научная статья по теме РОЛЬ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ-ОРИЕНТАНТОВ В ОПТИМИЗАЦИИ СМАЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ-ОРИЕНТАНТОВ В ОПТИМИЗАЦИИ СМАЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 2, 2004

УДК 621.793

© 2004 г. Левченко В.А., Буяновский И.А., Игнатьева З.В., Матвеенко В.Н.

РОЛЬ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ-ОРИЕНТАНТОВ В ОПТИМИЗАЦИИ СМАЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ

Представлены результаты трибологических исследований ориентирующей способности углеродных алмазоподобных пленок с традиционной используемой аморфной структурой и с монокристаллической структурой двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода. В качестве смазок использовали: чистый жидкий парафин, парафин с присадками жирных кислот (олеиновой или стеариновой) и масло 8ЛБ 30. Показано положительное влияние пленок-ориентантов на смазывающую способность граничных слоев различных смазок.

Граничные слои, образуемые поверхностно-активными средами, имеют слоистую структуру. Ближайший к поверхности слой состоит из молекул, четко ориентированных относительно поверхности. Ориентация молекул в граничном слое способствует обеспечению несущей способности смазочного слоя, снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Эффект ориентации сохраняется в определенном интервале температур, величины которых зависят от поверхностной активности компонентов смазочного материала, образующих граничный слой, и от структуры и химического состава контактирующих тел.

Превышение некоторой переходной (критической) температуры вызывает дезориентацию граничного слоя, десорбцию его молекул и потерю им несущей способности. Об этом свидетельствует резкое повышение коэффициента трения и увеличение интенсивности изнашивания трущихся тел. Величиной критической температуры можно управлять, изменяя поверхностную активность смазочной среды (например, вводя в эту среду поверхностно-активные присадки) и меняя ориентирующую способность поверхностных слоев контактирующих тел. Это позволит обеспечить требуемую ориентацию молекул смазочной среды на контактирующих поверхностях [1-3]. В ряде случаев ориентацию молекул смазочной среды в граничном слое и его смазочную способность можно изменять, модифицируя поверхности трущихся элементов [4, 5]. Путем модифицирования поверхностей трения стальных образцов обеспечено снижение интенсивности их изнашивания в несколько раз [4]. Одним из эффективных методов модификации поверхности является нанесение покрытий, обеспечивающих необходимую структурную упорядоченность граничного слоя (покрытий - ориентантов), и повышение смазочной способности масел. Поскольку ориентация молекул в граничном слое повторяет структуру поверхности твердого тела, то для обеспечения высокой ориентации граничного слоя необходимо создать покрытие, имеющее высокоупо-рядоченную структуру. Установлено, что пленки двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода являются превосходными ориентантами для образования структурно-упорядоченной эпитропно-жидкокристаллической фазы углеводородов [6] на твердой поверхности. Целью настоящей статьи является изучение влияния ориентированных (монокристаллических) и неориентированных (аморфных) алмазоподобных углеродных покрытий на смазочную способность смазочных сред.

Рис. 1

Материалы и методики испытаний. Методом импульсной конденсации углеродной плазмы в сочетании с дополнительным облучением ионами Аг+ были получены пленки двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода толщиной от 10 нм до 3 мкм. Картина электронной дифракции двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода представлена на рис. 1,я. По данным Оже-спектроскопии пленки состоят на 99% из углерода. Форма Оже-спектральной линии двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода близка к алмазной. КУУ-линия углерода пленки в сравнении с таковой для графита, алмаза и турбостратного углерода по форме и по положению высокоэнергетического края наиболее близка к алмазной. Высокоэнергетический край КУУ-линии смещен относительно графита в сторону низких энергий связи на 5 эВ [7]. Пленки характеризуются одноосной текстурой и анизотропной электропроводностью, туннельно прозрачны, имеют низкий коэффициент трения и твердость, близкую к алмазной. Максимальная твердость пленок 9500 (по Викерсу) достигается при энергии атомов углерода 60 эВ, что соответствует максимальной вероятности перезарядки ионов С+ на углеродных кластерах.

Аморфные алмазоподобные пленки были получены при импульсной конденсации (т = 400 цсек, V = 3 Гц) углеродной плазмы (р = 1013 см-3, степень ионизации 95%). За счет осуществления специфического распределения потенциала в плазме энергия ионов углерода у подложки может изменяться в интервале 10-80 эВ при изменении напряжения разряда и 150-360 В. Картина электронной дифракции аморфной алма-зоподобной пленки представлена на рис. 1,6. Максимальная твердость пленок до 9000 (по Викерсу) достигается при энергии атомов углерода 60 эВ, что соответствует максимальной вероятности перезарядки ионов С+ на углеродных кластерах. Толщина пленок составляет до 3 мкм. Аморфные пленки также имеют прекрасную адгезию к поверхности подложки и их можно осаждать на различные материалы.

