39 Упрочнение с созданием плёнки или износостойкого покрытия на поверхности детали

Упрочнение деталей машин осаждением химической реакцией

Оксидирование. Оксидная плёнка на поверхности стали или чугуна может быть получена с помощью одного из следующих способов: обработкой заготовок изделий в кислотных или щелочных растворах, электрохимической обработкой на аноде в хромовой кислоте или щёлочи, термической обработкой при температуре 400 – 800 ºС.

Цвет оксидной плёнки зависит от технологии её получения, толщины и марки металла и вида механической обработки. Толщина плёнки достигает 0,5 – 0,8 мкм при щелочном холодном оксидировании и до 10 мкм – при высокотемпературных процессах.

Наибольшее применение получило химическое оксидирование путём погружения заготовок в горячий раствор щёлочи с добавкой окислителей и выдержки в нём.

Покрытия, полученные электрохимическим оксидированием, имеют лучшие свойства, чем химические покрытия. Плёнки в этом случае более толстые и плотные. В начале процесса ведут обезжиривание и анодную обработку в 5%-ном растворе K₂Cr₂O₇ при температуре 45 – 55 ºС, плотности тока 3 – 5 А/дм² в течение 10 – 15 минут. Оксидирование ведут в щелочном или кислотном растворах.

Термическое оксидирование – процесс образования оксидной пленки на металле при повышенных температурах и в кислородсодержащих (может быть водяной пар) атмосферах. Термическое оксидирование проводят в нагревательных печах. При термическом оксидировании низколегированных сталей либо железа (операция называется воронение) температуру поднимают до 300–350°С. Для легированных сталей термическое оксидирование проводится при более высоких температурах (до 700°С). Продолжительность процесса – около 60 минут.

Фосфатирование. Фосфатирование – процесс осаждения на поверхности металла нерастворимых в воде фосфорнокислых соединений в результате взаимодействия металла с ортофосфорной кислотой. Содержание процесса заключается в обработке поверхности металла подкисленными растворами однозамещенных фосфатов, в результате которой на поверхности заготовки образуется плёнка фосфатов.

Фосфатные покрытия представляют собой мелкокристаллическую плёнку, состоящую из фосфатов марганца и железа или цинка и железа. Фосфатная плёнка толщиной 7–50 мкм имеет чёрный цвет и пористую структуру из-за растворения основного металла. Плёнка прочно соединена с основой. На плёнке хорошо закрепляются лакокрасочные материалы, она обладает большой электропробивной прочностью (до 1000 В). По твёрдости фосфатная пленка превосходит медь и латунь, но уступает стали.

Фосфатная плёнка состоит из двух слоёв. Первый слой, непосредственно примыкающий к металлу, прочно с ним связан и содержит монофосфаты железа. Второй наружный слой состоит из монофосфатов марганца с незначительной примесью вторичных фосфатов железа, он хрупкий и имеет кристаллическое строение.

Для получения фосфатных покрытий применяют однозамещенные фосфаты двувалентных металлов: марганца, железа, цинка и кадмия. Препарат МАЖЕФ (по начальным буквам составляющих – марганца, железа и фосфорной кислоты) представляет собой смесь однозамещенных солей ортофосфорной кислоты: Fe(H₂PО₄)₂, Mn(H₂PО₄)₂· H₂О, МnНРО₄ и (%) : Fe (2,4–2,5); Мn (14); фосфатов, в пересчёте на P₂O₅(46–52); SО₄ (1); СаО и CI – следы; вода (1–2).

Наиболее эффективно процесс фосфатирования протекает в растворе, содержащем 30–33 г/л препарата МАЖЕФ при температуре 96–98°С. Толщина плёнки при этом достигает 7–50 мкм.Фосфатируют углеродистые и низколегированные стали, чугун, кадмий, медь и её сплавы и алюминий. Высоколегированные стали плохо поддаются фосфатированию.

Сульфидирование. Сульфидирование – термохимический процесс обработки изделий, изготовляемых из сплавов на железной основе, для обогащения поверхностных слоев серой.

Сульфидирование производят в жидкой, твёрдой или газовой серосодержащей среде; оно может быть низко-, средне-, высокотемпературным: 150 – 450; 540 – 580; 850 – 950 ºС. В поверхностном слое образуются фазы FeS и FeS₂.Шероховатость поверхности после сульфидирования значительно выше исходной; размеры деталей несколько увеличиваются.

Эффект сульфидирования: сульфидная плёнка, имеющая меньшую плотность, чем основной металл, легко разрушается при трении и отделяется от основания без его пластического деформирования, предотвращая схватывание трущихся поверхностей.

Эпиламирование выполняют в эпиламирующих составах. Эпиламирующие составы – поверхностно-активные вещества, снижающие количество поверхностной энергии, степень адгезии контактирующих материалов, локализующие поверхностные микротрещины и ограничивающие возможность их роста. Основная особенность веществ этого класса – высокая адсорбционная способность, в результате которой на обрабатываемой поверхности образуются разделительные барьерные плёнки с очень низким запасом поверхностной энергии – эпиламы. Эпиламы представляют собой раствор высокомолекулярных фторсодержащих поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях –хладоне 113, смеси хладонов 112 и 113, хладоне 114В2 и др. Из раствора адсорбируются на поверхности в виде мономолекулярного или близкого к нему по своим свойствам слоя, резко снижая микротвёрдость поверхностного слоя и, следовательно, поверхностное напряжение и запас энергии. Эпиламирующие составы – высокоэффективный способ упрочняющей обработки.

