО слоя при одновременном предотвращении развития в нем трещин (см. табл. 1), Соотношения Р " и Р"я усилий, при которых не происходит развитие трещин в покрытии, определялись экспериментально путем нагруженйя кольца с покрытием и одновременного контроля появления трещин в его поверхностном слое.

Как видно из вышепредставленной табл. 1, при Р "=0,9Р Р разрушений в покрытии не наблюдается, Вместе с тем, с уменьшением минимально допустимого значения (оптимального) Р " уме н ь ш ается и тол щи на . износостойкого слоя покрытия в сооетветствии с выражением (7), что ведет к уменьшению общего срока службы кольца (фиг,3).

После этого наносят промежуточный металлический слой, затем второй износостойкий слой с толщиной, контролируемой аналогично первому, и второй металлический промежуточный слой. Формирование антифрикционного покрытия заканчивают нанесением приработочного металлического слоя.

Пример. Покрытия, состоящие из слоев

TiN и Tf, наносились на поршневые кольца двухтактного двигателя мотороллера "Тула" на установке типа "Булат". Материалом колец был специальный чугун с % составом.

Собщ 3,6-3,9; Ссв 0.55-0,8; Si 2,5-2,9; Мп

ОЛ)-0,7; Р 0,3-0,7; $ < 0,07; Сг 0,12-0,25; Ni

0,6-0,15; Мо 0,15-0,35; Т1 до 0,1; Си следы; остальное Fe.

Диаметральная погрешность поршневого кольца после шлифовки рабочей йоверхности составляет - 5 мкм. Для устраНейия этой погрешности и предотвращения йзноса кольца по отдельным пятнам достаточно нанести верхний приработочный слой толщиной 3 мкм, В процессе работы кольца металл про-

5 межуточного слоя распределяется по стенкам цилиндра. Толщина промежуточного слоя должна быть минимально возможной, т.к. он является быстроизнашивающимся и не вйосит непосредственного вклада в про10 должительность работы покрытия. Вместе с тем, как показали. экспериментальные исследования, его толщина не может быть меньше 1 мкм для снижения сдвиговых усилий на границах слоев. Поэтому оптималь15 ная толщина промежуточного металлического слоя 1-1,5 мкм.

Адгезионный подслой созывали путем ускорения ионов титана T+, Т в направлении поверхности колец с плавным снижени20 ем отрицательного смещающего потенциала на них от 1700 до 100 В в течении 5 мин. Износостойкий слой TiN осаждался при режимах осаждения, приведенных в табл. 2.

25 В процессе осаждения износостойкого слоя контролировалась его толщина по выражениям (1), (7),{24) для предотвращения отслаивания покрытия в результате роста трещины. Результаты расчета распределе30 ния напряжений по слоям покрытия показаны на фиг.2а. Заштрихованная область представляет вклад со стороны технологических напряжений, возникающих в процессе осаждения покрытия. В результате

35 расчетов получена оптимальная толщина износостойкого слоя, равная 3 мкм. Усилия на границах слоев при полученном распределении о,(2) и толщине износосгойких слоев показаны на фиг.2б. Они значительно

40 меньше критического сдвигового усилия приводящего к росту пограничной трещиНы и разрушению покрытия.

Затем осаждался промежуточный металлический слой из титана с плотной струк45 турой толщийой 1 мкм (см. табл. 2 ), посла чего наносился второй износостойкий слой по составу и толщине аналогичный первому, По окончании наносился приработочный слой из титана толщиной 3 мкм (см.табл. 2), 50 Суммарная толщина износостойкого слоя составляла 6 мкм. Микротвердость изйосостойких слоев при нагрузке 100 г составля- ла 2400 кг/мм, промежуточных слоев — 600 кг /MM2, приработочного слоя — 700 кг/мм .

55 Экспериментальные исследо-:айия заявляемого способа нанесения многослойного ионно-йлэзменного антифрикциойного йокрйтия на йоршйевые кольца йо их оаботоспосббности и стойкости показали, что по

1782996

Таблица 1,Табл и ца 2 сравнению со способом; описанным в прототипе, заявляемый способ обеспечивает снижение износа цилиндров на ЗО и увеличение срока службы колец в три раза.

Кроме того, износ рабочей поверхности цилиндров отличается равномерностью, то же самое наблюдалось и на поверхности колец после получасовой приработке (фиг.3)..

Формула изобретения

Способ нанесения многослойного ионно-плазменного антифрикционного покрытия на поршневые кольца, включающий предварительное определение оптимальной толщины приработочного и промежуточных слоев и последующее нанесение .приработочного, износостойких и промежуточных слоев на кольца, о т л и ч а ю. шийся тем, что, с целью снижения износа цилиндро-поршневой пары за счет устранения неравномерности износа отдельных участков, в процессе нанесения покрытия контролируют толщину износостойких слоев, исходя из условия

P л = (0,7-0,8)Р "Р, где Pi д — сдвиговые усилия, действующие на границе слоев;

Pi"Р— критическое усилие сдвига, при котором начинается рост пограничной трер, =я(ь)цацы*); v," (-Щ,з) у ь, хл; >

tl р; =Е(р;и;)/ь;; ; = (;ь;)/ь; тат> у ;ртд> т щ,тЪ)

/

<. .с.р лпю "nn„a(дA åå <, 6 )

g«pa

К Ф-<) м . d, ê; å, T(l l - — р — к (2 а l» — * Ь ю 0 где hi — контролируемая толщина слоя;

Н = b - а, а — внутренний радиус кольца;

Ь вЂ” внешний радиус кольца;

10 а — центральный угол в замке кольца, находящегося в разжатом состоянии;

n — общее число слоев; и — работа адгезии на границах слоев;

Еьpi, Ео,ро — модуль упругости и коэф15 фициент Пуансона для материалов слоя и кольца соответственно;

Qo — коэффициент термического расширения кольца;

T(Z) — распределение температуры по

20 толщине кольца;

Pi, g, р, ф — учитывают толщину слоя

ht и упругие характеристики слоя и кольца;

tp,4 — учитывают толщину слоя h; и коэффициенты термического расширения

25 слоя и кольца;

ci(Z) — концентрация внедренных в межузелье атомов;

R>i — радиус поры в решетке слоя;.

Rnp — радиус внедряемого атома;

P — давление, оказываемое стенками цилиндра на кольцо:

T(b) — температура на внешней поверхности кольца;

M,N — - учитывают геометрические размеры кольца.

1782996 ф

<

В ф

0.1 Я 3 4 5 б 7 8 Я 7р 77

Тадшина лохрь тия, 4 юЖ

4 ог 2

1782996

Фиг. Ю

due 5

Составитель А. Воеводин

l a хред М.Моргентал Корректор Н. Слободяник

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4490 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственно о комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5