В качестве модельных смазочных материалов использовали чистый жидкий парафин (плотность 0,875 г/см3, средняя молекулярная масса 430, температура вспышки 185°, вязкость кинематическая при 20° равна 140 мм /с, при 50° - 27,8 мм /с, при 100° -6,2 мм2/с, кислотное число 0 мг КОН на 1 г) и парафин с добавками жирных кислот (0,1% стеариновой кислоты и 1,0% олеиновой кислоты). В качестве промышленной смазки использовали масло 8ЛЕ 30 (вязкость г%0, плотность 900 кг/м3) без присадок.

Исследования антифрикционных свойств смазочных сред при трении проводили на машине трения ДС-3 [5, 7] которая реализует трение неподвижно закрепленного шарика диаметром 1,27 ■ 10- м по вращающемуся диску диаметром 6,0 ■ 10- м, установленному на вертикальном валу в ванне с маслом, снабженной электронагревателем. Нагружение узла трения проводили с помощью грузов, установленных на рычаг непосредственно над оправкой шарика. Параметр Яа шероховатости рабочих поверхностей диска до нанесения покрытий составляет 0,05-0,07 мкм. Материал дисков и шаров - стандартная шарикоподшипниковая сталь ШХ15 (закалка и низкий

отпуск). Микротвердость шаров 920-960 кг/мм , микротвердость закаленных дисков 880-930 кг/мм . В качестве смазочных сред применяли две модельные композиции на основе жидкого парафина с поверхностно-активными присадками. Испытания проводили при постоянной скорости относительного скольжения 0,01 мм/с и постоянной нагрузке на узел трения 8 Н. Температуру узла трения повышали в процессе испытания со скоростью 10°С/мин за счет объемного нагрева. В процессе испытания фиксировали момент трения и температуру.

Вторую серию испытаний проводили на стандартной машине трения УМТ-1 на кольцевых образцах из стали 45 (внешний диаметр = 2,8 ■ 10-2 м, внутренний диаметр Б2 = 2,0 ■ 10- м, высота к = 1,5 ■ 10- м). Образцы прижимали друг к другу в осевом направлении торцевыми поверхностями, причем один образец вращался, а другой был неподвижен. В процессе испытаний регистрировали момент трения и температуру на расстоянии 1 мм от поверхности трения неподвижного образца. Перед испытаниями в межконтактный зазор вводили тонкий слой масла 8ЛБ-30. Испытания проводили при ступенчато повышающейся скорости скольжения от 100 до 1500 об/мин (0,125-1,875 м/с) при постоянной аксиальной нагрузке на образцы 210 N и давлении 7 МПа. Продолжительность испытаний на каждой ступени составляла 30 минут, что было достаточно для стабилизации момента трения и контактной температуры. Критерием разрушения смазочного слоя служило резкое повышение момента трения.

Результаты испытаний. Трение закаленной стали ШХ15 с покрытиями и без покрытия при смазывании жидким парафином с присадкой 0,1% стеариновой кислоты и жидким парафином с присадкой 1% олеиновой кислоты исследовали в интервале температур 20-250°. Результаты представлены на рис. 2 в виде зависимостей коэффициентов трения от температуры. В среде жидкий парафин +0,1% стеариновой кислоты коэффициенты трения образцов из закаленной стали ШХ15 с углеродным покрытием (кривая 1) ниже, чем коэффициенты трения той же стали с алмазопо-добным аморфным покрытием (кривая 2) и без покрытия (кривая 3) в области температур ниже первой переходной температуры Т1 и выше ее. В области температур ниже Т величина коэффициента трения для углеродного монокристаллического покрытия практически постоянна и составляет ~0,1. У алмазоподобного аморфного покрытия коэффициент трения в указанном интервале температур слегка снижается (от 0,19 до 0,17). Аналогичная зависимость получена для стали без покрытия (коэффициент трения снижается от 0,16 до 0,14). Переходная температура для эталонного образца (кривая 3) составляет 125°, в то время как при трении образцов с аморфным покрытием она превышает 140°.

При превышении температуры Т коэффициенты трения всех исследованных пар возрастают. Причем максимальные значения трения отмечаются у стали без покрытия (/ = 0,28). Высокое трение демонстрирует алмазоподобное покрытие с аморфной структурой, которое при температуре ~250° практически достигает указанной величины (/тах = 0,27). Углеродное монокристаллическое покрытие имеет максимальный коэффициент трения /тах = 0,18 при температуре 175°.

На рис. 3 представлены результаты испытаний в среде жидкого парафина с 1% олеиновой кислоты. Видно, что наибольшее трение демонстрирует алмазоподобное аморфное покрытие, у которого коэффициент трения изменяется в пределах ~0,34-0,23 в интервале температур 20-220° (кривая 1), а наименьшее - углеродное монокристаллическое покрытие, где величина коэффициента трения в том же температурном интервале изменяется от 0,15 до 0,06 (кривая 2). Для обоих покрытий характерно снижение коэффициента трения с ростом температуры. Для стали без покрытия сохраняется типовая зависимость трения от температуры - относительно пологий участок до достижения первой переходной температуры Т1 и последующее возрастание трения (кривая 3). В среде жидкого парафина +1% олеиновой кислоты трение стальных образцов характеризуется переходной температурой 120°; в то же время для трени

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком