RU1782996C - Method for applying multilayer ionic-plasma antifriction coating to piston rings - Google Patents
Method for applying multilayer ionic-plasma antifriction coating to piston ringsInfo
- Publication number
- RU1782996C RU1782996C SU904892355A SU4892355A RU1782996C RU 1782996 C RU1782996 C RU 1782996C SU 904892355 A SU904892355 A SU 904892355A SU 4892355 A SU4892355 A SU 4892355A RU 1782996 C RU1782996 C RU 1782996C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ring
- layer
- layers
- thickness
- wear
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 67
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 8
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 ZrIM Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 102100020870 La-related protein 6 Human genes 0.000 description 1
- 108050008265 La-related protein 6 Proteins 0.000 description 1
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 description 1
- YZIYKJHYYHPJIB-UUPCJSQJSA-N chlorhexidine gluconate Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C(O)=O.OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C(O)=O.C1=CC(Cl)=CC=C1NC(=N)NC(=N)NCCCCCCNC(=N)NC(=N)NC1=CC=C(Cl)C=C1 YZIYKJHYYHPJIB-UUPCJSQJSA-N 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
Использование: в области упрочнени деталей машин, а именно при нанесении антифрикционных слоев на поверхность поршневых колец двигателей внутреннего сгорани ионно-плазменным осаждением. Сущность изобретени : в способе нанесени многослойного ионно-плазменного антифрикционного покрыти на кольца, заключающегос в предварительном определении оптимальной толщины приработоч- ного и промежуточных слоев с последующим нанесением приработочного, износостойких и промежуточных слоев на поршневые кольца, в процессе нанесени покрыти контролируют толщину износ стойких слоев, исход из услови , приведе ного в формуле изобретени . 4 ил.Usage: in the field of hardening of machine parts, namely when applying antifriction layers to the surface of piston rings of internal combustion engines by ion-plasma deposition. The inventive method for applying a multilayer ion-plasma anti-friction coating on rings, which consists in preliminary determining the optimal thickness of the running-in and intermediate layers, followed by applying the running-in, wear-resistant and intermediate layers on the piston rings, during the coating process, the thickness of the wear-resistant layers is controlled, based on the condition given in the claims. 4 ill.
Description
соwith
сwith
Изобретение относитс к области упрочнени деталей машин, а именно к способам нанесени антифрикционных слоев на поверхность поршневых колец двигателей внутреннего сгорани (ДВС) ионно-плазменным осаждением.The invention relates to the field of hardening of machine parts, and in particular to methods for applying antifriction layers to the surface of piston rings of internal combustion engines (ICE) by ion-plasma deposition.
Известен способ нанесени упрочн ющих покрытий на поршневые кольца двигателей внутреннего сгорани , включающий в себ формирование износостойкого керамического и приработочного металлического слоев, снижающих износ цилиндров на стадии приработки, и увеличивающий срок службы поршневых колец.A known method of applying hardening coatings to piston rings of internal combustion engines, which includes the formation of wear-resistant ceramic and running-in metal layers to reduce cylinder wear at the running-in stage, and increasing the service life of the piston rings.
Недостатком этого способа вл етс то, что он не обеспечивает требуемой адгезии покрыти к поверхности кольца. Кроме того, существует ограничение по толщине (5-7 мкм) керамического износостойкого сло The disadvantage of this method is that it does not provide the required adhesion of the coating to the surface of the ring. In addition, there is a limitation on the thickness (5-7 μm) of the ceramic wear-resistant layer
из-за опасности развити в нем сквозных трещин и последующего разрушени покрыти под действием механических и тепловых напр жений при работе двигател .because of the danger of developing through cracks in it and the subsequent destruction of the coating under the action of mechanical and thermal stresses during operation of the engine.
Известен также выбранный в качестве прототипа способ нанесени многослойного покрыти с переменными свойствами и химическим составом, заключающийс в нанесении подсло , св зывающего покрытие и деталь, и износостойких слоев, чередующихс с промежуточными сло ми, с предва- рительным выбором оптимального значени толщины покрыти , выбираемой по двум параметрам: средней стойкости детали и коэффициенту вариации. Как правило , область оптимальных значений лежит между минимальными значени ми вариации стойкости- и максимальной средней стойкостью.There is also known a prototype method for applying a multilayer coating with variable properties and chemical composition, which consists in applying a sublayer that binds the coating and the part and wear-resistant layers alternating with intermediate layers, with a preliminary choice of the optimal coating thickness selected by two parameters: the average resistance of the part and the coefficient of variation. As a rule, the region of optimal values lies between the minimum values of the variation of resistance - and the maximum average resistance.
