Деталь в скользящем контакте в режиме смазки, покрытая тонкой пленкой

Изобретение относится к трибологии в масляной среде и используется в автомобильных двигателях. Деталь, работающая в скользящем контакте в режиме смазки, покрыта тонкой пленкой с трибологической функцией. Тонкую пленку наносят на поверхность, содержащую шероховатые профили. Шероховатость профиля и их средние периоды заданы для улучшения трибологических показателей таким образом, что соотношение А значений квадрата среднего периода профиля (P_SM), выраженного в мкм, к шероховатости профиля (Р_a), выраженной в мкм, как определено французским стандартом ISO 4288, превышает или равно . Получается тонкая пленка, обладающая улучшенными трибологическими показателями. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение - трибология в масляной среде.

Более конкретно, изобретение относится к покрытиям и обработкам поверхностей, предназначенным для уменьшения износа и минимизации передачи тангенциальных усилий.

Для улучшения трибологических показателей механических деталей предложено много технических решений. Различают, главным образом, общепринятую обработку поверхностного отвердения и наращивания тонких твердых слоев, полученных различными способами, такими как PVD (Нанесение покрытия осаждением паров) или PACVD (Химическое осаждение паров или газов в плазменной среде).

Среди наносимых тонких твердых слоев можно назвать слои переходных металлических соединений (TiN, CrN, TiAIN,…), покрытия из аморфного углерода (DLC)… По техническим причинам, и, в частности, механическим, следует, что толщина такого наращиваемого поверхностного покрытия не превышает обычно 5 мкм. При превышении этого значения вероятность охрупчивания и отслаивания покрытия возрастает. Также важно получить качественное сцепление и сохранение твердости тонкого слоя во времени. Таким образом, специалисты в данной области техники требуют шероховатость (R_a) порядка 0,04 мкм с очень незначительными повреждениями поверхности.

Таким образом, из области техники следует, что трибологические характеристики обработки поверхностей и наращивания поверхностных слоев в вакууме обеспечиваются только при условии, что поверхности имеют незначительную шероховатость.

Можно, например, привести пример патента США US 6886521, в котором предлагается максимальное значение параметра шероховатости поверхности (R_z) в зависимости от твердости наращенного покрытия DLC и его толщины. Обычно специалист в данной области техники должен обеспечивать самые незначительные шероховатости, например, R_a <0,04 мкм.

Таким образом, из анализа области техники следует, что повышенные шероховатости поверхности не приспособлены к наращиванию твердых слоев, принимая во внимание, что это приводит к неровностям поверхности, ведущим к местным избыточным давлениям, которые могут вызывать чрезмерные пластические деформации при выполнении механического покрытия. Кроме того, в режиме смазки, когда амплитуда неровностей слишком значительна, масляная пленка локально разрывается и поверхности, которые находятся в относительном движении, по существу, больше не отделены, что ведет к повышению коэффициента трения и преждевременному изнашиванию вышеуказанных поверхностей.

В Научных публикациях в области трибологии также упоминается влияние шероховатости на смазку. Можно привести пример: «Occurrence of microelastohydrodynamic lubrication in simple sliding motion with transverse roughness" - J. Wang, M. Kaneta, F. Guo, P. Yang - Journal of Engineering Tribology - Vol. 220 N⁰ J13 (may 2006), pp. 273-285.

Из этих публикаций следует, что необходимо рассматривать амплитуду неровностей поверхности и из этого делать вывод о том, что для уменьшения коэффициента трения необходимо добиваться самых незначительных шероховатостей.

Следует также заметить, как это следует из научной публикации: «Влияние неровностей гармонической поверхности на усталостную прочность эластогидродинамического смазанного контакта» («Influence of harmonie surface roughness on the fatigue life of elastohydrodynamic lubricated contact» - A. D. Chapkov, F. Colin, A.A. Lubrecht - Journal of Engineering Tribology - Vol. 220 N⁰ Jl 3 (may 2006), pp. 287-294),

что один цифровой анализ контакта с шероховатой поверхностью, подобной синусоидальным профилям, обнаруживает действия избыточного давления, связанного с неровностями контактируемых поверхностей, и указывает на то, что эти величины избыточных давлений могут быть ограничены при увеличении периода профиля. Однако такое уменьшение контактного давления на профили с большой длиной волны объясняется упругой деформацией основы. В случае твердых наращенных слоев, полученных способами PVD или PACVD, эти наращенные слои, учитывая их высокий модуль упругости и высокую твердость, плохо приспосабливаются к деформациям основы, в результате чего они будут быстро повреждаться.

Таким образом, из области техники в области трибологии ясно следует, что при наращивании тонких слоев, например, в случае аморфного углерода, качество отделки поверхностей должно быть очень высоким со значением шероховатости (R_a), не превосходящим нескольких сотых долей микронов и, как правило, меньше, чем 0,04 мкм.

Неожиданно и в противовес взглядам специалистов в данной области техники появилось мнение о том, что состояние поверхности, имеющей некоторую шероховатость с достаточно большим периодом, может позволить иметь тонкие наращенные слои, получаемые способами PVD или PACVD, и это возможно, когда детали работают в режиме смазки.

В качестве наиболее близкого аналога может быть принята деталь, работающая в скользящем контакте в режиме смазки, покрытая тонкой пленкой с трибологической функцией (RU 94036067 А1, МПК F16J 15/34, от 10.07.1996).

