Опыт, сын ошибок трудных...
А.С. Пушкин
Николай Балдаев,
генеральный директор
ООО «Фактор надежности»,
+7 925 011 7270, nbaldaev@mail.ru
Как-то раз лет 15 назад, находясь в командировке в одном из российских городов, в поисках сувениров я прошелся по ярмарке товаров местного производства.
Мое внимание привлек велосипед, изготовленный на одном из местных заводов. Дело в том, что обе его звездочки имели яркий золотистый цвет. А представитель завода утверждал, что это нанопокрытие, которое обеспечит исключительную износостойкость, снижение коэффициента трения «и вообще крутить педали будет гораздо легче».
Я не собирался покупать велосипед, но с интересом послушал. Каково же было мое удивление, когда в этот же день немного позже я увидел такой же велосипед с золотистыми звездочками, но в плачевном состоянии: покрытия на зубчиках почти не было, да и сами зубчики были стерты наполовину. Хозяин в ответ на вопрос про покрытие изъяснялся словами, которые я не хочу повторять.
Это был очень яркий пример того, как довольно старое, но все еще применяемое PVD-покрытие типа нитрид титана TiN было использовано не так и не там. Таких примеров в разное время на разных заводах и деталях, увы, было довольно много, и каждый такой случай формировал твердое убеждение инженеров и технологов, что нитрид титана «не работает».
На самом деле это, конечно, не так. PVD-покрытия могут значительно улучшить функциональные свойства деталей машин и механизмов. Но почему такие казусы случались довольно часто, я постараюсь разобрать в этой статье. Для начала — небольшой исторический экскурс.
Появление PVD-покрытий
В середине XX века, в частности, в связи с началом производства станков с ЧПУ, для увеличения периода между перенастройками станка возникла потребность в повышении износостойкости и долговечности инструментов. Одним из перспективных направлений стало нанесение покрытий с помощью метода PVD (Physical Vapor Deposition — физическое осаждение из паровой фазы, рис. 1).
Рис. 1. Схема PVD-установки
Рис. 2. Установка «Булат»
Первые в СССР разработки PVD-установок начались в Харьковском физико-техническом институте в конце 60‑х годов XX века. В 1976–1980 годах в ХФТИ началась разработка техники и технологии нанесения различных упрочняющих и защитных покрытий вакуумно-дуговым методом. Разработанные в институте установки для нанесения таких покрытий получили название «Булат» (рис. 2). Это название также закрепилось за самими покрытиями с характерным золотистым цветом (нитрид титана TiN).
Лицензия на вакуумно-дуговое напыление в 1979 году была продана в США. Для промышленного внедрения технологии была создана фирма Multi-Arc Vacuum Systems, которая сыграла ключевую роль в выводе вакуумно-дуговой технологии на международный рынок и ее дальнейшем развитии.
Начало применения PVD-покрытий на инструментах
Первые инструменты с PVD-покрытиями появились уже в начале 1980‑х годов. Сначала это был нитрид титана (TiN) толщиной 2–4 мкм. В СССР это покрытие продолжали называть «Булат» из-за золотистого цвета. Начиная с 90‑х годов, когда технологические связи в новых странах были существенно разрушены, основными центрами развития PVD-технологий стали зарубежные компании.
Появились многослойные покрытия, новые составы: TiAlN, TiCN, AlCrN и другие, каждое из которых расширяло сферу применения. Были доработаны и начали применяться магнетронные процессы распыления. Покрытия стали применяться для различных инструментов: метчиков, фрез, сверл и инструментов для вязких и жаропрочных сталей, цветных материалов в условиях ограниченного охлаждения.
Начало применения PVD/PACVD-покрытий на деталях топливных систем
Казалось бы, покрытия можно наносить не только на металлообрабатывающий инструмент. Номенклатура деталей машин и механизмов, ресурс которых было бы целесообразно повысить, огромна. И первые шаги в этом направлении давали надежду на скорый прогресс.