XI 00Xi 00
ND о ю оND
Однако с точки зрени устойчивости работы многослойного покрыти , необходим правильный выбор толщин вход щих в него слоев. Слишком тонкие слои быстро изнашиваютс и не дают требуемого эффекта, толстые слои склонны к разрушени м под действием напр жений, возникающих в покрытии . В особенности это касаетс керамических слоев из-за их низкой пластичности и склонности к развитию тре- щин, что вызывает возрастание веро тности по влени опасного дефекта, который может привести к динамическому разрушению покрыти .However, from the point of view of the stability of the multilayer coating, the correct choice of the thicknesses of its layers is necessary. Too thin layers wear out quickly and do not give the desired effect, thick layers tend to break under the action of stresses arising in the coating. This is especially true for ceramic layers due to their low ductility and tendency to crack, which increases the likelihood of a dangerous defect that can lead to dynamic destruction of the coating.
Целью насто щего изобретени вл ет- с снижение износа цилиндро-поршневой пары ДВС за счет устранени неравномерности износа отдельных участков.The aim of the present invention is to reduce the wear of the cylinder-piston ICE pair by eliminating uneven wear of individual sections.
Указанна цель достигаетс тем, что в способе нанесени многослойного ионно- плазменного антифрикционного покрыти на кольца, заключающегос в предварительном определении оптимальной толщины приработочного и промежуточных слоев с последующим нанесением приработочно- го, износостойких и промежуточных слоев на поршневые кольца, в процессе нанесени покрыти контролируют толщину износостойких слоев, исход т из услови This goal is achieved by the fact that in the method of applying a multilayer ion-plasma anti-friction coating to rings, which consists in preliminary determining the optimal thickness of the running-in and intermediate layers, followed by applying the running-in, wear-resistant and intermediate layers to the piston rings, the thickness of the wear-resistant is controlled during the coating process layers based on the condition
Р|сд (0,7-0,8) ,P | sd (0.7-0.8),
гдеWhere
,гг /2, yy / 2
T i fОА ГЛ/а T i fOA GL / a
) уьГ-f ; () yG-f; (
АтаД1 ™ AtaD1 ™
СЈ CЈ
С; C;f7) f С, WITH; C; f7) f C,
ЈЈ -4rWA4- - « / ЈЈ -4rWA4- - "/
fJttW- g. w.f,V/4№ fJttW- g. w.f, V / 4№
где hi - контролируема толщина сло ;50where hi is the controlled layer thickness; 50
Н b - a, a - внутренний радиус кольца;H b - a, a is the inner radius of the ring;
b - внешний радиус кольца; Ог центральный угол в замке кольца, наход щегос в разжатом состо нии;b is the outer radius of the ring; The central angle in the lock of the ring in the open state;
п - общее число слоев; 55n is the total number of layers; 55
yi - работа адгезии на границах слоев;yi is the work of adhesion at the boundaries of the layers;
Ei,i, Ео , - модуль упругости и коэффициент Пуансона дл материалов сло и кольца соответственно;Ei, i, Eo, are the elastic modulus and Punch coefficient for the materials of the layer and ring, respectively;
0 0
5 5
0 5 0 5
00
5 5
00
55
00
55
а- коэффициент термического расширени кольца:a - coefficient of thermal expansion of the ring:
T(Z) - распределение температуры по толщине кольца;T (Z) is the temperature distribution over the thickness of the ring;
Р, YI , р , тр - учитывают толщину сло hi и упругие характеристики сло и кольца;P, YI, p, mp - take into account the thickness of the layer hi and the elastic characteristics of the layer and ring;
tj, д -учитывают толщину сло и коэффициенты термического расширени сло и кольца;tj, d - take into account the layer thickness and thermal expansion coefficients of the layer and ring;
ci(Z) - концентраци внедренных в меж- узелье атомов;ci (Z) is the concentration of atoms embedded in the interstitial;
Rni - радиус поры в решетке сло ;Rni is the radius of the pore in the lattice of the layer;
Rnp - радиус внедр емого атома.Rnp is the radius of the implanted atom.
