автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Получение покрытий на основе химических соединений титана в условиях низкотемпературного плазменного синтеза

^ л

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз.№ //

КОСОГОР Сергей Павлович

ПОЛУЧЕНИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМЕННОГО СИНТЕЗА

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ЛОГ» ^

иурМЬ / Г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте проблем порошковой технологии и покрытий Республиканского инженерно-технического центра порошковой металлургии при Пермском государственном техническом университете

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - профессор, доктор технических наук, член-корр. РАК В.Н.Анциферов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор И.Л.Синани, кандидат химических наук А.Г. Щурик

Ведущее предприятие - АО "Пермские моторы"

Защита состоится " 1997 года в часов

заседании диссертационного совета К 063.66.06 в Пермском государственном техническом университете / ауд. 423 гл. корпуса/ по адресу: 614000, г. Пермь, Комсомольский проспект пр., 29 а

Автореферат разослан " 4/ " 1897 года

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

М.И.Шишкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Реализация основных тенденций современного машиностроения - интенсификация производственных процессов, повышение производительности и экономичности, переход к ресурсосберегающим технологиям - ставит задачи по созданию новых материалов с определенным комплексом физико-механических, химических, технологических характеристик и свойств, технологий поверхностного упрочнения. Монно-плазменные технологии нанесения износостойких слоев химических соединений титана, среди которых ллазменно-вакуумная технология выделяется простотой аппаратурного оформления, уникальными энергетическими потоками конденсирувдихся частиц и высоким качеством наносимых покрытий, получили широкое распространение у нас в стране к за рубежом благодаря экономичности, экологической чистоте, возможности упрочнения изделий без последующей термической и механической обработки. Все возрастающим требованиям, предъявляемым к упрочняемому слою, могут удовлетворить покрытия, сочетающие в себе, наряду с высокой твердостью (не менее 20 ГПа). пластичностью, лучшие физико-химические характеристики карбидов и нитридов. Такой комплекс свойств возможно создать как нанесением карбонитридтитано-вых покрытий с заданным стехдаметрическим составом, так и совершенствованием технологий получения карбидов и нитридов титана. Однако широкое их применение сдерживается недостаточной изученностью как процессов распыления материалов, так и процессов формирования структуры и физико-механических свойств упрочняющих слоев в зависимости от технологических параметров, отсутствием надежных способов и процессов их нанесения. Поэтому проведение исследований в области нанесения карбидных, нитридных и карбонитридных покрытий, создание оригинальных методик и оборудования для нанесения покрытий вакуум-но-плазменными способами, разработка технологических процессов упрочнения изделий машиностроения, направляющих аппаратов ГТД, металлорежущего инструмента, подшипников скольжения является весьма актуальным.

Диссертационная работа является частью исследований, которые предусмотрены:

- научно-технической программой "Исследование, разработка и применение альтернативных технологий и создание новых материалов, устройств и технических решений специального назначения" (Перспектива), приказ Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы N 187 ¡ЗШ от 12.03.91 г.

- межвузовской научно-технической программы "Исследование i области порошковой технологии, 1992-1994 гг. Шифр программы - 13.5. Приказ комитета по высшей школе Министерства науки, высшей школы * технической политики Российской Федерации (Миннауки РФ) от 30.06.9S г. N 390.

Дель работы. Цель работы состоит б разработке физико-химических основ и проведения исследований по получению новых плазмен-но-вакуумных процессов нанесения покрытии; изучении физики процессе распыления порошковых и компактных катодов и формирования структурь покрытий на основе карбидов, нитридов и карбонитридов титана длу создания износостойких покрытий на направляющих аппаратах ГТД, металлорежущем инструменте, подшипниках скольжения разработке технологических процессов и внедрения их в производство.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработать испаритель для нанесения износостойких покрытие методом злектродугового распыления порошковых катодов, выполненных из титана;

- исследовать рабочие характеристики электродугового испарителя и процессы распыления порошковых катодов;

- изучить влияние основных технологических параметров напыления на структуру, состав и свойства покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов титана;

- исследовать процессы формирования структуры покрытий и разработать способы получения их с заданной структурой и фазовой однородностью;

- разработать технологические процессы получения износостойкие 'покрытий при распылении порошковых катодов из титана и внедрить га в производство.