В 1990‑е годы были отработаны так называемые углеродные алмазоподобные покрытия. С названиями во многих источниках путаница, все подряд называют DLC.
Для определенности довольно часто их обозначают следующим образом:
• чисто углеродное — DLC-покрытие, наносимое осаждением углерода из ионизированного ацетилена методом PACVD (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition — плазмохимическое осаждение из паровой фазы);
• металлоуглеродное — Me-DLC-покрытие — углеродное покрытие на металлической матрице, наносимое PVD- методом в среде ионизированного ацетилена.
Одно из важнейших свойств таких покрытий — низкий коэффициент трения. И такие покрытия стали использовать уже не только для инструмента, который обрабатывает детали, а на сами готовые детали. В топливных системах, особенно в высоконапорных системах, таких как Common Rail, углеродные покрытия стали применяться для повышения износостойкости критически важных деталей — плунжерных пар топливных насосов высокого давления, где износ приводил к снижению эффективности работы топливной аппаратуры.
Применения DLC- и Me-DLC-покрытий для топливной аппаратуры практикуется очень широко. Более того, без таких покрытий современные топливные системы высокого давления практически не производят. Основные российские производители топливных систем также обязательно наносят такие покрытия на детали топливной аппаратуры.
Но есть другое направление применения PVD-покрытий — защита от различных видов механического износа. Для этого применяются в основном металлонитридные покрытия, твердость которых может достигать 3200–3500 HV и выше.
Стойкость поверхности к абразивному воздействию зависит от относительной твердости покрытия и абразивных частиц. При воздействии на поверхность абразивные частицы могут поцарапать и ее, а могут сами раскрошиться, если твердость поверхности достаточно высока.
Если, например, на деталь с металлонитридным PVD-покрытием твердостью 3200 HV действует поток, в котором присутствует речной песок, песчинки будут просто крошиться, не повреждая покрытие. А вот сталь, даже очень хорошо закаленная до твердости 700 HV, будет расцарапываться песчинками довольно интенсивно. Эта задача очень часто возникает на деталях нефтегазового оборудования, на которые постоянно воздействует поток, в котором содержится в том числе и абразивные частицы.
Поверхность некоторых деталей может разрушаться в результате кавитации — образования и схлопывания пузырьков газа в жидкости, создающих ударные волны, которые разрушают поверхности. Плунжеры насосов высокого давления с щелевым уплотнением изнашиваются как раз от таких воздействий. Износостойкие покрытия, такие как нитриды металлов, поглощают энергию ударных волн. Они обладают высокой твердостью и образуют плотную пленку, снижая риск кавитационного разрушения и увеличивая срок службы оборудования.
Нитридные покрытия в большинстве своем химически устойчивы ко многим кислотам и другим агрессивным средам благодаря своей инертности и плотной структуре. Химически стойкие покрытия защищают от коррозии и износа, продлевая срок службы деталей.
Казалось бы, вот оно — решение многих вопросов повышения ресурса деталей оборудования. Но, как говорится, гладко было на бумаге. Вспомним злополучные звездочки велосипеда с покрытием типа «Булат», о которых была речь в самом начале. И тут мы переходим к основной теме данной статьи. Почему же использование PVD-покрытий на деталях зачастую не оправдывало ожиданий?
Причины неэффективности PVD-покрытий против эрозии
Причин, по которым PVD-покрытие может разрушиться ,довольно много. Остановимся на самых очевидных.
1. Недостаточная твердость основы
В девяностые и нулевые годы довольно много PVD-установок по воле обстоятельств оказались в недостаточно квалифицированных руках, и их владельцы с энтузиазмом пытались найти им применение. Случай со звездочками, упомянутый в начале текста, как раз тот самый. Видимо, для экономии и в надежде на волшебные свойства покрытия для изготовления звездочек была использована сталь невысокого качества. Но даже если покрытие сверхтвердое, сопромат никто не отменял. Песчинки и пыль, попадавшие в сопряжение звездочки с цепью, легко продавливали тонкое, в пару микрон, покрытие.
