Современная технология нанесения антифрикционных покрытий

Рассмотрен способ получения антифрикционных покрытий и упрочнения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. В результате предлагаемой технологии повышается работоспособность деталей, сокращается период приработки и уменьшается износ покрытия в условиях ограниченной смазки.

Ключевые слова:сталь, антифрикционное покрытие, упрочнение, диффузия, легирующие элементы, электрический ток, микроструктура, износ.

В настоящее время известны различные способы нанесения многослойных антифрикционных покрытий на основе железа. Их недостатком является длительность периода приработки, сложность (в том числе подготовительные операции перед нанесением слоев) и нестабильность технологии, необходимость контроля пористости отдельных слоев, что можно сделать лишь разрушающим методом, а также потребность в завершающей механической обработке (шлифовании) после нанесения покрытий.

Для сокращения длительности периода приработки и снижения износа покрытия в период эксплуатации нами разработан способ нанесения антифрикционных покрытий [1], включающий упрочнение поверхностного слоя детали и нанесения поверх него приработочного слоя по следующей технологии: 1) нагрев детали в защитном солевом электролите, анодная поляризация ее током 0,1-25,0 А/дм²  в течение 1,5-2,0 ч при температуре закалки, выбираемой в соответствии с известными режимами термообработки по справочникам; 2) закалка детали в воде или масле в соответствии с принятыми режимами; 3) кипячение детали в воде в течение 20-60 мин с целью удаления пленки солевого электролита; 4) нанесение приработочного слоя электролитическим способом в этилендиаминовом электролите путем катодной поляризации детали плотностью тока 0,95-1,1 А/дм² при температуре 22-40 ⁰С с медьсодержащим вспомогательным электродом до получения слоя меди толщиной 30-60 мкм.

В процессе анодной поляризации детали в солевом расплаве при температуре закалки легирующие компоненты и углерод, входящие в состав стали, диффундируют в поверхностный слой, что после закалки по известным режимам приводит к повышению микротвердости поверхности детали, и увеличению ее износостойкости [2]; прирабатываемость детали улучшается за счет нанесения на ее поверхность сервовитной медной пленки толщиной 30-60 мкм, обладающей термодинамически неустойчивой структурой, склонной к модификации в период приработки. Перед катодной поляризацией упрочненной детали необходимо удалить остатки солевого электролита кипячением в воде в течение 20-60 минут в зависимости от формы и шероховатости детали.

Остатки солевого электролита с гладких деталей простой формы, подобных поршневым кольцам, удаляются при кипячении 20 мин в воде. При меньшей продолжительности на поверхности изделий могут сохраниться "размягченные" остатки электролита. В случае более сложной формы поверхности (например, при наличии канавок или ступенчатых переходов от одного диаметра к другому) и большей шероховатости продолжительность кипячения приходится увеличивать до 60 мин, чтобы полностью растворить оставшийся электролит.

Нанесение медного приработочного слоя на поверхность изделия, работающего в условиях трения со смазкой известно. В предлагаемой технологии выбраны особые условия электролиза меди, позволяющие получить в процессе электрокристаллизации термодинамически неустойчивую структуру, склонную к интенсивной модификации в период приработки. Выступающие микронеровности нанесенного покрытия в начальные моменты эксплуатации легко деформируются, площадь опорных поверхностей трения увеличивается и силовое воздействие в местах контакта уменьшается, а качество прирабатываемых поверхностей улучшается. При "тяжелых" режимах трения медная пленка может служить твердым смазочным материалом благодаря своей особой структуре, сформированной в процессе электрокристаллизации с плотностью тока 0,95-1,1 А/дм² и температуре 22-40 ⁰С в известном этилендиаминовом электролите.

Температура 22-40 ⁰С является оптимальной для электролиза меди в этилендиаминовом электролите: понижение температуры менее 22 ⁰С требует дополнительных затрат и усложняет технологию, повышение температуры более 40 ⁰С ухудшает качество медного покрытия.

Электрокристаллизация покрытий на плотностях тока менее 0,95 А/дм² приводит к получению медного слоя со столбчатой структурой, которая практически не претерпевает желаемых изменений при "мягких" режимах трения. С другой стороны, использование плотности катодного тока больше 1,1 А/дм² приводит к получению порошкообразных покрытий, ограниченно пригодных к использованию в качестве компактных слоев.