Научная новизна:

- разработана новая конструкция электродугового испарителя металлов, позволяющая увеличить скорость нанесения покрытии до 10 pas с высокой равномерностью, составляющей ± ? Z ;

- впервые предложена модель распыления спеченных порошковых материалов с использованием низковольтной сильноточной дуги, функционирующей в быстроперемещающихся микропятнах в условиях газодинамического ускорения плазменного потока в основании катодного пятна;

- исследован процесс нанесения покрытии н определены основные параметры состояния плазменного потока (количества капельной фазы,

массоперенос, скорость, физико-механические характеристики покрытий) ;

- установлено, что покрытия из нитрида титана имеют аксиальную текстуру [1113, которая уменьшается в карбонитридтитановых покрытиях с увеличением содержания углерода и характеризуются образованием новой текстуры [1003 в покрытиях карбида титана;

- получены экспериментальные зависимости изменения параметра кристаллической решетки, уровня микродеформаций, областей когерентного рассеяния от технологических параметров напыления;

- установлено, что параметры кристаллической решетки в нитрид-титановых и карбидтитановых покрытиях соответствуют стехиометричес-ким составам компактных материалов, в TiCN данный параметр лежит в пределах 0,424...0,433, который изменяется соответственно от количества содержания азота и углерода;

- установлено наличие значительных микродеформаций в покрытиях. величина которых 1.1% в TIC. что превышает в 1,5 раза уровень микродеформаций в TIN;

- осуществлен комплексный подход б решении вопроса получения износостойких покрытий, заключающийся в разработке испарителя, изготовлении порошковых катодов, процесса напыления, подготовке поверхности под напыление с целью получения материалов с заданными служебными характеристиками.

Практическая значимость работы. На основании предложенного устройства для нанесения покрытий С a.c.N 1478952) разработан технологический процесс нанесения износостойких покрытий на направляющие аппараты, металлорежущий инструмент, подшипники скольжения.

Разработаны злек-тродуговые источники плазмы, позволяющие с максимальной эффективностью и высоким качеством реализовывать результаты работы за счет расширения технологических возможностей серийного оборудования, позволяющего повысить его производительность. Новизна предложенных конструкций подтверждена авторскими свидетельствами СССР N 1367527. 1579079, 1658981, 1605576.

Эксплуатационные испытания направляющих аппаратов ГТД с нанесенными микрослойными покрытиями, состоящими из шести микрослоев нитридов и карбидов титана общей толщиной 20 мкм, на АО "Пермские моторы" показали увеличение стойкости изделий в 1,5- 2 раза по сравнению с направляющими аппаратами без покрытий. Технологический процесс нанесения износостойких антифрикционных покрытий на вкладыши подшипников скольжения внедрен на АО "Мотовилихинские заводы".

На защиту выносятся: конструкция электродугового испарителя.

позволяющего генерировать высококонцентрированный поток плазмы и наносить покрытия с высокой скоростью и однородностью по фазовому

СОСТаВу; мвХЗНИЗЫ рЗОПЬШеНИй СБвЧ&НКыл ПОрОшКОВЫл Материалов НИЗКОВОЛЬТНОЙ сильноточной дугой, функционирующей в быстроперемещащихся микропятнах, и влияние газов на скорость распыления, рабочие характеристики электродугового испарителя, распределение конного потока в плазме в зависимости от конфигурации торцевой поверхности катода; формирование структуры: фазовый состав, текстура, микродеформации в покрытиях из нитридов, карбидов, карбонитридов титана от технологических параметров напыления, особенности формирования аксиальной текстуры, которая зависит от напряжения смещения на подложке и содержания углерода в покрытии; особенности эрозионного изнашивания покрытий на направляющих аппаратах ГТД из карбидов и нитридов титана при различных углах атаки абразивных частиц и антифрикционных свойств нитрида титана на подшипниках скольжения; технология напыления покрытий.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХУ1 Всесоюзной научно-технической конференции по порошковой металлургии (г.Свердловск, 1989 г.), Республиканской научно-технической конференции "Электрофизические технологии в порошковой металлургии" (г.Киев, 1988 г.), Межреспубликанской научно-технической конференции "Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения" (г.Волгоград, 1988 г.), Международной конференции "лкмия твердого тела" t,г.Одесса, 19S0 г.). Международной конференции "Упрочнение и защита поверхности газотермическим и вакуумным напылением" (г.Киев, 1990 г.). Межреспубликанской научно-технической конференции "Поверхность и новые материалы " (г.Ижевск, 1988 г.). Научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники" (г. Пермь, 1995 г.), Научно-технической конференции "Проблемы современных материалов и технологий" (Пермь, 1996 г.), Научно-технической конференции "Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хо-

tfMMuTiSt! i.bujiuj/jia,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 авторских свидетельств.

