НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЛУЧЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ (70-74)

70 Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 57, 20 20
НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЛУЧЕН ИЕ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Юров Виктор Михайлович
кандидат физ. -мат. наук, доцент
Гученко Сергей Алексеевич
докторант PhD
Маханов Канат Мэтович
кандидат физ. -мат. наук, доцент
Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букетова,
Казахстан , Караганда

LO W E NERGY GEAR EXPO SURE

Yurov Viktor
Candidate of phys. -mat. sciences, associate professor
Guchenko Sergey
PhD student
Makhanov Kanat Matovich
Candidate of phys .-mat. sciences, associate professor
Karaganda State University named after EA. Buketova ,
Kazak hstan , Karaganda

АННОТАЦИЯ
В настоящей работе на зубчатые передачи наносились традиционные нитрид титановые покрытия, но
с использованием низкоэнергетического о блучения. На основе приведенных приме ров использования
ионного и ионно -плазменного ассистирован ия в процессе или после осаждения покрытий можно сделать
вывод, что дополнительная бомбардировка газовыми или металлическими ионами позволяет кардинально
изменят ь структуру конденсата.
ABSTRACT
In this work, conventional titanium nitride coatings were applied to gears, but using low -energy radiation.
Based on the above examples of t he use of ion and ion -plasma assi stance during or after the deposition of coatings,
it can be c oncluded that additional bombardment with gas or metal ions makes it possible to radically change th e
structure of the condensate.
Ключевые слова: покрытие, поверхность, напыление, ионно -плазменное асси стирование
Key words: coating, surface, s praying, ion -plasma assistance

Зубчатые передачи широко применяются в
машиностроении. Большой срок их эксплуата ции
зачастую определяют в целом ресурс работы
машин. Но выход из строя при эксплуатации
зубчатых колес связан, в большинстве случаев, с
поломкой зубьев колес и разрушением пове рхности
из-за цикличности действия контактных
напряжений [1, 2] . В работе [2] пр оводились
испытания сталей Ст. 3, 40Х, 65Г и 12Х18Н10Т,
используемых при изготовлении зубчатых передач,
методом ионного азотирования в водородно й среде
состава 75 об. % N2 + 25 об. % H2 и безводородной
среде состава 75 об. % N2 + 25 об. % Ar 2. При этом
тем пература азотирования была Т = 580 ºС,
давление Р = 240 Па и время азотирования t = 4 часа.
Контактная выносливость образцов после ионного
азоти рования в безводородной среде в 1,4 -1,5 раз
больше по сравнению с не азотированными
образцами и на 14 -25% выше п о сравнению с
азотированием в водородной среде [2].
Целью настоящей работы является упрочнение
зубчатой передачи путем ионно -плазменного
азотиро вания с одновременным нитрид тит ановым
покрытием.
В качестве образца для эксперимента
использов алась звездочка: внешний диаметр 250
мм; внутренний диаметр 50 мм; толщина 25 мм;
шаг 50. Образец вырезался с помощью плазмореза.
Нами использовался микротвердом ер HVS -1000A.
Данный прибор разр аботан с использованием
последних достижений в механике, оптике ,
электронике и к омпьютерных технологиях для
проведения испытаний на твердость металлических
и неметаллических материалов, особо мелких
деталей или тонких закале нных слоев. В результате
прибор способен обеспечивать стабильными и
достоверными высокоточными результатами. Он
так же может использоваться для исследования
структуры металлических материалов и для
определения распределения цементита по
поверхности и экспе риментов с определением
твердост и по методу Кнупа [3].
Нанесение нитрид титановых покрытий на
«звездочки» провод илось нами на базе установки
ННВ -6.6И1.
В качестве источника газовой плазмы
применялся плазменный источник «ПИНК» с
комбинированным накаленным и полым катодом
[14], разработан ный в лаборатории плазменной
эмиссионной электроники (ЛПЭЭ) ИСЭ СО РАН
(рис. 1). Генератор плазмы «ПИНК» расположен на
верхнем фланце камеры ННВ -6.6И1. Источник
газовой плазмы «ПИНК» представляет собой
плазменный источник на основе

Националь ная ассоциация ученых (НАУ) # 57, 20 20 71
несамостоятельного дугов ого разряда с
комбинированным накаленным и полым катодом.
На фл анце 6 смонтирова ны два водоохлаждаемых
электроввода 3 для питания прямонакального
катода 2. Цилиндрический экранный электрод 1
диаметром 90 мм и длиной 350 мм з акреплен на
вакуумной стороне фл анца 6. Катод выполнен из
вольфрамовой проволоки длиной 125 мм и
толщиной 1,5 мм . Питание накала обеспечивается
трансформатором с регулировкой переменного (50
Гц) напряжения по его первичной обмотке.
Электрическое питание ра зряда осуществляется от
источник а напряжения, включающего в себя
трехфазные трансформатор и вып рямитель.
Плазмен ный источник изолирован от корпуса
установки и находится под плавающим
потенциалом. Газ в источник газовой плазмы
подается через газоввод на фла нце 6 от системы
напуска газа, в ключающей два регулятора расхода
газа РРГ -10. Источник газовой плазмы «ПИНК» [4,
5] работает по следующему принципу. После
подачи газа, стабилизации давления в камере и
создании в рабочем объеме плазмогенератора
продольного магнитного поля с магнитной
инду кцией B = 0,1 –3 мТл включается накал катода
и подается напряжен ие на электроды р азрядной
системы. Электроны, эмитируемые термокатодом,
ускоряются в направлении к дополнительному
электроду, который в момент зажигания разряда
выполняет роль вспомогательного анода, и
ионизируют газ в катодной полости, тем самым
провоциру я зажигание разря да в промежутке
накаленный катод -поджигающий электрод.