Отличительные признаки настоящего изобретения от наиболее близкого аналога состоят в том, что тонкий слой наносится на поверхность, имеющую шероховатые профили, параметры и средние периоды которых определены для улучшения трибологических характеристик. Такие специальные шероховатые профили получаются путем выбора соответствующих параметров обработки (точение, фрезерование; скорость вращения шпинделя, подача резца…).

Более конкретно, согласно одной характеристике изобретения, отношение А между значениями квадрата среднего периода профиля (P_SM), выраженного в мкм, и профилем шероховатости (Р_а), выраженным в мкм, как определено французским стандартом ISO 4288, превосходит или равно значению 5·10⁵ мкм, или

Ввиду большой дисперсии параметров (P_SM), эта формула будет применима к средним значениям параметров, исходя из 8 измерений, выполненных в области трения и параллельно направлению скольжения.

Трибологические испытания дали заметные результаты, начиная от значения (А), превышающего 10⁶ мкм, и еще лучше значения (А), превышающего 10⁷ мкм.

Следовательно, возможно задавать допуски, характеризующие состояния поверхности, иногда сильно искаженной, с высотой профиля обычно без допусков, изменяя только период колебаний.

Применение предыдущей формулы для профиля с шероховатостью (P_a), равной 0,4 мкм, показывает, что хорошие результаты получаются, когда средний период этого профиля (P_SM) превосходит 450 мкм. Еще лучшие результаты получаются, когда средний период этого профиля (P_SM) превосходит 2 мм.

С учетом характеристик изобретения, вопреки общепринятым техническим положениям области техники, где требовалось состояние поверхности с высоким качеством отделки, возможно, следовательно, получить детали с эквивалентными трибологическими показателями с меньшей стоимостью и даже лучше.

Таким образом, когда не возможно по экономическим или техническим соображениям получать удовлетворительное состояние поверхности способом притирки, шлифования или другим способом, согласно изобретению достаточно обработать поверхность так, чтобы ограничить присутствие острых краев и пиковых шероховатостей, сохраняя только волнообразные поверхностные колебания, связанные со способами предшествующих этапов обработки. Эти способы будут даже оптимизированы (скорость вращения, подача резца…) для того, чтобы максимизировать параметр (A), определенный выше. Эти волнообразования позволяют получить приемлемый синусоидальный профиль, который при использовании смазки оказывается предпочтительным с точки зрения уменьшения стоимости изготовления для реализации на рынке большой серии.

Следует отметить, что способы получения большого периода с приемлемой шероховатостью многочисленны и обычно легко реализуемы, начиная с соответствующих методов обработки: точение, фрезеровка…

В нижеследующей таблице показаны примеры обработки по изобретению. Детали или образцы, являющиеся плоскими испытываемыми заготовками, полученными различными способами обработки с тем, чтобы оценить влияние подготовки поверхности и коэффициент трения в ходе испытания в режиме смазки. Поверхности были наращены слоем DLC способом PACVD. Образцы были проверены в режиме смазки, в масляной ванне 5W30, нагретой до 100°C по отношению к необработанному, вращающемуся с постоянной скоростью стальному кольцу 100C6. В ходе испытаний был измерен коэффициент трения кольца по отношению к образцу. Были изготовлены четыре образца (A), (B), (C), (D), чтобы сравнивать их коэффициенты трения.

Образец	Ra (мкм)	Rz (мкм)	Pa (мкм)	Psm (мкм)	A= Psm 2/Pa (мкм)	Коэффи циент трения	Площадь поврежденной поверхности (мм2)
A	0,014	0,12	0,18	240	3·105	0,089	2,9
B	0,042	0,25	0,23	1300	7·106	0,087	1,0
C	0,036	0,20	0,23	2400	2,5·107	0,065	0,6
D	0,12	0,79	0,34	578	106	0,088	2,1

Эти результаты показывают, что на коэффициент трения в большей степени влияет преимущественно определенное выше соотношение A, чем параметры шероховатости (R_a) и (R_z). Заметим, например, что образец (A), несмотря на очень незначительную шероховатость, не вписывается в область изобретения и имеет наиболее высокий коэффициент трения в этой таблице. Напротив, образец (C), хотя и имеет значение (R_a), наглядно превосходящее соответствующее значение образца (A), имеет соотношение A очень высоким и незначительный коэффициент трения.

Преимущества изобретения явно следуют из описания.

Преимущественно изобретение находит применение в области автомобилестроения, в частности, применительно к трущимся деталям в двигателе.

1. Деталь, применяемая в автомобильных двигателях, работающая в скользящем контакте в режиме смазки, покрытая тонкой пленкой с трибологической функцией, отличающаяся тем, что тонкая пленка наносится на поверхность, содержащую шероховатые профили, шероховатость профиля и средние периоды которых заданы для улучшения трибологических показателей таким образом, что соотношение А значений квадрата среднего периода профиля (P_SM), выраженного в мкм, к шероховатости профиля (P_a), выраженной в мкм, как определено французским стандартом ISO 4288, превышало или было равно

2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что тонкая пленка выполнена из аморфного углерода (DLC).

3. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что отношение А превышает 10⁶ мкм.

4. Деталь по п.3, отличающаяся тем, что отношение А превышает 10⁷ мкм.

5. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что для профиля, шероховатость Р_а которого равна 0,4 мкм, средний период вышеуказанного профиля Р_SM превосходит 450 мкм.

6. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что для профиля, шероховатость P_a которого равна 0,4 мкм, средний период вышеуказанного профиля P_SM превышает 2 мм.

7. Применение деталей по одному из пп.1-6 в качестве деталей автомобильных двигателей.