Механохимический метод полирования поликристаллического алмазного покрытия

Москва
ИНФРА-М
2021

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ 
МЕТОД ПОЛИРОВАНИЯ 
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО 
АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ

Д.Н. ОХЛУПИН
А.В. КОРОЛЕВ
И.В. СИНЕВ

МОНОГРАФИЯ

УДК [621.921.34+544](075.4)
ББК 35.46:24.5
 
О92

Охлупин Д.Н.
О92 
 
Механохимический метод полирования поликристаллического
алмазного покрытия : монография / Д.Н. Охлупин, А.В. Королев,
И.В. Синев. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 123 с. — (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/1141765.

ISBN 978-5-16-016420-5 (print)
ISBN 978-5-16-108715-2 (online)

В монографии представлено решение технологической задачи полирования поликристаллического алмазного покрытия механохимическим 
методом с целью обеспечения требуемого значения шероховатости поверхности и высокой производительности обработки. Выполнен анализ 
существующих схем и способов полирования алмазов и алмазных покрытий. Предложена технология полирования алмазных покрытий металлической щеткой, которая обеспечивает хрупкое разрушение вершин крупных микронеровностей и графитизацию мелких микронеровностей.
Для научных работников, аспирантов и специалистов промышленных 
предприятий, занимающихся вопросами технологии полирования поверхностей деталей.

УДК [621.921.34+544](075.4)
ББК 35.46:24.5

Р е ц е н з е н т ы:
Игнатьев А.А., доктор технических наук, профессор кафедры технологий и систем управления в машиностроении Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.;
Васин А.Н., доктор технических наук, профессор кафедры технологий и систем управления в машиностроении Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

ISBN 978-5-16-016420-5 (print)
ISBN 978-5-16-108715-2 (online)
© Охлупин Д.Н., Королев А.В.,
Синев И.В., 2021

Обозначения и сокращения

n  — частота вращения инструмента, об/мин;
S  — скорость продольной подачи, мм/мин;
t  — поперечная подача, мм/ход;
Ra – среднее арифметическое отклонение микропрофиля 
обработанной поверхности, мкм;

σ  — среднее квадратическое отклонение (СКО) значений 
шероховатости обработанной поверхности, мкм;

h  — толщина покрытия, мкм.

Введение

Проведенное научное исследование направлено на решение важной научной проблемы, а именно на разработку 
технологии полирования поликристаллического алмазного 
покрытия типа «ta-C» деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания.
Основным направлением развития современного автотракторостроения является увеличение мощности, производительности машин и повышение их надежности. К сожалению, 
современные двигатели российского производства по показателям надежности и многим другим эксплуатационным параметрам существенно уступают зарубежным аналогам.
Наиболее слабым звеном отечественных двигателей внутреннего сгорания являются высоконагруженные прецизионные детали топливной аппаратуры, которые в процессе работы двигателя испытывают большие динамические нагрузки, 
высокое давление и неблагопритяное воздействие скоростного 
потока топлива, обладающего высокой химической активностью и имеющего в качестве примесей твердые абразивные 
частицы. По данным различных источников от 25% до 50% отказов у дизельных двигателей происходит вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры. По этой причине, например, у 85% тракторных двигателей номинальная 
мощность ниже, а расход топлива выше, чем это определено 
техническими условиями.
Основной причиной выхода из строя деталей топливной 
аппаратуры является износ их рабочих поверхностей. Для его 
снижения требуется обеспечить высокую твердость рабочих 
поверхностей деталей. Поэтому усилия многих исследователей и специалистов направлены на повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей топливной аппаратуры. 
С этой целью ряд ведущих западных фирм — Bosch, Delphi, 