1 – катодная полость; 2 – накаленный вольфрамовый катод; 3 – электроввод; 4 – стабилизи рующая
катушка; 5 – фокусирующая катушка; 6 – водоохлаждаемый фланец; 7 – изолятор;
8 – водоохл аждаемый корпу с.
Рисунок 1 – Внешний вид (а) и принципиальная схема (б) плазменного источника «ПИНК» [4].

При этом полый катод заполняется плазмой,
которая расп ространяется в вакуу мную камеру. Это
приводит к переключению горения разряда на
основной анод ( внутренние сте нки вакуумной
камеры), т.е. происходит зажигание основного
несамостоятельного дугового разряда. Под
действием внешнего магнитного поля траектория
электронов, эмитирова вших с накаленного катода,
искривляется. Движение электронов происходит по
цилиндрической спирали, что увеличивает их путь
к аноду, тем самым приводя к увеличению
эффективности ионизации газа.
Изменяя ток накала, следовательно, и эмисс ию
электронов с терм окатода, можно легко
регулировать ток разряда от десятков до сотен
ампер пр и напряжении г орения в несколько
десятков вольт. Такой разряд классифицируется
как несамостоятельный дуговой разряд с
накаленным катодом без катодного пятна. Дан ный
дуговой разряд п озволят эффективно генерировать
низкотемпературную плазму в больших объемах (≥
0,1 м 3) с концентрацией n e ~ 10 9–10 11 см -3 и
однородностью не хуже ±15 %. В результате
звездочки имеют вид нитрид титановых покрытий
(рис. 2).

а) б)

72 Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 57, 20 20

Рисунок 1 – «Звездочка» без азотирования (а) и с азотированием
и нитрид титановым покрытием (б)

Микротвер дость μ образца «звездочки» без
покрытия и с покрытием с ассистированием ПИНК
в течение 1 часа при нагрузке HV 0,05=0,49 N (табл.
1).
Таблица 1
Микротв ердость «зв ездочки» без покрытия и с покрытием
Образец 1 2 3 4 5 6 7 8 Среднее
μ, HV б/п 218 220 232 228 214 226 224 223 224
μ, HV с/п 382 370 374 375 369 376 377 375 375

Из табл. 1 следует, что ассистирование ПИНК
приводит к увеличению микротвердости более чем
в 1,7 раза по сравнению исходным. Ассистирование
ПИНК показывает, что структуру покр ытия можн о
изменить, используя ионную бомбардировку
азотом.


а)


б)
Рисунок 2 – Микротвердость без покрытия (а) и с покрытием (б)

На рис. 2 показано изоб ражение покрытия TiN
после облучения азотом.

Рисунок 2 - Электронно -микроскопическое изображе ние по крытия TiN после ионной
бомбардировки образца Ст. 3.