Осаждение из газовой фазы. Химическое осаждение из пара (CVD, Chemical Vapor Deposition) – это наращивание твёрдого вещества на поверхность подложки в результате химического превращения паров летучего вещества. Сущность метода CVD заключается в том, что компоненты получаемой плёнки транспортируют в виде паров их летучих соединений в реактор, где на подложке происходит разложение паров и образование плёнки требуемого состава. В большинстве случаев в качестве исходных соединений (прекурсоров) используют летучие карбонилы, галогениды, гидриды или металлоорганические соединения. Их разложение проводят либо термическим путём, либо применяя другие методы подвода энергии (плазма, УФ-, ИК- и лазерное излучения, электронный и ионный удары).

Упрочнение деталей машин осаждением физическим воздействием

Для всех методов физического осаждения покрытий генерация наносимого вещества осуществляется в результате термического перевода твёрдого вещества в парообразное (испарением, вакуумной дугой или ионным распылением), а дополнительное повышение средней энергии осаждаемых частиц производится за счёт их ионизации, осуществляемой различными способами (наложением тлеющего, дугового или высокочастотного разряда или подмешиванием ионов, получаемых от автономных источников). Методы физического осаждения покрытий универсальны с точки зрения получения гаммы однослойных и многослойных покрытий практически любого состава, в том числе с алмазоподобной и наноразмерной структурой. Они позволяют реализовывать процессы нанесения покрытий при температурах 500...600ºС, что обеспечивает возможность их применения для быстрорежущих сталей, твёрдых сплавов и керамики.

Все методы физического осаждения покрытий (вакуумные ионно-плазменные методы) основаны на получении в среде вакуума пара осаждаемого материала в результате воздействия на изготовленный из него катод (мишень) различных источников энергии – мощных высокотемпературных нагревателей, лазерного луча, электронных и ионных пучков, катодных пятен вакуумной дуги, сильноточного импульса и др.

Среди методов физического осаждения покрытий из газовой фазы (PVD, Physical vapour deposition) наибольшее распространение получили: конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ); реактивное электронно-плазменное осаждение покрытий из пароплазменной фазы в вакууме (РЭП); магнитронно-ионное распыление (метод МИР); ионное плакирование и др.

Метод КИБ основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги – сильноточного, низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала катода. Подача в вакуумное пространство реагирующих газов (азота, метана и др.) в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации покрытия на рабочих поверхностях детали благодаря протеканию плазмохимических реакций.

Все процессы испарения, плазмохимических реакций, ионной бомбардировки и конденсации покрытия происходят в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Характерной особенностью метода КИБ является высокая химическая активность испаряющегося материала, который состоит из ионизированного потока низкотемпературной плазмы. Конденсат в процессе осаждения покрытия подвергается интенсивной бомбардировке ионами испаряемого вещества, что приводит кего частичному распылению и повышению температуры в зоне формирования, в результате чего возрастает подвижность атомов на поверхности детали, происходит активация химической реакции между конденсатом и компонентами реакционной газовой смеси. Ещё одной особенностью процесса КИБ является возможность ускорения ионного потока путём создания отрицательного заряда (относительно корпуса камеры) на детали.

Процессы ионного осаждения, использующие термический перевод наносимого материала из твёрдого в парообразное состояние и осуществляемые в среде реакционноспособных газов с зажиганием плазмы в парах, получили название реактивных электронно-плазменных (РЭП). В системах, реализующих метод РЭП, металл нагревается и испаряется с помощью электронно-лучевой пушки.

Магнетронно-ионное распыление (МИР). В качестве испарителя используют пластину-мишень, которая подключена к отрицательному потенциалу катода. Под влиянием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, расположенным за катодом-мишенью, электрон совершает движение по циклоидальным траекториям в узкой зоне над мишенью. При этом степень распыления и плотность ионного потока увеличиваются на порядок по сравнению с простым диодным распылением. В отличие от ионного плакирования и КИБ, когда применяется точечный источник плазмы, при МИР источник плазмы линейный.

Ионное плакирование. Данный способ основан на возбуждении тлеющего разряда между катодом – подложкой и анодом – испарителем или между подложкой и дополнительным электродом. Ионное плакирование рабочих поверхностей инструмента происходит в результате испарения тугоплавкого вещества в вакуумное пространство после его «расплавления»электронно-лучевой пушкой и подачи реакционного газа в вакуумное пространство. На подложку подается отрицательный потенциал смещения величиной 1–5 кВ. Обычно установки снабжаются накаливаемым катодом (триодный принцип), дополнительным анодом, с помощью которого формируется поток вторичных электронов, увеличивающих степень ионизации генерируемого вещества.