Структура и объем работ. Диссертация «вложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 4 табл., 51 рис. и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность работы, изложена цель я задачи исследований, дана общая характеристика работы.

1. Литературный обзор. Дан анализ состояния вопроса по нанесению износостойких покрытий в вакууме. Рассмотрены и проанализированы достоинства и недостатки физических методов нанесения покрытий -метода ионно-термического испарения (резистивное, индукционное, электронно-лучевое), метода ионного распыления (катодное, магнет-ронное) и метода электродугового распыления. На основании проведенного анализа сделано заключение о перспективности использования занятных, упрочкжщшс к износостойких покрытии методом вакуумного электродугового испарения с холодным катодом, который реализуется в виде двух последовательно протекающих процессов: бомбардировки подложки ионами с энергией Е=1-3 кзВ и конденсации покрытий. При зтом предварительная ионная бомбардировка обеспечивает достаточно эффективную очистку поверхности обрабатываемого материала и ее активацию, что позволяет получить высокую адгезию, а высокая степень ионизации плазменного потока позволяет активизировать химические реакции между испаряемым металлом и компонентами реакционной газовой смеси.

Однако многообразие взаимосвязанных технологических факторов процесса конденсации и ионной бомбардировки в ряде случаев не позволяет оптимизировать параметры технологического процесса нанесения покрытий, что ведет к увеличению структурных дефектов, ухудшению физико-механических свойств покрытий, таких как микротвердость, адгезия, износостойкость.

Среди путей, позволяющих улучшить физико-механические характеристики покрытий, особое внимание уделено конструкциям электродуговых испарителей. Проанализирован механизм распыления катодов, ионизация металлической плазмы и ее фокусировка. Рассмотрены возможности нанесения покрытий на изделия с различной конфигурацией.

2. Методика эксперимента. Во второй главе дано описание экспериментальной установки для нанесения покрытий,характеристики исходных материалов, изложены экспериментальные методики, применяемые в работе, и методы исследований структуры и свойств покрытий.

В качестве материалов подложки выбраны титановый сплав ВТЗ-1, сталь ШХ-15. Расходуемый катод злектродугового испарителя изготавливался из порошкового материала марки ПТЗС методом порошковой металлургии. Диаметр испаряемой поверхности катода составлял 125 мм.

В качестве сравнения применялся расходуемый катод, выполненный читака ВТ1-00.

Для получения химических соединений в реакционный объем каме вводили азот, ацетилен и смесь газов азота с ацетиленом.

Покрытия иэ нитридов, карбидов и карионитридов титана наноси на экспериментальной установке, позволяющей напылять покрытия ра номервостью ±7,5% при диаметре изделия 250 мм со скоростью до мкм/мин. Внутрикашрная оснастка, ряд узлов и систем модернизиро! ны и приспособлены к условиям проводимого эксперимента.

Исследование структуры и фазового состава покрытий проводи на рентгеновском дифрактомере ДРОН-3 б ü-Cd монолрсгмативированл излучении, съемка текстурованных образцов проводилась с помои специальной текстурной приставки ГП-2. Металлографические исслея вания покрытий и материалов научались на растровом электронном м* роскопе GS-б,электронном микроскопе с электронно- зондовым прибор "Камевах", "JE0L", просвечивающем электронном микроскопе ПЗМ-20С металлографическом микроскопе "Neophot-21". Микротвердость покрыз определяли на микротвердомере ПМТ-3.

Эрозионный износ покрытий определяли путем взвешивания обра цов до и после испытаний. Скорость газоабразивного потока составд ла 160-250 м/с, при фракции абразивных частиц менее 65 мкм - 12 65-100 МКМ - 45% и 100-165 МКМ - 437..