Предлагаемый способ нанесени многослойного ионно-плазменного антифрикционного покрыти на поршневые кольца осуществл ют следующим образом.The proposed method for applying a multilayer ion-plasma anti-friction coating to piston rings is as follows.
Предварительно определ ют оптимальные толщины приработочного сло и промежуточных слоев, исход из конкретных условий изготовлени и применени поршневых колец. Затем на предварительно очищенной рабочей поверхности поршневого кольца создают промежуточный адгезионный подслой путем внедрени в него атомов металла (например, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo) иконной имплантацией на глубину 500-1000 А с постепенным уменьшением глубины пробега ионов и переходом от внедрени к осаждению атомов металла на поверхности кольца. Нанос т первый керамический износостойкий слой (например, TIN, ZrIM, HfN, CrN). B процессе осаждени контролируют толщину износостойких слоев. Дл контрол толщины используют расчет напр женного состо ни кольца с многослойным покрытием и оценку устойчивости покрыти к сдвиговым усили м на границе слоев в наиболее веро тном месте возникновени и развити трещин по условиюThe optimal thicknesses of the running-in layer and the intermediate layers are preliminarily determined based on the specific conditions of manufacture and use of the piston rings. Then, an intermediate adhesive sublayer is created on the previously cleaned working surface of the piston ring by introducing metal atoms (for example, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo) with icon implantation to a depth of 500-1000 A with a gradual decrease in the ion mean free path and the transition from implantation to the deposition of metal atoms on the surface of the ring. A first ceramic wear layer is applied (e.g., TIN, ZrIM, HfN, CrN). During the deposition process, the thickness of the wear resistant layers is controlled. To control the thickness, we use the calculation of the stress state of the ring with a multilayer coating and an assessment of the resistance of the coating to shear forces at the boundary of the layers at the most likely place of occurrence and development of cracks according to the condition
(0,7-0,8) PiKp ,(1) (0.7-0.8) PiKp, (1)
где Р|сд - сдвиговые усили , действующие на границе слоев; Р|кр - критическое усилие сдвига, при котором начинаетс рост погра- ничнойтрещины; 0,7-0,8-коэффициент, соответствующий запасу прочности, прин тому дл таких изделий (3). Дл определени толщины износостойкого сло отвечающих условию (1) рассмотрим покрытие, состо щее из и слоев, каждый толщиной hi, нанесенное на основу толщиной Н (фиг.1). Н b - а, где b - внешний радиус кольца, а - внутренний радиус кольца. Покрытие удовлетвор ет условиюwhere P | sd - shear forces acting on the boundary of the layers; P | kr is the critical shear force at which the growth of the boundary crack begins; A 0.7-0.8 coefficient corresponding to the safety factor adopted for such products (3). To determine the thickness of the wear-resistant layer meeting condition (1), we consider a coating consisting of and layers, each with a thickness hi, deposited on a substrate with a thickness H (Fig. 1). H b - a, where b is the outer radius of the ring, and a is the inner radius of the ring. The coating satisfies the condition
2 hi « Н. Примем плоское напр женное i 12 hi «N. Let us take the plane stress i 1
состо ние с отличными от нул компонента-ми тензора напр жений сгк - .state with nonzero components of the stress tensor ck -.
Упругие посто нные основы и слоев покрыти будем считать известными.Elastic constant bases and coating layers will be considered known.
Пусть в каждом слое покрыти под действием технологических и эксплуатационных факторов существуют напр жени Oj(Z). Усили сдвига, действующие на границе 1-го сло с 1-1 слоемLet stresses Oj (Z) exist in each coating layer under the influence of technological and operational factors. Shear forces acting on the boundary of the 1st layer with 1-1 layer
n Z|+h|n Z | + h |
) / 0i(Z)dZ, т Zi) / 0i (Z) dZ, t Zi
(2)(2)
где Z|- подвижна координата, соответствующа нижней границе сло .where Z | is the moving coordinate corresponding to the lower boundary of the layer.
