ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2014
УДК 621.891:539.2
© 2014 г. Дроздов Ю.Н.1, Буяновский И.А.1'4, Левченко В.А.2, Большаков А.Н.1, Сипатров А.Г.3, Зеленская М.Н.1, Бартко Р.В.3, Матвеенко В.Н.2
ТВЕРДЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ ПОКРЫТИЯ И ГРАНИЧНАЯ СМАЗКА СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва 2 Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 3 ФАУ "25 ГосНИИМО РФ" 4 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва
Показано, что состав и структура алмазоподобных углеродных покрытий, нанесенных на трущиеся поверхности стальных деталей смазанных узлов трения, оказывают значительное влияние на уровень ориентации молекул смазочной среды в граничном слое и тем самым на антифрикционные свойства этой среды в режиме граничной смазки. Приведены результаты исследований, которые ведутся Отделом трения, износа и смазки ИМАШ РАН совместно с Химфаком МГУ и 25 ГосНИИ МО последнее десятилетие с целью повышения смазочных свойств масел, а также упрощения и удешевления их составов, что имеет большое значение для улучшения экологии.
По данным ООН до 30% вырабатываемой в мире энергии затрачивается на преодоление трения в машинах. Это соответственно влечет за собой завышенный расход топлива, что в свою очередь приводит к существенной затрате невозобновляемых энергетических ресурсов. Традиционным методом сокращения этих затрат является создание энерго- и ресурсосберегающих смазочных масел, которые обеспечивают снижение потерь на трение и уменьшение сопутствующего износа трущихся деталей за счет оптимизации вязкостно-температурных свойств этих масел при жидкостных режимах смазки и введения в их состав присадок различного назначения. Так, дизельные масла включают 6...25%, а трансмиссионные масла 8...12% присадок (причем до 5...7% только присадок, повышающих смазочную способность масел). Эти присадки функционируют в режиме граничной смазки и обеспечивают улучшение антифрикционных и противоизносных свойств масел [1]. Значительная их часть является дорогостоящими продуктами. Кроме того, зачастую они включают соединения элементов (сера, хлор, фосфор и их сочетания и т.д.), отрицательно влияющих на окружающую среду при производстве, хранении, эксплуатации и утилизации [2]. Одним из путей снижения негативного влияния смазочных масел с присадками на окружающую среду является снижение содержания в присадках активных элементов или замена более экологически опасных элементов на менее опасные [3], но полностью избавиться от подобных компонентов затруднительно. Предлагается альтернативный метод повышения смазочной способности масел, основанный на особенностях адсорбции молекул смазочной среды на поверхностях трения, на которые следует нанести алмазоподобные покрытия-ориен-танты, обладающие помимо ориентирующей способности высокой твердостью и износостойкостью [4]. Цель настоящей статьи — оценить эффективность смазочного действия граничного слоя, образовавшегося на покрытии-ориентанте, как альтернативе его образования, за счет введения в смазочные среды специальных присадок.
За последние десятилетия исследователи разных стран показали эффективность нанесения углеродных алмазоподобных покрытий (АПП) на рабочие поверхности трущихся деталей смазанных фрикционных сопряжений различного назначения. Такая модификация поверхностей обеспечивает расширение ресурса работы трибосопряже-ния в условиях масляного голодания, позволяет при меньших числах Герси перейти от граничного и смешанного к ЭГД режиму смазки, снижает коэффициенты трения и уменьшает интенсивность изнашивания [5]. Объектом предлагаемого исследования является принципиально новый вид АПП — углеродное алмазоподобное покрытие-ори-ентант, которое обеспечивает организацию на поверхностях трения высокоупорядочен-ного гомеотропно ориентированного слоя молекул, защищающего эти поверхности от износа и заедания при трении, а также снижающего потери на трение не менее успешно, чем традиционное применение трибологически активных присадок. В процессе исследования оценены оптимальные структуры и составы углеродного покрытия, и проведено сравнение трения его по стали и стали по стали при различных нагрузках и частотах осцилляций при граничной смазке, а также влияние на трибологические характеристики сопряжения сталь — АПП характерных поверхностно-активной и химически активной присадок.
Анализ. Предлагается альтернативный путь повышения смазочных свойств масел, основанный на результатах исследований процесса граничной смазки, проведенных в первой половине ХХ века [6]. С одной стороны, было установлено, что наиболее высокие антифрикционные свойства проявляют смазочные материалы, образующие на поверхностях трения гомеотропно ориентированные высокоупорядоченные граничные слои. С другой стороны, эксперименты показали, что ориентация молекул в граничных слоях воспроизводит ориентацию атомов или молекул в поверхностном слое твердого тела. Таким образом, создав требуемую ориентацию элементов структуры подложки, можно обеспечить заданную ориентацию молекул в граничном слое (по-крытие-ориентант), что, в свою очередь, должно повысить трибологические характеристики смазочной среды. Было предположено, что роль ориентанта может сыграть монокристаллический углерод — углеродный полимер, имеющий регулярное линейно-цепочечное строение и достаточно высокие твердость и износостойкость [7].