Националь ная ассоциация ученых (НАУ) # 57, 20 20 73
Одним из перспективных методов
ассистирования процесса синтеза покрытий
являетс я низкоэнергетическое и онное облучение
[6-8], в ходе которого не происходит
существенного изменения системы
покрытие/п одлож ка, но появляется возможность
регулирования структурно -фазового и элементного
состава покрытий и их свойств.
В [8] показано, что одн овременное с
напылением титана облучение ионами азота, во -
первых, исключает формирование
высокоэнергетических нано - и
субми крокристаллических субструктур с высокой
кривизной кристаллической решетки и высокой
плотностью частичных дисклинаций в границах
зере н и связанных с этим вы соких локальных
напряжений, и во -вторых, оно стимулирует
эпитаксиальный механизм формирования
нитрид ной фазы на подложке γ -аустенита, и в -
третьих, приводит к повышению пластичности
нитридного покрытия (от 3 до 6 %).
Плазменное ассис тирование можно
использ овать при вакуумно -дуговом осаждении
покрытий, которое является одним из этапов
комплексной обр аботк и сталей [9 -11], включающей
предварительное ионное азотирование
поверхности и последующее нанесение TiN
покрытия в едином технологиче ском цикле. Такая
комби нированная обработка стали Ст. 3 позволяет
формировать в поверхностном слое нитрид (γ′ -
Fe4N) и обесп ечивает градиентное снижение
твердости по глубине образца. Это обеспечивает
повышение адгезии TiN покрытия к стальной
подложке и суще ственное увеличение
изн осостойкости полученной композиции.
В [11, 12] показаны эксперименты по
осаждению TiN покрытий ваку умно -дуговым
плазменно -ассистированным методом при токе
газового плазмогенератора 10 –12 А и токе дугового
испарителя 50 –100 А, в кото рых изучалось влияние
отрицательного напряжения смещения на
формирование ионно -плазменных покрытий, а его
значение сос тавля ло 15, 200, 600 и 1000 В.
Установлено, что при плазменно -ассистированном
нанесении покрытия напряжение смещения,
прикладываемое к обр азцу, имеет определяюще е
значение в изменении структуры и фазового
состояния в процессе формирования слоя.
Исследовани я пок азали, что при малых
отрицательных значениях напряжения смещения
формируется пластинчатая структура с высоким
уровнем упругих полей н апряжения. Увеличение
смещения приводит к формированию в пластинах
наноразмерной поликристалической структуры в
резуль тате разбиения на отдельные
разориентированные кристаллиты. Оптимальным
напряжением смещения оказывается U см = –200 В.
Предполагается, что модификация структуры и
свойств TiN, осажденных в условиях вакуумно -
дугового распыления титана при облучении
низкоэне ргети ческими ионами азота, обусловлена
развитием релаксационных процессов вследствие
ионного миксинга, генерации точечных дефектов и
повыш ения диффузионной подви жности адатомов
на поверхности растущего покрытия [12].
Заключение.
На основе приведенных приме ров
использования ионного и ионно -плазменного
ассистирования в процессе или после осаждения
покрытий можно сделать вывод, что
дополнительная бомбардировка газовы ми или
металлическими ионами позволяет кардинально
изменять структуру конденсата. При ионном
стимули ровании роста покрытий возможно
повысить содержание атомарной и ионной
компонент в газовом потоке за счет уменьшения
моле кулярной составляющей. Энергия,
при вносимая ионным пучком, может приводить к
повышению коэффициента диффузии, что дает
возможность нано сить покрытия при невысоких
температурах, тем самым уменьшая размер зерен.
Работа выполнена по программе МОН РК.
Гранты № 0118РК000063 и №Ф.0781.

Литература
1. Копф И.А., Корнилов В.В., Ефимов Е.В.
Нестационарная термическая модель заедания и
износа эволь вент ных зубчатых передач // Техника
машиностроения, 1998, №1(15). - С. 54 -59.
2. Каплун П.В. Способы повышения
износостойкости и контактной выносливости
зубчатых ко лёс // Вісник НТУ "ХПІ", 2015, № 35. – С.
67-75.
3. Юров В.М., Гученко С.А., Маханов К.М.
Особенно сти многофазных покрытий //
Национальная Ассоциация Ученых (НАУ), 2020,
№51, Ч. 1. – С. 44 -49.
4. Григорьев С.В., Коваль Н.Н., Толкачев В.С.
и др. Дуговые разряды н изкого давления с полым
катодом и их применение в генераторах плазмы и
источниках заряженных ча стиц // Изв. вузов.
Физика. – 2001. – Т. 44. – № 9. – С. 28 –35.
5. Коростелева Е.Н., Прибытков Г.А., Гурских
А.В. Исследо вание структуры и свойств спеченных
материа лов титан –медь // Физическая
мезомеханика. – 2004. – Т. 7. – Спецвыпуск. – Ч. 2.
– С. 75 –77.
6. Бо рисо в Д.П, Щанин П.М., Коваль Н.Н.
Генерация объемной плазмы дуговым разрядом с
накаленным катодом // Изв. ВУЗов. Физи ка. 1994,
Т. 37, № 3. - С. 115 -121.
7. Винтизе нко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль
Н.Н., Толкачев В.С., Лопатин И.В., Щанин П.М.
Дуговые разряды низк ого давления с полым
катодом и их применение в генераторах плазмы и
источниках заряженных частиц. // Изв. ВУЗов.
Физика. 2001, Т. 44, № 9. - С. 28 -35.
8. Тюменц ев А.Н., Коротаев А.Д., Пинжин
Ю.П. и др. Влияние низкоэнергетического ионного
облучения на мик рост руктуру покрытий нитрида
титана. // Поверхность. Рентгеновские,
синхротронные и нейтронные исследования, 1998,
№ 1 0. - С. 92 -100.
9. Goncharenko I.M., Grigoriev S.V., Lopatin I.V.
et al. Surface modification of steels by complex
diffusion saturation in lo w pr essure ar с discharge. //

74 Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 57, 20 20
Surface and Coatings Technology, 2003, V. 169 -170. -
P. 419 -423.
10. Borisov D.P., Goncharenk o I.M., Koval N.N.,
Schanin P.M. Plasma -ass isted deposition of a three -
layer structure by vacuum and gas arcs. // IEEE
Transactions on Pla sma Science, 1998, V. 26, № 6. - P.
1680 -1684.
11. Гончаренко И.М. Комплексное
модифицирование сталей и покрытий TiN в пла зме
дуговых разрядов низкого давления. - Ди ссертация
на соискание уч. ст. канд. техн. наук. - Томск, 2004.
- 168 с.
12. Yurov V., Shelpyakov B ., G uchenko S.
Titanium nitride coatings on turbine shovels // The
scientific heritage, 2020, No 44, Р. 1. – P. 29 -33.