Предположим, что в покрытии произошел сквозной разрыв (при х -1 - , Z ZJ), и на границе раздела слоев при х имеетс полубесконечна трещина технологического или эксплуатационного происхождени .Assume that a through fracture has occurred in the coating (at x -1 -, Z ZJ), and at the interface between the layers at x there is a semi-infinite crack of technological or operational origin.
Предельные значени деформации , при которой трещина движетс и происходит отслаивание покрыти (4)Limit values of deformation at which the crack moves and peeling of the coating occurs (4)
r2yi(1-Ai/2r2yi (1-Ai / 2
ЈКР( , с hi EIЈKR (, with hi EI
(3)(3)
где у| - работа адгезии, представл юща собой энергетические затраты на увеличение единицы площади трещины скольжени ; h,/л, толщина, коэффициент Пуансона и модуль Юнга покрыти при , соответственно. Дл многослойного покрыти where y | - adhesion work, which is the energy cost of increasing the unit area of a slip crack; h, / L, thickness, Punch coefficient, and Young's modulus of coating at, respectively. For multi-layer coating
hi У hi ;hi y hi;
(4.1)(4.1)
- Е| - E |
(4.2)(4.2)
2 (MI: hi)2 (MI: hi)
hf (Ei;hi)hf (Ei; hi)
(4-3) (4-3)
где hi. j , EI - соответствуют отдельному 1-му слою.where hi. j, EI - correspond to a separate 1st layer.
Так как , то нижележащие слои и подложку можно представить в виде бесконечного полупространства , а покрытие в виде полосы . Из услови совместимости 4Since, the underlying layers and the substrate can be represented in the form of an infinite half-space, and the coating in the form of a strip. From compatibility condition 4
Г-G-
(5)(5)
Подставл (5) в (3)Substituted (5) in (3)
(6)(6)
rfP о (-JAll У/2rfP o (-JAll y / 2
V( V (
Переход к погонным усили м при помощи Ркр ofp hf, получимThe transition to linear efforts m using Rkr ofp hf, we get
-pfP(2))i/2-pfP (2)) i / 2
1-tf1-tf
(7)(7)
20twenty
где Ркр - критическое усилие, при котором происход т рост трещины и отслаивание покрыти . Выражение (7) справедливо как дл раст гивающих , так и дл сжимающих усилий.where Pcr is the critical force at which crack growth and peeling of the coating occur. Expression (7) is valid for both tensile and compressive forces.
5Из (1),(2),(3),(7) следует, что дл оценки5 From (1), (2), (3), (7) it follows that for the estimation
работоспособности необходимо знать зависимость o;(Z) дл каждого сло . Величина o;(Z) складываетс дл ионно-плазменных покрытий на поршневых кольцах из трехIn order to work, it is necessary to know the dependence o; (Z) for each layer. The value of o; (Z) is the sum for ion-plasma coatings on three-piston rings
10 составл ющих10 components
oj (Z) of (Z) + of H (Z) + of (Z), (8) где of (Z) - температурные напр жени ,oj (Z) of (Z) + of H (Z) + of (Z), (8) where of (Z) are temperature stresses,
of (Z) - внутренние напр жени , вызван- 15 ные внедрением бомбардирующих ионов,of (Z) - internal stresses caused by the introduction of 15 bombarding ions,
of(Z) - эксплуатационные напр жени .of (Z) - operational voltages.
Температурные напр жени в 1-м слое покрыти вызываютс различием коэффициентов а теплового расширени (к.т.р.) материалов сло и подложки. Так как hi H, тоThe temperature stresses in the 1st coating layer are caused by the difference in the thermal expansion coefficients a (ctr) of the materials of the layer and the substrate. Since hi H, then
вкладом в of (Z) от разницы к.т.р. 1-го сло contribution to of (Z) from the difference 1st layer
и других слоев покрыти можно пренебречь.and other coating layers can be neglected.
