Москва, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 621.892.5 Консистентные смазки
Проведённые в последние десятилетия исследования, подтверждённые опытом многолетнего практического использования в узлах трения различных механизмов и машин, применяемых в народном хозяйстве, показали, что эффективным путём обеспечения их долговечности, надёжности и энергосбережения является нанесение алмазоподобных углеродных покрытий на поверхности трения контактирующих деталей этих узлов трения. В настоящее время установлено, что эффективность применения этих покрытий в значительной мере определяется условиями их функционирования и материалами контактирующих деталей. В представленной статье сравниваются по антифрикционным свойствам пары трения, в которых исследуемые стальные образцы с аморфным алмазоподобным углеродным покрытием, нанесённым на сталь через промежуточный слой алюмонитрида титана, изнашиваются в условиях сухого трения и граничной смазки. В качестве изнашивающего контртела используются стандартные шарики из стали ШХ-15 и керамики на основе нитрида кремния. Трибологические эксперименты проводятся на известной лабораторной установке КТ-2 с модернизированным узлом трения, позволяющим реализовать контакт изнашивающего шарика с тремя горизонтально расположенными роликами, на цилиндрические поверхности которых нанесено исследуемое покрытие. В статье приведён анализ полученных результатов этих экспериментов. Помимо испытаний алмазоподобного покрытия для сравнения приведены данные по испытаниям образцов без покрытий и с покрытием только слоем алюмонитридом титана. Более твердый материал контртела может значительно влиять на трибологические свойства, разрушая покрытия, тем самым сводя положительные эффекты от антифрикционных свойств покрытий, и даже приводить к повышенному износу за счёт образовавшихся абразивных частиц в зоне трения.
алмазоподобное покрытие, аморфный углерод, коэффициент трения, износ, керамический изнашивающий образец, полиальфаолеиновое масло, промежуточное покрытие
Введение
Одним из наиболее эффективных методов обеспечения надёжности и высокой долговечности тяжелонагруженных узлов трения машин и механизмов является нанесение покрытий трибологического назначения на контактирующие поверхности сопряжённых деталей этих узлов [1]. К таким покрытиям относятся алмазоподобные покрытия (АПП), именуемые в англоязычной печати DLC
(Diamond-Like Carbon) покрытиями, т. е. покрытиями алмазоподобным углеродом [2]. Такие покрытия успешно применяются для предохранения магнитных слоёв жёстких дисков компьютеров от износа и повреждений, в микроэлектромеханических системах, в ответственных узлах трения машин и механизмов, в авиакосмической, автомобильной, биомедицинской, металлообрабатывающей (для покрытия режущего инструмента), и в других отраслях народного хозяйства, функционируя в широком интервале условий нагружения, как всухую, так и в смазочных средах [3, 4]. При этом DLC обладают комплексом таких важнейших характеристик, как высокая твёрдость, модуль упругости, износостойкость, низкий коэффициент трения, химическая инертность, какими не обладают другие известные твёрдые покрытия. В то же время основные физико-механические и трибологические характеристики DLC можно варьировать в достаточно широких пределах путём направленного выбора технологии их нанесения или легируя различными элементами [5 – 7].
Предварительный выбор оптимального по трибологическим характеристикам DLC обычно производится на лабораторных машинах трения, обеспечивающих трение одноименных образцов с покрытием по одноименному образцу с тем же покрытием (DLC / DLC) [8], либо стальной образец по образцу с исследуемым покрытием (сталь / DLC), то есть изнашивающим образцом (контртелом) здесь служит сталь [9]. Учитывая разнообразие материалов, применяемых в современном машиностроении, представляет интерес определение трибологических свойств DLC в паре с различными материалами, в том числе имеющими высокую твёрдость. В предлагаемой статье такое исследование проводили на четырёхшариковой машине КТ-2 с узлом трения, модернизированным по схеме шар – три ролика, на цилиндрические поверхности которых нанесено аморфное углеродное покрытие с промежуточным слоем износостойкого покрытия алюмонитрида титана (AlTiN), обеспечивающего высокую адгезию слоя DLC к стали. Целью работы было сравнение эффективности антифрикционных и противоизносных характеристик образцов с покрытием при использовании в качестве контртела двух типов шариков: стального и керамического. Это сравнение проводили в условиях сухого трения и в среде инактивного синтетического масла.