испытание покрытий ка прирабатываемость пар трения провод« на машине трения СМТ-1, при максимальном давлении на подшипник 10 МПа.

Измерение электрических параметров ускорителя (ВАХ) проводи с помощью шлейфого осциллографа Н501 и двухлучевого запоминающе осциллографа С8-14. Измерение скорости эрозии катода определен путем убыли массы катода за время работы ускорителя.

Плотность ионного тока в струе плазмы определяли с помощью и линдрического зонда, работающего в режиме насыщения.

3. Исследование физических процессов распыления катодов, Е полненных из компактных и порошковых материалов в электродугов источниках плазмы.

Б третьей главе приведены результаты исследований рабоче процесса в ускорителе. Рассмотрены основные технологические пар метры ускорителя, влияющие на свойства пленок и покрытий: величи магнитного поля, ток вакуумной дуги, конфигурация торцевой испаря мой поверхности катода и давление газов в объеме камеры на распыл ние материала катода.

Для исследований влияния данных параметров использовали катоды, выполненные как из порошковых, так и компактных материалов, диаметром 125 мм, позволяющие увеличить скорость напыления и равномерность нанесения покрытий. Проведенные исследования по влиянию величины напряженности магнитного поля, которая изменялась от 0 до 100 Гс, позволили установить, что при наложении внешнего магнитного поля 50 Гс, полезная площадь испарения плоской торцевой поверхности уменьшается с 1 до 0,7 - 0,6. Увеличение мощности в центральной части катода приводит к возрастанию теплового потока, что сопровождается увеличением доли капельной фазы в продуктах эрозии и возрастанию коэффициента эрозии катода. Показано, что магнитное поле приводит к увеличению напряжения на ускорителе, сопровождающееся возрастанием вольтзквивалента энергии, вкладываемой в плазму, и возрастанием энергетического КПД.

Установлено, что с увеличением величины магнитного поля возрастает ионный ток, связанный с дополнительной ионизацией паровой компоненты, за счет азимутального дрейфа электронов. Обнаружено, что с увеличением тока разряда от 200 до 250 А наблюдается незначительный спад напряжения на ускорителе. В зависимости от конфигурации торцевой испаряемой части катода, выполненного в виде прямого конуса в центре и обратного на расстоянии 50 мм от центра катода, угол при вершине прямого конуса изменяли от 140° до 180°, а ток дуги - от 100 до 250 А, установлены оптимальные режимы напыления, которые зависят от величины тока низковольтной дуги. При токах до 150 А максимальная однородность достигается при угле вершины прямого конуса 150°. С увеличением тока дуги наблюдается самопроизвольная фокусировка плазменного потока. При токах до 250 А удовлетворительные результаты получены при угле прямого конуса 140°. Изготовление данной конструкции торцевого испарителя позволило увеличить рабочую поверхность испарения до 12265,6 мм , при диаметре катода 125 мм. Наложение внешнего магнитного поля на плазменный поток, образованный при распылении катодов с поверхностью, выполненной в виде прямого и обратного конусов, существенно изменяет распределение плазменного потока по его радиусу и, соответственно равномерность осаждения покрытий. Из полученных зависимостей установлено, что распределение плазменного потока зависит как от величины магнитного поля, тока дуги, так и конфигурации испаряемой поверхности катода, оптимизация которых приводит как к равномерности наносимых покрытий на изделия диаметром до 250 мм, так и к увеличению скорости нанесения до 2 мкм/мин.

Изучено влияние газов и его давления в разрядном промежутке на скорость распыления материалов, выполненных из порошковых и компактных катодов. Установлено, что при давлении 10 Па скорость эрозии порошкового материала меньше скорости компактного, основной причиной этого фактора является образование; химических соединений на более развитой поверхности катода. С уменьшением давления газов наблюдается обратная тенденция, связанная с высокой неоднородностью порошкового материала, проявляющаяся в наличии пор с различной геометрией, создающей развитую поверхность, влияющую ка увеличение эмиссионных свойств. Изучено влияние давления на рельеф поверхности катода, который уменьшается с увеличением давления газов как азота, так и ацетилена.

На основе гипотезы о газодинамическом ускорении плазменной струи в основании рабочей поверхности катода, предложен механизм эрозии материала , приводящий к уменьшению капельной фазы в 1,5-2 раза в плазменном потоке и покрытии, при распылении порошкового катода по сравнению с компактным материалом. Представлен механизм разрушения и эрозии как порошкового, так и компактного материала.

4. Структура TIN, TIC и Т1СН покрытий.

В четвертой главе представлены результаты исследования структуры, фазового состава покрытий из карбидов, нитридов и карбокитри-дов титана. Установлено . что покрытия имеют мелкозернистую, плотную, беспористую структуру , являются однофазными и представляют собой кубический нитрид титана при напылении TIN' и карбид титана при напылении TIC. Параметр кристаллической решетки практически не изменяется и по своей величине определен равным (0,424...0,426 ны) для нитрида титана и (0,433...0,434 ни) для карбида титана. Установлено, что величины областей когерентного рассеяния также практически не изменяются и равны соответственно для нитрида титана 25-40 нм и карбида титана 10-20 нм. Уровни микродеформаций для нитрида титана составляют 0,37-0,42% и 0,49-0,66% для карбида титана.

Наиболее существенное влияние на параметры тонкой структуры нитридного и карбидного покрытия оказывает напряжение смещения на подложке, что проявляется, преаде всего, в уменьшении уровня микродеформаций с -, 1% при U =50В до -0,64% при U = 300 В.

Практически при всех режимах напыления нитридные и карбидные покрытия характеризуются аксиальной текстурой, причем нитридные по оси [1113, карбидные по оси [1003.

Степень совершенства текстуры в значительной степени определяется напряжением смешения. С его увеличением степень совершенства

текстуры возрастает. Максимальная степень текстурованности нитрид-ного покрытия была зафиксирована при напряжении смещения 250 В (полюсная плотность PiiiTiN = 7*, 1 и PiöOTiC = 2,3 при 300 В).

С возрастанием тока плазменной дуги до 160 А в нитридных покрытиях были зафиксированы аксиальные текстуры с довольно высокой степень» совершенства по оси Í1DDJ Р=5,5, а при токах 220 А по оси [1103 Н=3,0. Установлено, что с увеличением величины магнитной индукции текстурованность покрытий увеличивается по оси [111] и уменьшается по другим осям.

Комбинированные TI(C.N) покрытия, полученные в интервале давлений от 5-Ю-2 до 7-10-1 Па при варьировании соотношения газов от 10 до 90£, являются однофазными и представляют собой кубический карбонитрид титана Tl(CxNi-x). В покрытиях, напыленных при давлении реакционного газа 0,5 Па, рост уровня микродеформаций в зависимости от содержания в фазе внедрения углерода происходит быстрее и, соответственно, достигает больших значений. В покрытиях, напыленных при давлениях реакционного газа 7 10~2-1-10_1 Па. уровень микродеформаций изменяется от 0,2-0,3 до 1,1-1,2%. Для покрытий с суммарным давлением реакционного газа 5-Ю-1 Па уровень микродеформаций увеличивается от 0,5 до 2.2Z. При давлениях ацетилена 7-Ю""2 -2,5-Ю"1 Па зависимость уровня микродеформаций от стехиометрии карбонитрида в пределах точности метода измерений практически совпадают.

Во всех карбонитридных покрытиях, во всем исследуемом интервале давлений с увеличением количества углерода наблюдалось уменьшение областей когерентного рассеяния с 30-40 до 8-15 нм. Минимальные размеры областей когерентного рассеяния зафиксированы в карбидных и близких к нему по составу покрытиях, напыленных при давлении 5-10"1 Па.

Установлено, что с повышением количества углерода в карбонит-риде, во всем исследуемом интервале давлений реакционного газа, степень совершенства аксиальной текстуры, направленной по оси [111]. первоначально резко понижается при переходе от TIN к TiCo#7gNo, 21, а затем остается практически неизменной. В покрытиях составов TIC0.79N0.21..-TlCi,о. напыленных при давлении реакционного газа 5-Ю"1 Па, аксиальная текстура по оси [1113 не обнаружена.

Установлено, что в многослойных покрытиях типа TIC-TIN, состоящих из двух, четырех и шести микрослоев, параметры кристаллической решетки остаются практически постоянными с размерами областей когерентного рассеяния 40 км. Показано, что с увеличением количества слоев в покрытии, уровень микродеформаций во внешнем слое возраста-

ет (с 0,40%. в случае однослойного нитридного покрытия до 0,76% в шестислойных покрытиях). Исследования показали, что степень тексту-рованности внешнего слоя оказывается несколько низке, чем в случае однослойного.