Толщина приработочного слоя менее 30 мкм не обеспечивает исправления геометрических погрешностей внутренней поверхности гильзы цилиндра, что приводит к потере работоспособности двигателя в целом. Увеличение толщины медного слоя выше 60 мкм вызывает необоснованные материальные и временные затраты, не улучшающие работоспособность двигателя.

Разработанный способ нанесения антифрикционных покрытий характеризуют следующие примеры с образцами материалов, применяемых для изготовления поршневых колец (табл. 1). К образцам размером 40´10´10 мм крепили токоподводы из стали 20. При анодной поляризации в качестве вспомогательного электрода использовали прутки стали 20, нагрев осуществляли в печи сопротивления мощностью 10 кВт и рабочим объемом 3 дм³.

Пример 1. После нагрева тигля с расплавом буры, содержащей 0,5 мас. % оксида железа (II), до 880 ⁰С в расплав погружали образец стали 20Х и вспомогательный электрод. Образец подключали к положительному полюсу источника постоянного тока, а вспомогательный электрод – к отрицательному. В течение 2 часов пропускали ток плотностью 14,3 А/дм², после чего образец закаливали в масле. Затем 20 мин кипятили в воде, перемещали его в этилендиаминовый электролит и катодно поляризовали током плотностью 1,1 А/дм² при температуре 40 ⁰С, используя в качестве анода чистую медь. Состав электролита: CuSO₄·5H₂O – 110-125 г/л, этилендиамин (70 % – й) – 60-70 г/л, Na₂SO₄·10H₂O – 50-60 г/л, (NH₄)₂SO₄ – 50-60 г/л, pH = 6,8-8,4.

Пример 2. Способ осуществляли аналогично примеру 1, однако использовали образец из стали 50ХФА, а анодную поляризацию проводили 1,5 ч при 850 ⁰С током плотностью 25,0 А/дм². Кипячение упрочненного образца проводили 30 мин. Катодную поляризацию выполнили током плотностью 0,95 А/дм² при 22 ⁰С, используя бронзовый пруток БрОФ6,5-0,4 в качестве анода.

Пример 3. Способ осуществляли аналогично примеру 1, однако использовали образец из чугуна ВЧХНМД, анодную поляризацию проводили 1,9 ч при 870 ⁰С током плотностью 0,1 А/дм². Кипячение упрочненного образца проводили 60 мин. Катодную поляризацию выполнили током плотностью 1,05 А/дм² при 29 ⁰С.

Пример 4. Способ осуществляли аналогично примеру 1, однако анодную поляризацию проводили 2,5 ч током плотностью 0,05 А/дм². Кипячение упрочненного образца проводили 70 мин. Катодную поляризацию выполнили током плотностью 0,75 А/дм² при 20 ⁰С.

Пример 5. Способ осуществляли аналогично примеру 1, однако анодную поляризацию проводили 1,0 ч при 830 ⁰С током плотностью 27,2 А/дм². Кипячение упрочненного образца проводили 10 мин. Катодную поляризацию выполнили током плотностью 1,25 А/дм² при 52 ⁰С. На поверхности образца наблюдали остатки солевого электролита.

Пример 6. Для сравнения упрочнили образец стали 20Х без нанесения приработочного слоя. Анодную поляризацию и закалку проводили аналогично примеру 1.

Таблица 1

Режимы и результаты нанесения антифрикционных покрытий

Износ образцов определили на машине трения СМТ-2 по схеме "диск-пластина" без смазки по убыли массы. Период приработки оценивали по времени стабилизации износа. Приведенные в таблице результаты показывают преимущества разработанной технологии по сравнению с известными. Осуществление способа нанесения антифрикционных покрытий с параметрами, выходящими за рамки указанных, не обеспечивает положительного эффекта: хотя период приработки сокращается, а интенсивность износа заметно возрастает.

Таким образом, разработанный способ может быть использован для получения антифрикционных покрытий и упрочнения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания, например поршневых колец, а также для нанесения покрытий на изделия, работающие в условиях трения.

Литература:

1.      Патент № 2241783 Российская Федерация, МПК С 23 С 26/00. Способ нанесения антифрикционных покрытий / Кусков В.Н., Паульс В.Ю., Смолин Н.И., Ковенский И.М. (РФ); заявл. 09.09.2003, опубл. 10.12.2004, Бюл. № 34.

2.      Кусков В.Н., Паульс В.Ю., Смолин Н.И. Ремонт технологического оборудования перерабатывающих производств. – Тюмень: Вектор Бук, 2013. – 160 с.