Механохимический метод полирования поликристаллического алмазного покрытия

Denso, Siemens, разработали технологию финишного плазменного упрочнения (ФПУ) — вакуумного камерного процесса плазмоструйного осаждения тонкопленочного покрытия 
из газовой фазы при использовании малогабаритного плазмохимического реактора с одновременной плазменной активацией реакционного газового потока и локального участка поверхности изделия, на который наносится покрытие. Одним 
из эффективных покрытий, наносимых методом ФПУ, является поликристаллическое алмазное покрытие DLCPateks 
системы a-C: H/a-SiOCN. DLC-покрытия состоят из атомов 
углерода, получаемых из углеродосодержащих материалов — 
твердых углеродных мишеней, и представляют собой неметаллическое аморфное многослойное нанопокрытие с низким 
коэффициентом трения, повышенной микротвердостью, химической инертностью, гидрофильностью. Они могут быть 
одновременно твердыми и эластичными, обладать низкими 
коэффициентами трения и износа. Эффективность использования ФПУ для деталей топливной аппаратуры основана 
также на возможности локального нанесения покрытия в заданной зоне, а также повторного его нанесения после проверки на тест-план при недостаточной толщине.
К числу немногочисленных предприятий России, осуществляющих покрытие типа «ta-C», подобное описанному 
выше DLC-покрытию, относится ООО «ТехноТерм-Саратов» 
(ТТС). Для производства покрытия «ta-C» ТТС использует 
лазерно-дуговую технологию осаждения тетраэдрически связанных аморфных слоев углерода на поверхность детали в высоковакуумной установке для нанесения покрытий DREVA 
600 производства германской фирмы «VTD vakuumtechnic 
Dresden GmbH». Покрытие «ta-C» отличается высокой механической твердостью и высокой износостойкостью при экстремальных трибологических нагрузках. Поэтому организация 
ТТС серийного производства деталей топливной аппаратуры 
с покрытием «ta-C» вполне решит проблему импортозамещения в стратегический важной отрасли экономики России.

Охлупин Д.Н., Королев А.В., Синев И.В.

Потенциальными потребителями продукции ТТС являются 
различные машиностроительные предприятия, в частности 
АО «Алтайский моторный завод», ООО «Уральский дизельмоторный завод», ПАО «Заволжский моторный завод», ООО 
«Камский моторный завод», АО «ОДК-Пермские моторы», 
АО «Ульяновский моторный завод», ПАО «ОДК-Сатурн», 
ПАО «Тюменские моторостроители», ПАО «ОДК-Уфимское 
моторостроительное производственное объединение», ПАО 
«Автодизель» (ЯМЗ), ОАО «Волгоградский моторостроительный завод», ПАО «Тутаевский моторный завод» и другие. 
В частности, уже осуществляются услуги по нанесению покрытий на рабочие поверхности деталей топливной аппаратуры дизельных двигателей ООО УК «Алтайского завода 
прецизионных изделий», который в массовом порядке изготавливает топливные системы дизельных двигателей. Однако 
широкому внедрению этой технологии в отечественное производство двигателей внутреннего сгорания препятствует отсутствие надежного метода полирования поликристаллического 
алмазного покрытия.
Поэтому исследование, направленное на разработку технологии полирования поликристаллического алмазного 
покрытия типа «ta-C» деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания, является актуальным и соответствует таким приоритетным направлениям развития 
науки, технологий и техники в Российской Федерации, как 
«Транспортные и космические системы» и «Перспективные 
виды вооружения, военной и специальной техники», а также 
такому приоритетному направлению модернизации и технологического развития экономики России, как «Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания 
перспективных видов вооружения, военной и специальной 
техники».

Глава 1
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛИРОВАНИЯ 
ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО 
АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ

1.1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ 
И УСТРОЙСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПОЛИРОВАНИИ 
ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

В соответствии с ГОСТ 23505–79 [1] под полированием 
понимается абразивная обработка, предназначенная только 
для уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности 
и увеличения зеркального отражения. Более общее определение понятию полирования дает «Большая советская энциклопедия»: это «отделочная обработка изделий для повышения класса чистоты их поверхности (до 12–14-го классов), 
доводки изделий до требуемых размеров, получения определенных свойств поверхностного слоя, а также для придания их 
поверхности декоративного блеска». В этом определении нет 
ссылки на абразивную обработку, хотя считается, что твердый 
материал можно обработать только еще более твердым материалом. Поэтому на практике для полирования обычно используют твердый абразивный материал.
Различают следующие виды полирования:
 
• Полирование с применением полировальных кругов.
 