5. Механические свойства и применение покрытий.

В пятой главе приведены результаты исследований механических свойств упрочняющих покрытий, триботехнические характеристики, результаты эксплуатационных испытаний лопаток направляющих аппаратов и вкладышей подшипников скольжения с покрытиями.

Предложен состав раствора, позволяющего очищать поверхность направляющих аппаратов, при подготовке их к нанесению упрочняющих защитных покрытий. Оптимальный состав раствора для травления, (г/л): соляная кислота - 360, азотная кислота - 80. фтористый натрий - 40, температура раствора 293 К.

Представление результаты испытаний лопаток направляющих аппаратов компрессора газотурбинных двигателей с однослойными TIC, TIN и многослойными TiC-TIN покрытиями, состоящими из двух, четырех и шести чередующихся микрослоев о общей толщиной покрытий 20 мкм, показывают, что при увеличении количества микрослоев до шести возрастает эрозионная стойкость покрытий в 7 раз при углах атаки абразивных частиц 30°, и в 1,5 раза при прямом ударе 90°.

Исследование характера разрушения покрытий показало, что в случае многослойного покрытия, износ происходит послойно, при этом каждый нижележащий слой является барьерным, препятствующим интенсивному распространению микротрещин по глубине покрытия из-за различных физико-механических свойств нанесенных слоев, по отношению к однослойным покрытиям, состоящих либо из нитрида, либо из карбида титана. Кинетика процесса эрозии покрытий при газоабразивном износе позволила установить, что процесс разрушения покрытий можно охарактеризовать тремя этапами: начальным - первый период, в котором происходит накапливание напряжении в объеме покрытия, второй период -появление микротрещин и незначительный износ покрытия, и третий период характеризуется интенсивным разрушением. В карбидтитановых покрытиях отсутствует первый этап, и износ покрытия происходит равномерно до появления подложки - основы материала. Изучение влияния толщины покрытий на кинетику износа позволило оптимизировать толщину защитного слоя, равным 20 мкм. Показано, что покрытия толщиной до 10 мкм характеризуются интенсивным износом при ударном воздействии частиц, так же как и покрытия толщиной свыше 40 мкм.

Исследование свойств покрытий из нитрида титана толщиной до 3

мкм на подшипниках скольжения показало, что покрытия имеют мелкозернистую структуру с размером зерна 100-200 нм и твердостью HV(û, об) - £000-2500. Температурные испытания покрытий, которые проводились путем изменения температуры от 225 до 323 К, показали, что на поверхности вкладышей не было обнаружено трещин, отслоений и других дефектов. Микротвердость нитрида титана соответствовала микротвердости покрытий до испытаний.

Испытание вкладышей с покрытиями на прирабатываемостъ пар трения при меняющейся нагрузке от 0 до 10,0 МПа показало, что во всем испытываемом диапазоне отсутствовало заедание подшипников скольжения, по отношению к подшипникам без покрытия, которые обеспечивали режим работы до давления нагрукенин до 3,0 Ша. После испытаний на поверхности покрытия были обнаружены незначительные следы приработки. Испытание подшипников в производственных условиях показали, что они превосходят по эксплуатационным свойствам подшипники без покрытий на вкладышах в 1,5 раза в условиях интенсивного нагружения и обеспечивают плавность хода во всем диапазоне нагрузок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследованы рабочие характеристики торцевого плазменного ускорителя в диапазоне токов вакуумной дуги 80-250 А, позволяющего наносить вакуумно-плазменные покрытия со скоростью до 2 мкм/мин. Показано, что применение катодов диаметром 125 мм, выполненных в виде прямого конуса в центре катода к обратного на расстоянии 50 мм от центра, позволяет получать однородные и равномерные (±7,5% по диаметру подложки 250 мм) покрытия при токе вакуумной дуги до 200 А.