С учетом линейной зависимости Е и а отGiven the linear dependence of E and a on
25 температуры дл сло толщиной hi при25 temperatures for a layer of thickness hi at
T f(Z)5T f (Z) 5
tf (2} - И (Z)(Z)(Z)tf (2} - And (Z) (Z) (Z)
(z) - ,TCZ) (z) -, TCZ)
30 x dt(Z), (9)30 x dt (Z), (9)
где То - температура после осаждени (температура эксплуатации) aiaociwhere To is the temperature after precipitation (operating temperature) aiaoci
yi a0cibi + aicibi + fiaia0 fiaobi + fiaibo + bobiciyi a0cibi + aicibi + fiaia0 fiaobi + fiaibo + bobici
fy fibibofy fibibo
rji (1 - p )Ha0 + (1 -fio )hiai 5| (1-/л )Hb0 + (1 -fio )hibi ai; bi; ci; fi - коэффициенты в выраже- 40 ни хrji (1 - p) Ha0 + (1 -fio) hiai 5 | (1- / l) Hb0 + (1 -fio) hibi ai; bi; ci; fi - coefficients in the form of 40 x
Ei ai + biT(Z) Eo ai + b0T(Z) Acn Gl-Qb ci + biT(Z) Индексы I и о соответствуют l-му слою и 5 подложке.Ei ai + biT (Z) Eo ai + b0T (Z) Acn Gl-Qb ci + biT (Z) The indices I and о correspond to the lth layer and 5 substrate.
Внутренние напр жени при ионно- плазменном осаждении вызываютс внедрением ускоренных ионов в подложке и в покрытие. Введение примесей в 50 объемы элементарной чейки приводит ;с искажению кристаллической, решетки и по влению напр жений в окрестност х дефектов. В случае внедрени в меж- узелье величина искажений кристалличе- 55 ской решетки определ етс соотношением радиусов атома примеси и поры, в которую он внедр етс . В области упругих деформаций при малых концентраци х примеси внедрени (менее 0,81 ат.%Internal stresses during ion-plasma deposition are caused by the incorporation of accelerated ions into the substrate and into the coating. The introduction of impurities into 50 volumes of a unit cell leads to a distortion of the crystal lattice and the appearance of stresses in the vicinity of defects. In the case of insertion into the interstitial, the magnitude of the distortion of the crystal lattice 55 is determined by the ratio of the radii of the impurity atom and the pore into which it is introduced. In the field of elastic deformations at low concentrations of interstitial impurities (less than 0.81 at.%
Ве- NBe- N
W, .,,.. А-..,. .,г.,35W,. ,, .. A - ..,. ., city, 35
f, аЧп°ГМJ° - - - . fcf «-.) сг)f, aChn ° GMJ ° - - -. fcf "-.) cg)
Ь где М и N определ ютс из выражений (13)B where M and N are determined from the expressions (13)
где-ИП4) 2L40 Рассмотрим поршневое кольцо с многоi - а - A a b (In -g-)2слойным покрытием. Использу условие не-71-2ч развывности деформаций и пренебрега where-IP4) 2L40 Consider a piston ring with a multi-a - A a b (In-g-) 2-layer coating. Using the condition of non-71-2h deformability of deformations and neglect
2 (0 - а ) вли нием покрыти на распределение наN (Ь2 - а2)2 - 4а2Ь20п - )2. (14)пр жений в массиве коЛьца, можно считать,2 (0 - a) by the influence of the coating on the distribution on N (b2 - a2) 2 - 4a2b20n -) 2. (14) the stresses in the RING array can be considered
а45 что эксплуатационные напр жени в i -томA45 that the operating voltage in the i-th
Радиальные напр жени на поверхно- слое покрыти определ ютс по деформастипри г-а и r b равны нулю.ци м й массиве кольца с учетом упругихThe radial stresses on the surface of the coating are determined by deformations when g and r b are equal to zero. The entire array of the ring, taking into account elastic
Тангенциальные напр жени макси- свойств посто нных искрыти . т.е. мальны на поперхности и равныи frTangential stresses of maximal properties of constant sparks. those. small on the surface and equal fr
-(2а2 п-|н-Ь2-а2)05)50 С, () - (2a2 p- | n-b2-a2) 05) 50 C, ()
Температурные напр жени в поршне- p(e -arf) /./чz zTemperature stress in piston - p (e -arf) /./hz z
вом кольце возникают из-за неравномерно- oKlT(g)- - - f-f-KiClu4v-Q-&-a1}the ring appear due to the uneven - oKlT (g) - - - f-f-KiClu4v-Q - & - a1}
сти его нагреоа при работе двигател .°its heating during engine operation. °
Радиальные и тангенциальные напр жени ,55(3)Radial and tangential stresses, 55 (3)
возникающие вследствие нагрева кольца,arising from heating rings,
вычисл ютс по формулам (6)., Еcalculated by formulas (6)., E
i r if1 Д - i r if1 D -
.t«f fllnrJr ltfi.ju,1 (16) %-J.tfiJrMrilr M,.t “f fllnrJr ltfi.ju, 1 (16)% -J.tfiJrMrilr M,
-c.v.iЈ.) --b-ir,.rsf.,i.jПодставл формулы (9),(10),(23) в выра fa ° f (п жение (8) получим общую зависимость дл -c.v.iЈ.) --b-ir, .rsf., i.j Substituting formulas (9), (10), (23) into the expression fa ° f (item (8) we obtain the general dependence for
определени напр жений в i -том слое покрыти па поршневом кольце.determining stresses in the i-th coating layer on the piston ring.