• Гидроабразивное полирование.
 
• Магнитно-абразивное полирование.
 
• Ультразвуковое полирование.
 
• Электролитическое полирование.
 
• Химико-механическое полирование.
 
• Ионно-плазменное полирование.

Охлупин Д.Н., Королев А.В., Синев И.В.

 
• Электролитно-плазменное полирование — обработка электропроводных металлов в среде электролитной плазмы.
Известно множество способов полирования поверхностей деталей с применением полировальных кругов: [2–13] 
и другие. Например, в способе полирования торцовых поверхностей деталей [12] в качестве инструмента используется магнитный стол, на который наносят абразив, а величину снимаемого слоя регулируют силой тока.
Патент [13] посвящен совершенствованию способа двустороннего полирования плоских поверхностей (рисунок 
1.1), при котором детали в виде роликов размещают в кольце, 
устанавливают его свободно в гнезде сепаратора и сообщают 
последнему планетарное перемещение между двумя доводочными дисками, отличающемуся тем, что с целью обеспечения 
заданной перпендикулярности торца к образующей цилиндрической поверхности при обработке роликов подшипников качения, размещение роликов в кольце осуществляют группой, 
вписываемой в окружность, из условия контакта каждого 
ролика не менее чем с тремя соседними роликами, при этом 
группу роликов располагают в кольце с зазором, а доводочным 
дискам сообщают вращение в одном направлении при соотношении их скоростей V2 = (0,8–0,9) V1. При этом количество 
роликов в группе выбирают из ряда 7, 19, 37.

Риc. 1.1. Схема способа двустороннего полирования торцов роликов

Механохимический метод полирования поликристаллического алмазного покрытия

Общими недостатками процесса полирования поверхности 
детали с применением полировальных кругов являются необходимость многостадийной обработки, низкая производительность, дороговизна расходных материалов, необходимость использования специального оборудования со сложной кинематикой движения инструмента и заготовки. Особенно большие 
проблемы возникают при доводке поверхностей сложной 
формы и поверхностей высокой твердости, например, твердых 
алмазоподобных покрытий.
Наибольшее применение в промышленности нашли механический, химический, электрохимический и электролитноплазменный способы полирования. Рассмотрим некоторые 
из них.
Сущность электрохимического полирования заключается 
в растворении поверхности детали в специальном растворе 
под действием электрического тока, пропускаемого через раствор и заготовку: [14–16] и другие.
Например, способ электрохимического полирования согласно патенту [16] включает обработку детали в нейтральном 
водном растворе солей при плотности тока 0,2–10 А/см2 (рисунок 1.2). На рисунке 1.2 показаны: обрабатываемая деталь 2, 
установленная в приспособление 3 с технологическими отверстиями 4 и с резьбой под шток 5, который соединен с источником вибрации 6, насадка 7 с конусообразным отверстием 
для нагнетания электролита (приспособление 3 и насадка 7 
изготовлены из диэлектрика), две металлических пластиныэлектрода 8, подключенные к положительному и отрицательному полюсам источника тока 9, между которыми расположена обрабатываемая деталь.
При вибрации электролит нагнетается через отверстие насадки 7, продвигаясь по полости заготовки 2, «проталкивает» 
продукты обработки и пузырьки выделяющегося газа кислорода и водорода через технологические отверстия 4 в приспособлении 3. Циркуляция электролита внутри обрабатываемой 
детали 2 происходит всегда в одном направлении (вверх) бла

Охлупин Д.Н., Королев А.В., Синев И.В.

годаря конусообразной форме отверстия насадки 7 для нагнетания электролита. При вибрации обеспечивается интенсивное удаление продуктов обработки и пузырьков газа с обрабатываемой поверхности (задержка отделения пузырьков 
газа приводит к неравномерному растворению металла, появлению вертикальных борозд, точечных углублений).

Риc. 1.2. Схема осуществления способа электролитического полирования

Способ электрохимического полирования, предложенный в изобретении [15], включает циклическое полирование детали в нейтральном водном растворе солей при 
плотности тока 0,2–10,0 А/см2, температуре электролита, 
равной температуре окружающей среды, вибрации обраба