Это достаточно очевидно. Например, оконное стекло тверже резины, но его можно разбить резиновым детским мячом. Но если стекло плотно лежит на столе, его можно разбить только тем, что имеет достаточно высокую твердость, а резиновый мяч просто отскочит.
2. Высокая шероховатость
Надежность и работоспособность покрытия в существенной степени зависит от качества поверхности. С инструментом все достаточно просто. Сверла, резцы и другой металлорежущий инструмент изготовлены с высокой степенью точности и имеют отличное качество поверхности. Детали оборудования далеко не всегда требуют такого высокого качества поверхности. Многие из деталей вообще имеют поверхность «из-под резца». И вот тут возникает проблема.
Шероховатость поверхности, на которую наносят покрытие, сильно влияет на то, насколько хорошо это покрытие держится. С одной стороны, казалось бы, что чем более шероховатая поверхность, тем больше у нее выступов и впадин и тем больше места для того, чтобы покрытие и поверхность могли как бы сцепиться друг с другом.
Это в определенной степени могло бы улучшить их соединение. Но если поверхность слишком шероховатая, это может привести к противоположному результату.
Во-первых, материал покрытия переносится на поверхность электрическим полем, которое имеет более высокую плотность на пиках шероховатости. Так что в первую очередь материал покрытия оседает на выступах, что может привести к неравномерной толщине покрытия и даже пустотам между пиками шероховатости. Такое покрытие может отделиться при минимальном механическом воздействии, несмотря на твердость.
Кроме того, опять же из-за неравномерности плотности электрического поля на поверхности происходит возникновение внутренних напряжений и разница толщины.
Из-за этого могут образовываться трещины с последующим разрушением покрытия. На рис. 3 видно, что заусенец на поверхности образца привел в этом месте к возникновению утолщения покрытия и образованию трещины. В этом месте и начнется разрушение покрытия при более-менее интенсивном механическом воздействии.
Рис. 3. Возникновение трещины при нанесении покрытия на поверхность с заусенцем
Так что инстинктивное желание загрубить поверхность, чтобы лучше держалось, как это делается при нанесении красок и газотермических покрытий, в данном случае может привести к абсолютно противоположному результату. Хотя определенный, очень небольшой уровень шероховатости поверхности, в некоторых случаях улучшает качество нанесенного покрытия. Но это очень тонкий вопрос, который здесь не получится разобрать досконально.
3. Металлургическое качество материала основы
Металлорежущий инструмент изготавливают из порошковых сплавов или инструментальной стали. Для улучшения качества стали применяют различные технологические приемы: ковку с многократным переделом, горячую прокатку, вакуумную дегазацию перед разливом, изотермический отжиг. Эти методы снижают дефекты, уплотняют структуру и выравнивают ее перед обработкой. Однако детали машин и механизмов в основном не проходят такой обработки. В толще стали могут оставаться мельчайшие металлургические дефекты. И это может в результате стать причиной выхода покрытия из строя.
Как это происходит, можно пояснить на бытовом примере. На многих кухнях используется скороварка, в которой готовят пищу под давлением. В старых моделях скороварок не было датчиков контроля давления, был только простой механический клапан. Однако если клапан засорится, давление в скороварке может подняться до такого уровня, что просто выбивает крышку с огромной силой.
Причем тут PVD-покрытие, спросите вы. На самом деле если неглубоко под поверхностью изделия, на которое наносится PVD-покрытие, имеется даже очень небольшой, микронный металлургический дефект типа каверны, иногда с ней происходит нечто похожее на то, как выбивается крышка скороварки с неисправным клапаном.
Покрытие наносится при достаточно высокой температуре — до 500°С. И может случиться что уже после того, как покрытие стало расти в толщине, слой металла между поверхностью детали и каверной пробивается давлением и участок уже нанесенного покрытия выбивается с поверхности микроскопическим, казалось бы, потоком газа, вырывающегося из каверны. Образуется лунка, которая делает деталь непригодной для эксплуатации (рис. 4). Даже если кратер на покрытии над металлургическим дефектом, как на рис. 5, не возникнет — от этого не легче. Покрытие в этом месте все равно быстро разрушится.
Рис. 4. Дефект покрытия
Рис. 5. Разрушение покрытия
Если на деталь с такой лункой действуют абразивный или кавитационный факторы, в этом месте начинается интенсивный износ и деталь выходит из строя.
Существует множество факторов, из-за которых покрытие может разрушиться при эксплуатации и не оправдать надежд, и здесь описаны лишь самые очевидные из них. Стоит ли пытаться использовать PVD-покрытия, спросите вы. Конечно, стоит. Проблемы в основном решаемы.
Но не получится схитрить. Не получится, например, сэкономить на качестве металла. Сталь невысокого качества не сможет противостоять серьезному механическому воздействию даже с идеальным PVD-покрытием.
Шероховатость — вообще не проблема и легко снижается до необходимого уровня механической или электрохимической полировкой. Но надо не забывать контролировать, каково состояние поверхности деталей, на которые вы хотите наносить покрытие.
Для устранения влияния металлургических дефектов тоже есть отработанные технологические приемы, чтобы дегазировать металлургические дефекты до того, как покрытие начнет ложиться на поверхность.
Квалифицированный специалист по покрытиям решит и другие проблемы, которые могут привести к отрицательному результату. Привлечение профессионалов поможет принять правильное решение — какая вам нужна установка, какое покрытие, как подготовить изделие и организовать производственный цикл, и самое главное — какие подводные камни могут оказаться на вашем пути и как их избежать.
В таком случае детали с покрытием будут надежнее стандартных. В других случаях использование PVD-покрытия вместо газотермического позволяет и повысить ресурс, и снизить затраты. Произведенные вами агрегаты будут работать надежно, и ваша репутация как производителя высококачественного оборудования будет укрепляться, что, в свою очередь, принесет вам дополнительный доход.
В 1990‑е и 2000‑е годы престиж инженерных специальностей значительно снизился. Если в 1970‑е годы конкурс в инженерные вузы составлял 7 человек на место, то к концу 1990‑х он упал до 2 человек. Сегодня ситуация улучшилась, и престиж инженерных профессий восстановился, хотя на достижение уровня, при котором в стране будет достаточно квалифицированных инженеров, потребуется еще много времени.
Применение PVD-покрытий для увеличения срока службы деталей машин и механизмов находится в начальной стадии развития, за исключением автомобильной промышленности. Основным препятствием является нехватка инженерных кадров необходимой квалификации.
Однако привлечение специалистов по PVD-покрытиям, обладающих необходимыми компетенциями, позволит не только производить оборудование с существенно улучшенными рабочими характеристиками, но и зачастую и снизить затраты на производство и занять лидирующее положение в отрасли.
В настоящее время в России создается множество новых компаний, приобретающих оборудование для нанесения PVD-покрытий. Проблем нет: на рынке представлен широкий спектр PVD-установок. Однако найти опытных специалистов по нанесению покрытий методом PVD — задача гораздо более сложная.
В статье были затронуты несколько аспектов, которые необходимо учитывать при создании центра нанесения PVD-покрытий и наладке производственного процесса. Следует понимать, что это далеко не все нюансы, которые могут привести к неожиданным результатам.
Компаниям, решившим внедрить у себя PVD-покрытия, не стоит думать, что все легко и просто. Чтобы сэкономить время и ресурсы, лучше обратиться к опытным специалистам.
Вильхартитц Петер, независимый консультант
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2026
Еще больше новостей |  |