Установлено влияние магнитной индукции на распределение плазменного потока и равномерность напыления покрытия, определена оптимальная величина магнитной индукции, равная 50 Гс,

2. Изучено влияние давления газов азота и ацетилена на скорость распыления порошковых и компактных материалов. Установлено, что при низких давлениях скорость распыления порошковых катодов выше скорости распыления катодов, выполненных из компактных материалов. С увеличением давления обнаружена обратная тенденция. Показано, что скорость эрозии катодов связана о образованием химических тугоплавких соединений, температура плавления которых превышает температуру плавления чистых металлов.

На основе сравнения порошковых и компактных материалов исследовано изменение шероховатости рабочих поверхностей катодов. Пока-

зано.что с увеличением давления реакционного газа шероховатость поверхности уменьшается,причем шероховатость порошковых катодов в 1,5 раза выше шероховатости поверхности компактного катода, за счет пористости и неоднородности данного материала. В связи со значительной шероховатостью в порошковых материалах происходит более интенсивное образование химических соединений, приводящих к снижению скорости их эрозии с повышением давления газов в пределах давлений 1-Ю"1 - 10 Па.

3. На основе гипотезы Любимова о газодинамическом ускорении катодной струи предложен механизм разлета капельной фазы в пористых катодах. Установлено, что при эрозии данных материалов происходит снижение содержания капельной фазы в плазменном потоке и в конденсированных покрытиях в 1,5-2 раза. Обосновано появление жидкой фазы в открытых порах материала катода, позволяющего судить о правильности гипотезы Любимова.

4. Показано, что упрочняющим TIN, Tic и Ti(C.H) покрытиям сте-хиометрического состава, имеющим ГЦК - кристаллическую решетку типа NaCI с параметрами 0,421.. .0,424 нм для нитрида титана и 0,431...0,433 - карбида титана.и 0,423.. .0,431 - карбонитрида титана, свойственна аксиальная текстура соответственно [1113 для TIN и [100] для TiG. При исследовании покрытий типа Ti(C,N) наблюдалось линейное уменьшение степени совершенства аксиальной текстуры с осью [1113 с повышением в карбонитриде титана содержания углерода. Установлено, что с увеличением толщины покрытия степень его текотуро-ванности повышается. Подобный характер развития преимущественных ориентировок позволяет определить их как текстуру роста. Отмечено, что наибольшее влияние на текстуру оказывает напряжение смещения, при напряжении 250 В была установлена максимальная текстурованность по оси [1113 в нитридтитановых покрытиях.

5. Исследованы закономерности влияния напряжения смещения на уровень микродеформаций в покрытиях TIC и TIN. Установлено, что максимальные уровни микродеформащй получены при минимальных напряжениях смещения, причем микродеформации в TIC покрытиях выше микродеформаций TIN покрытий. Максимальный уровень микродеформаций в TIC покрытиях зафиксирован равным 1,4% . в TIN покрытиях - 0,8%, и в карбонитридтитановых покрытиях полученных при давлении 0,6 Па TiCo, 79N0.21- 2%. Зависимость уровня микродеформащй в Tl(C,N) покрытиях носит сложный характер, который уменьшается с увеличением и уменьшением содержания атомов азота в покрытиях относительно точки Т1Со.?эЛо. 21-

6. На основании экспериментальных исследований разработаны новые технологические процессы нанесения многослойных TIC-TIN покрытий, состоящих из микрослоев TIN, TIC, и комбинированных покрытий Tl(C,N) на лопатки направляющих аппаратов, подшипники скольжения, металлорежущий инструмент. Эксплуатационные испытания направляющих аппаратов в условиях интенсивного газоабразивкого износа показали, что максимальной износостойкостью обладают шестислойные TIC-TIN покрытия, позволяющие увеличить их стойкость в 1,5 раза. Установлено, что тонкие пленки из нитрида титана могут использоваться в качестве износостойких антифрикционных на вкладышах подшипников скольжения.

При выполнении работы разработаны способы нанесения покрытий (а.с. N 1367527), устройства (а.с. N 1476952, 1579079) и электродуговые испарители (а.с. N 1605576, 1656898).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Анциферов Б.Н., Косогор С.П., Семенов 50.Л. Влияние магнитного поля на физико-механические свойства покрытий при конденсации потоков металлической плазмы/УМатериалы современной техники. Пермь, 1386. С.135-133.