Это продемонстрировано на построенных методом молекулярной динамики моделях граничного слоя, первая из которых представляла конфигурацию граничного слоя, образованного молекулами инактивного масла на поверхности, имеющей аморфную структуру, а вторая — конфигурацию граничного слоя, образованного молекулами того же масла на высокоупорядоченной поверхности. В первом случае имеет место полное отсутствие ориентированного слоя на границе с твердым телом, во втором — наличие высокоупорядоченного гомеотропно ориентированного граничного слоя, что, согласно существующим представлениям, обеспечивает смазочному слою высокие антифрикционные и противоизносные свойства [8].
Метод нанесения покрытий. Для экспериментальной проверки этого положения была разработана методика нанесения углеродных покрытий на поверхности трения стальных образцов. Для образования высокоупорядоченного гомеотропно ориентированного граничного смазочного слоя была создана технология нанесения на стальные поверхности монокристаллического углеродного покрытия (МК-углерод), имеющего высокоупорядоченную структуру. Для сравнения испытывали аморфное алмазоподобное покрытие (АУ-углерод). Для нанесения обоих покрытий был использован метод ион-но-плазменного синтеза. Аморфные алмазоподобные углеродные пленки с аморфной структурой были получены при импульсной конденсации (т = 400 цсек, V = 1—3 Гц) углеродной плазмы (р = 1013 см-3, степень ионизации 95%). Монокристаллические пленки углерода толщиной 3 мкм получены методом импульсной конденсации углеродной плазмы в сочетании с дополнительным облучением ионами Аг+ [4, 8, 9]. По данным Оже-спектроскопии пленки состоят на 99% из углерода. Плотность электронных состояний в валентной зоне соответствует расчетному спектру углеродного полимера с кумулированными связями. В КР-спектре пленки присутствуют полосы 2100 и
2300 см характерные для углеродного полимера с монокристаллической структурой. Максимальная твердость пленок 9800 (по Виккерсу), достигается при энергии атомов углерода 80 эВ, что соответствует максимальной вероятности перезарядки ионов С+ на углеродных кластерах [9].
Исследования углеродных поверхностей методом электронной дифракции показали, что покрытие монокристаллическим углеродом имеет высокую упорядоченность и обеспечивает образование высокоориентированного граничного слоя на стальной поверхности, а аморфный углерод такой ориентации не обеспечивает [8, 9]. Значит углеродный полимер, имеющий регулярное линейно-цепочное строение, действительно, образует поверхностный слой, элементы которого обладают высоким уровнем упорядоченности и эта структура воспроизводится граничным слоем.
Методики исследования. Трибологические исследования проводили на трех лабораторных машинах трения, одна из которых (машина ДС-3 [10]) осуществляет трение стандартного шара из стали ШХ-15 по вращающемуся диску из той же стали при реализации температурного метода оценки смазочной способности масел, а две другие (машина ВП-1 [11] и вибротрибометр UMT-3MT производства компании CETR) — противоизносные и антифрикционные свойства этих же масел при знакопеременном трении соответственно стандартного ролика диаметром 8 мм из стали ШХ-15 и стандартного шарика диаметром 12,7 из стали 10Cr6 мм по пластинам из тех же сталей, закаленных до 920—950 HV, на рабочие поверхности которых, предварительно шлифованные и полированные до величины Ra = 0,05—0,07 мкм, наносили исследуемые покрытия. Толщины нанесенного покрытия составляли 2,0 ± 0,5 мкм. Для сравнения испытывали диски и пластины из аналогичной стали, но без нанесения покрытия.
Испытания на машине трения ДС-3 проводили при низкой скорости (линейная скорость вращения диска, на торцовую поверхность которого нанесено исследуемое покрытие 0,01 мм/с) и постоянной нагрузке на узел трения 7,4 Н, так что фрикционный подъем температуры при трении был незначительным. Температуру в зоне контакта задавали от внешнего источника тепла, причем она повышалась со скоростью 10 К/мин от комнатной до 250° в соответствии с основными положениями температурного метода оценки смазочной способности масел [10]. Испытания на машине трения ВП-1 проводили при частоте осцилляций 1 Гц и амплитуде 30 мм в диапазоне нагрузок 12,5—50,0 Н в течение 60 минут при каждой нагрузке по методике, разработанной в ИМАШ РАН [11]. Испытания на вибротрибометре UMT-3MT (амплитуда 1 мм, диаметр шарика 12,7 мм; температура 30°; нагрузки N на шарик и частоты осцилляций варьировали в диапазоне от 2 до 51 Н и от 1 до 25 Гц соответственно) проводили в соответствии с ASTM D 6425 и 5706. Микрометрия и профилографирование пятен износа позволили рассчитать объем износа шарика и пластины
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.