,M.Hpv,™.W, M.Hpv, ™ .W
N Я ;-ДпР ЛеИ,Ео fj N I; -DPR LeI, Eo fj
Е;С;(г) -jz С e.Ttfj..-fof-.eV ()E; C; (g) -jz C e.Ttfj ..- fof-.eV ()
Использу выражение (24) совместно с формулами (1) и (7). контролируют толщину изнЪсостойких керамических слоев, при которой сдвиговые усили на границах слоев меньше критических на 20-30%. или Рсд (0,7-0,8) Ркр. что вл етс оптимальным соотношением дл контрол толщины слоев покрыти и обеспечивает максимально возможную толщину износостойкого сло при одновременном предотвращении развити в нем трещин (см. табл. 1).Using expression (24) in conjunction with formulas (1) and (7). control the thickness of the wear-resistant ceramic layers, at which shear forces at the boundaries of the layers are less than critical by 20-30%. or Rsd (0.7-0.8) Rkr. which is the optimal ratio for controlling the thickness of the coating layers and provides the maximum possible thickness of the wear-resistant layer while preventing the development of cracks in it (see Table 1).
Соотношени Рсд и Ркрусилий, при которых не происходит развитие трещин в покрытии , определ лись экспериментально путем нэгружени кольца с покрытием и одновременного контрол по влени трещин в его поверхностном слое.The ratios Rsd and Rkrusiliy, at which the development of cracks in the coating does not occur, were determined experimentally by not loading the coated ring and simultaneously monitoring the appearance of cracks in its surface layer.
Как видно из вышепредставленной табл. 1, при ,9Ркр разрушений в покрытии не наблюдаетс .As can be seen from the above table. 1, at 9Pcr, no damage to the coating is observed.
Вместе с тем, с уменьшением минимально допустимого значени (оптимального ) Рсд уменьшаетс и толщина износостойкого сло покрыти в соответствии с выражением (7), что ведет к уменьшению общего срока службы кольца (фиг.З).At the same time, with a decrease in the minimum acceptable value (optimum), the Sd decreases and the thickness of the wear-resistant coating layer in accordance with expression (7), which leads to a decrease in the total life of the ring (Fig. 3).
После этого нанос т промежуточный металлический слой, затем второй износостойкий слой с толщиной, контролируемой аналогично первому, и второй металлический промежуточный слой. Формирование антифрикционного покрыти заканчивают нанесением приработочного металлического сло .After that, an intermediate metal layer is applied, then a second wear-resistant layer with a thickness controlled similarly to the first, and a second metal intermediate layer. The formation of an antifriction coating is completed by applying a run-in metal layer.
Пример. Покрыти , состо щие из слоев TIN и Tf, наносились на поршневые кольца двухтактного двигател мотороллера Тула на установке типа Булат. Материалом колец был специальный чугун с % составом: Собщ 3,6-ЗД; Сев 0.55-0,8; Si 2,5-2,9; Мп О.Й-0,7; Р 0,3-0,7; S 0,07; Сг 0,12-0,25; NI 0,6-0,15; Мо 0,15-0,35; Ti до 0,1; Си следы; остальное Fe.Example. Coatings consisting of TIN and Tf layers were applied to the piston rings of a two-stroke engine of the Tula motor scooter in a Bulat-type installation. The material of the rings was special cast iron with a% composition: Total 3,6-ZD; Sow 0.55-0.8; Si 2.5-2.9; MP O.Y-0.7; P 0.3-0.7; S 0.07; Cr 0.12-0.25; NI 0.6-0.15; Mo 0.15-0.35; Ti up to 0.1; Si traces; the rest is Fe.
Диаметральна погрешность поршневого кольца после шлифовки рабочей поверхности составл ет ± 5 мкм. Дл устранений этой погрешности и предотвращени износа кольца по отдельным п тнам достаточно нанести верхний приработочный слой толщиной 3 мкм.The diametrical error of the piston ring after grinding of the working surface is ± 5 microns. To eliminate this error and to prevent ring wear on individual spots, it is sufficient to apply an upper running-in layer of 3 microns thick.
В процессе работы кольца металл про- 5 межуточного сло распредел етс по стенкам цилиндра. Толщина промежуточного сло должна быть минимально возможной, т.к. он вл етс быстроизнашивающимс и не вносит непосредственного вклада в про0 должительность работы покрыти . Вместе с тем, как показали экспериментальные исследовани , его толщина не может быть меньше 1 мкм дл снижени сдвиговых усилий на границах слоев. Поэтому оптималь5 на толщина промежуточного металлического сло 1-1,5 мкм.During the operation of the ring, the metal of the intermediate layer 5 is distributed along the walls of the cylinder. The thickness of the intermediate layer should be as minimal as possible. it is wearing and does not directly contribute to the duration of the coating. At the same time, as experimental studies have shown, its thickness cannot be less than 1 micron to reduce shear forces at the boundaries of the layers. Therefore, the optimum5 for the thickness of the intermediate metal layer is 1-1.5 microns.
Адгезионный подслой создавали путем ускорени ионов титана , Т в направлении поверхности колец с плавным снижени0 ем отрицательного смещающего потенциала на них от 1700 до 100 В в течении 5 мин. Износостойкий слой TIN осаждалс при режимах осаждени , приведенных в табл. 2.An adhesive sublayer was created by accelerating titanium ions, T in the direction of the surface of the rings with a gradual decrease in the negative bias potential on them from 1700 to 100 V for 5 min. The wear-resistant TIN layer was deposited under the deposition conditions shown in the table. 2.
5 В процессе осаждени износостойкого сло контролировалась его толщина по выражени м (1), (7),(24) дл предотвращени отслаивани покрыти в результате роста трещины. Результаты расчета распределе0 ни напр жений по сло м покрыти показаны на фиг.2а. Заштрихованна область представл ет вклад со стороны технологических напр жений, возникающих в процессе осаждени покрыти . В результате5 During the deposition of a wear-resistant layer, its thickness was controlled by the expressions (1), (7), (24) to prevent peeling of the coating as a result of crack growth. The results of calculating the stress distribution over the coating layers are shown in Fig. 2a. The hatched region represents the contribution from the process stresses arising from the coating deposition process. As a result
5 расчетов получена оптимальна толщина износостойкого сло , равна 3 мкм. Усили на границах слоев при полученном распределении 0j(Z) и толщине износостойких слоев показаны на фиг.2б. Они значительноIn 5 calculations, the optimum thickness of the wear-resistant layer was 3 μm. The forces at the boundaries of the layers with the obtained distribution 0j (Z) and the thickness of the wear-resistant layers are shown in Fig.2b. They are significantly
О меньше критического сдвигового усили привод щего к росту пограничной трещины и разрушению покрыти .It is less than the critical shear stress leading to the growth of the boundary crack and the destruction of the coating.
Затем осаждалс промежуточный металлический слой из титана с плотной струк5 турой толщиной 1 мкм (см. табл. 2 }, после чего наносилс второй износостойкий слой по составу и толщине аналогичный первому, По окончании наносилс приработочный слой из титана толщиной 3 мкм (см.табл. 2),Then an intermediate metal layer of titanium was deposited with a dense structure 1 μm thick (see Table 2}, after which a second wear-resistant layer was applied in composition and thickness similar to the first. At the end, a running-in layer of titanium 3 μm thick was deposited (see table. 2)
0 Суммарна толщина износостойкого сло составл ла б мкм. Микротвердость износостойких слоев при нагрузке 100 г составл ла 2400 кг/мм2, промежуточных слоев - 600 кг/мм2, приработочного сло - 700 кг/мм2.0 The total thickness of the wear-resistant layer was 6 microns. The microhardness of the wear-resistant layers at a load of 100 g was 2400 kg / mm2, the intermediate layers were 600 kg / mm2, and the running-in layer was 700 kg / mm2.
5 Экспериментальные исспедо ани за вл емого способа нанесени многослойного ионно-плазменного антифрикционного покрыти нз поршневые кольца по их рабо- тоепосоЬности и стойкое и показали, что по5 Experimental methods of the claimed method for applying a multilayer ion-plasma anti-friction coating to piston rings have been shown to be stable and durable, and showed that
сравнению со способом, описанным в прототипе , за вл емый способ обеспечивает снижение износа цилиндров на 30% и увеличение срока службы колец в три раза. Кроме того, износ рабочей поверхности цилиндров отличаетс равномерностью, то же самое наблюдалось и на поверхности колец после получасовой приработке (фиг.З).Compared with the method described in the prototype, the claimed method provides a reduction in cylinder wear by 30% and an increase in the service life of the rings by a factor of three. In addition, the wear of the working surface of the cylinders is uniform, the same was observed on the surface of the rings after a half-hour running-in (Fig. 3).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU904892355A RU1782996C (en) | 1990-12-12 | 1990-12-12 | Method for applying multilayer ionic-plasma antifriction coating to piston rings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU904892355A RU1782996C (en) | 1990-12-12 | 1990-12-12 | Method for applying multilayer ionic-plasma antifriction coating to piston rings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU1782996C true RU1782996C (en) | 1992-12-23 |
Family
ID=21550860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU904892355A RU1782996C (en) | 1990-12-12 | 1990-12-12 | Method for applying multilayer ionic-plasma antifriction coating to piston rings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU1782996C (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA026984B1 (en) * | 2015-02-26 | 2017-06-30 | Артур Игоревич Покровский | Method for applying a hardening coating on a cast-iron product |
-
1990
- 1990-12-12 RU SU904892355A patent/RU1782996C/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Дюк Г.Е. и др. Поршневые кольца. Справочник, Берлин,Изд-во Гетце АО, 1977, с.15. Верещака А.С., Треть ков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрыти ми. - М.: Машиностроение, 1986. с.40. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA026984B1 (en) * | 2015-02-26 | 2017-06-30 | Артур Игоревич Покровский | Method for applying a hardening coating on a cast-iron product |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1214080A (en) | Prestressed ceramic coatings | |
| EP1154035B1 (en) | Amorphous carbon film containing oxide | |
| JP6340014B2 (en) | Sliding element | |
| EP1657323B1 (en) | Sliding member with excellent wear resistance in water-based environments | |
| EP2162561B1 (en) | Piston ring with a sulphonitriding treatment | |
| US20240093344A1 (en) | Hard carbon coatings with improved adhesion strength by means of hipims and method thereof | |
| WO2007099846A1 (en) | Sliding member | |
| WO2006125683A1 (en) | Piston ring having hard multi-layer coating | |
| JPH10195630A (en) | Method for improving fatigue resistance of component by preparing compressive residual stress profile and product thereof | |
| US20220136091A1 (en) | Composite material with coated diffused layer | |
| CA2389091C (en) | Forming members for shaping a reactive metal and methods for their fabrication | |
| RU1782996C (en) | Method for applying multilayer ionic-plasma antifriction coating to piston rings | |
| JP2005060810A (en) | Coating material and its production method | |
| RU2727466C2 (en) | Piston ring with protective layer having coating | |
| KR20130105086A (en) | Piston ring for engine | |
| He et al. | Improving the anticorrosion and mechanical behaviour of PACVD TiN | |
| US6516532B2 (en) | Gauge block | |
| JP4374154B2 (en) | piston ring | |
| JP2003014121A (en) | Piston ring | |
| JP6757769B2 (en) | piston ring | |
| US6432480B1 (en) | Modified boron containing coating for improved wear and pitting resistance | |
| Aperador et al. | Electrochemical and tribological and mechanical performances coatings multilayer type NbC/CrN | |
| JPH05231544A (en) | Piston ring | |
| JPH0510460U (en) | piston ring | |
| CN120835941A (en) | Multi-layer coatings for highly stressed metal parts |