2. Косогор С.П., Федотов H.A. Повышение стойкости режущего инструмента //Нефтяное и химическое машиностроение. 1986, N7, С.27-28.

3. Косогор С.П. Вакуумно-плазменные покрытия на основе нитридов, карбидов и карбонитридов титана и их применение// Проблемы современных материалов и технологий. Пермь, 1986. С. 133-154.

4. Анциферов В.Н., Косогор с.П., Семенов Ю.Л. и др. Исследование капельной фазы эрозии пористого катода вакуумной дуги.//Журнал технической физики. 1988. т.58. N8. С.1533-1541.

5. Косогор С.П., Семенов Ю.Л. К вопросу нанесения эрозионнос-тойких покрытий// Поверхность и новые материалы. Ижевск, 1988.

Л Г-1С Li, OU.

6. Косогор С.П., Семенов Ю.Л. Исследование физических процессов распыления порошковых катодов в плазменных торцевых ускорите-лях//Злектрофизические технологии в порошковой металлургии. Киев, 1988. С.22-27.

7. Лобанов М.Л., Попов В.В.. Агеев С.С., Косогор С.П. Тексту-рообразование вакуумно-плазменных покрытий//ХУI Всесоюзная конференция по порошковой металлургии. Свердловск, 1989. С.189.

8. Косогор С.П., Семенов Ю.Л. Электродуговой испаритель металлов повышенной производительности// XVI Всесоюзная конференция по порошковой металлургии. Свердловск, 1989. С.254.

9. Анциферов В.Н., Шмаков А.М.. Попов В.В., Лобанов М.Л.. Семенов Ю.Л., Косогор С.П. О механизме текстурирования вакуушо-плазменных керамических покрытий//Геа.докл.Мэжд.конф. "Химия твердого тела". Одесса. 1990. 4.1. С. 13.

10. Анциферов В.Н., Агеев С.С., Косогор С.П. и др. Получение, структура и свойства вакуумно-плазменных покрытий/ЛТрепринт УрОАН СССР. Пермь, 1990. С.81.

11. Косогор С.П., Лобанов М.Л.. Иванова М.В. Вакуумно-плазмен--ные TiCxNi-x гокрытия//Современные материалы в машиностроении. Пермь, 1990. С.3-4.

12. Косогор С.П., Костров Д.В. Фазовый состав и структура многослойных покрытий на основе нитридов титана и хрома// Проблемы современных материалов и технологий. Пермь. 1995. С. 173-176.

13. Косогор С.П.. Костров Д.В. Процессы эрозии порошковых и компактных катодов низковольтной сильноточной дугой б вакууые//Сов-ременные проблемы сварочной науки и техники. Пермь. 1995. С.195-196.

14. Косогор С. П. Вакуумно-плазменные покрытия на основе нитридов, карбидов и карбонитридов титана и их применение// Проблемы современных материалов и технологий. Пермь, 1996. С. 138-154.

15. Косогор С.П. Покрытия и изделия из титана и его химических соединений, полученные вакуумно-плазменным методом//Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве. Вологда, 1996. С. 85-87.

16. A.c. N 1367527 СССР. МКИ5 С 23С 14/32. Электродуговой ИСпаритель металлов / С.П.Косогор, В.В.Рожков 15.09.87.

17. A.c. N 1476952 СССР, МКИ5 С 23 С 14/32. Устройство для нанесения покрытий в вакууме/ В.Н.Анциферов, С.С.Агеев, С.П.Косогор и др.// 03.01.89.

18. A.c. К 1579079 СССР, МКИ5 С 23 С 14/34, 14/26. Устройство для нанесения покрытий в вакууме /В.Н.Анциферов. С.С.Агеев. С.П.Косогор и др.// 15.03.90.

19. A.c. N 1605578 СССР, №i5 С 23 С 14/32. Катодный узел для установки ионно-плазменного нанесения покрытий /В.Н.Анциферов, А.М.Шмаков, С.П.Косогор//08.07.90.

20. A.c. N 1656898 СССР, МКЙ5 С 23 С 14/32. азектродуговой испаритель металлов для нанесения покрытий в вакууме/ В.Н.Анциферов, С.С.Агеев. С.П.Косогор и др.// 15.02.91.

Сдано в печать 5.II.97 г. Формат 60x84/16.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ 1187. Ротапринт ПГТУ.