РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Характеристика исследуемой стали.
Для изучения трибологических характеристик покрытий в качестве материала для
поршневого кольца была выбрана профилированная лента из стали 50ХФА. Данную
пружинную сталь использовали на Днепропетровском комбайновом заводе для
производства стопорных колец. По специально разработанной технологии на
лабораторной базе ДГТУ была изготовлена опытная партия поршневых колец (30
комплектов) диаметром 100 мм. Технология получения подката предусматривала
навивку полосы с термофиксацией, порезку полосы с последующим шлифованием
рабочей, задней и боковых плоскостей, торцов замка. В результате цикла
механо-термической обработки сталь имела ферритно-карбидную исходную структуру.
Химический состав и режимы предварительной термообработки приведены в таблице
2.1.
Таблица 2.1
Химический состав и режимы предварительной термообработки стали 50ХФА
Содержание элементов, %
Значение критических температур, оС
С
Мн
Si
Cr
S
P
Ni
Ас3
Аr3
Ac1
Ar1
0.46-0.54
0.5-0.8
0.17-0.37
0.8-1.1
0.03
0.035
0.4
0.1-0.2
788
746
752
688
Образцы из стали 50ХФА, предназначенные для исследования, имеют два
типоразмера: кольца диаметром 100 мм, и пластины бочкообразной формы с радиусом
кривизны рабочей поверхности 50 мм (рис. 2.1). Шероховатость исходной рабочей
поверхности поршневых колец и исследуемых образцов задавали в пределах Rz=15-17
мкм. Твердость сердцевины материала на удалении до 100 мкм составляла 2800-3000
МПа.
В качестве катодных материалов для получения ионно-плазменных покрытий были
использованы титан и цирконий на установке «Булат –3У» , химический состав
которых по примесям приведен в таблице 2.2.
Таблица 2.2
Химический состав катодных материалов по примесям, используемый на установке
«Булат - 3У»
Марка, ГОСТ,ТУ
С
H
Fe
Al
Si
Ca
O2
H2
Титан ВТ-00
ГОСТ 90013-71
0,050
0,021
0,021
-
0,081
-
0,110
0,008
Цирконий
КТЦ-110
ТУ 9546-78
0,001
0,002
0,040
0,002
0,006
0,005
-
-
При взаимодействии паров титана и циркония с азотом при заданных
технологических параметрах образуются соединения нитридов титана и нитридов
циркония, которые осаждаются в виде пленок на поверхности детали, помещенной в
вакуумную камеру, образуя прочные защитные покрытия с высокими физико-
механическими свойствами. Технология получения покрытий из нитридов титана и
циркония подробно описана в разделе 2.2.2.
2.2. Методы и средства упрочняющей обработки поверхностного слоя
В настоящее время для модифицирования поверхностных слоев деталей автомобилей
используют лазерные, ионные и электронные пучки с энергией, достаточной для
разогрева и оплавления больших участков поверхности за весьма короткое время.
Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить
обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объёма
материала деталей и нарушения его структуры и свойств.
Методы ионной имплантации позволяют вводить примесные атомы непосредственно в
поверхностные слои твердых тел на существенные глубины, создавая высокие
концентрации и зоны проникновения.
2.2.1. Оборудование и технология азотирования
Азотирование образцов проводили на промышленной печи азотации ОАО «АЗОТ» г.
Днепродзержинска. Печь шахтного типа с полезным объёмом 4.5 м3, выполнена в
виде герметичной камеры теплоизолированной и футерованной огнеупором и
снабженной электронагревателями. Процесс азотирования производился по режиму:
нагрев деталей до 550-600оС в атмосфере частично диссоциированного аммиака.
Аммиак подавали в нижнюю часть через перфорированную насадку трубопровода.
Нагреваясь, аммиак диссоциирует на азот и водород (NH3 +Fe = N(Fe)+3/2H2).
Водород покидает камеру печи через выхлопную свечу, а аммиак насыщает
поверхностные слои металла. Избыточное давление газообразного аммиака
поддерживали на уровне 3 атм. Азотирование проводили в течении 96 часов при
температуре 520оС. Диссоциация аммиака в первые 10 часов составляла 23-30%, в
остальное время -70%. В качестве образцов для исследования использовали
экспериментальные поршневые кольца диаметром 100-120 мм из стали 50ХФА и
пластины бочкообразной формы с радиусом кривизны рабочей поверхности 50 мм
(рис.2.2 а, в). Поршневые кольца нанизывали на специальный цилиндрический
шаблон с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру кольца, с фиксацией
боковых плоскостей колец прижимами.
Фиксация выполняется для того, чтобы в процессе азотирования кольцо, имеющее
относительно большую длину по сравнению с их сечением, не повело. Пластины с
двумя отверстиями по краям набирали в кассеты с помощью стягивающих стержней.
Перед закладкой в печь образцы и кольца клеймили и обезжиривали ацетоном.
Набранные кассеты и бобины с образцами подвешивали на крюковые подвески,
расположенные не запорной крышке шахтной печи, и вместе с крышкой опускали в
приёмную горловину печи. После герметичного закрывания печь выводили на рабочие
режимы работы.
Извлечение образцов проходило в обратном порядке их закладке.
а б в г
Рис.2.2. Исследуемые образцы бочкообразной формы, х 1,5:
а, в – азотированные образцы;
б – образцы с покрытием из нитридов циркония;
г - образцы с покрытием из нитридов титана
2.2.2. Оборудование и технология нанесения пленок нитрида титана и нитрида
циркония на поверхность поршневого кольца.
Нитридные пленки наносили на рабочую поверхность поршневого кольца на установке
«Булат-3У» (рис. 2.3.) производства института «Укростанкопром» (г. Харьков),
обору