Материалы и методы
Представленная работа посвящена исследованию антифрикционных свойств углеродного алмазоподобного покрытия, нанесённого на стальные образцы. Образцы представляют собой стандартные подшипниковые ролики диаметром 8 мм из стали 100Cr6 (аналог отечественной стали ШХ-15), на цилиндрические поверхности которого для обеспечения хорошей адгезии покрытия к подложке наносят промежуточный слой алюмонитрида титана AlTiN, а поверх него слой алмазоподобного углерода общей толщины ~1,7 мкм. Методика нанесения такого покрытия подробно приведена в работе [10]. Антифрикционные свойства покрытия оценивали в процессе изнашивания его двумя типами стандартных подшипниковых шариков диаметром 12,7 мм – из стали ШХ-15 и керамического – из нитрида
кремния Si3N4.
Оценка физико-механических характеристик образцов включала определение их нанотвердости и модуля упругости на нанотвердомере НаноСкан-4D. Испытания проведены в соответствии с
ГОСТ Р 8.748–2011. В качестве индентора использовалась трёхгранная пирамида Берковича. Время нагружения и разгружения составляло 10 с, максимальная сила – 10 мН. Калибровку формы пирамиды и жёсткости прибора проводили на плавленом кварце. Значения этих характеристик приведены в табл. 1. Микрогеометрию поверхностей образцов оценивали на оптическом профилометре SNeox по профилю длиной 100 мкм вдоль образующей. Результаты оценки физико-механических характеристик приведены в табл. 1.
Триботехнические испытания проведены на разработанной в ИМАШ РАН четырёхшариковой машине трения КТ-2 с узлом трения, модернизированным по схеме вращающийся шарик – три ролика (рис. 1) [11].
Частота вращения шпинделя машины КТ-2 составляет 1,0 мин-1. Осевая нагрузка на узел трения 110 Н. Продолжительность каждого испытания при заданной нагрузке –
60 мин. Момент трения измеряли торсионным динамометром. Графики зависимости коэффициента трения от времени испытания строились по усредненным результатам трёх повторных испытаний. После окончания каждого испытания при помощи микроскопа делаются фотографии пятен и дорожек износа, для оценки степени повреждения поверхности образцов.
Цикл испытаний исследуемых образцов повторяют дважды: один раз без смазочного материала (при «сухом трении»), а второй
раз – при граничной смазке полиальфаолефиновым маслом ПАО-4 (ν100 = 4,0 мм2/с). При этих испытаниях граничный режим смазки обеспечивается высокими контактными давлениями и низкой скоростью относительного перемещения верхнего шарика относительно трёх нижерасположенных цилиндрических роликов.
Трибологические испытания – результаты и обсуждение
Результаты трибологических экспериментов представлены ниже в виде зависимостей коэффициента трения от продолжительности испытаний и соответствующих микрофотографий пятен износа на роликах и дорожек износа на изнашивающих шариках.
Результаты трибологических испытаний образцов без покрытий со стальным и керамическим шарами приведены на рис. 2. При испытаниях без смазочного материала изменение коэффициента трения имеет одинаковую динамику и близкие значения, износ на роликах достаточно большой, износ стального шара также хорошо виден, износ керамического шара не ярко выражен, а на дорожке трения образовался слой из перенесённого материала ролика. При испытаниях со смазочным материалом коэффициент трения при установившемся режиме значительно снижается с
0,85 до 0,48 при стальном шаре, и до 0,19 при керамическом шаре.
Сравнение данных по трибологическим испытаниям образцов с покрытием AlTiN приведено на рис. 3. Как видно, без смазочного материала коэффициенты трения приведённых зависимостей (см. рис. 3, кривые 1 и 2) близки по динамике изменения и значениям, хотя на этапе приработки коэффициент трения выше с керамическим шаром, что возможно связано с разрушением покрытия из-за высокой твёрдости шара. В то же время, размеры пятен износа, а также дорожка износа на стальном шарике заметно различаются: достаточно чётко видно из рис. 3, что керамический шар обеспечил изнашивание исследуемого покрытия до стали в месте контакта, также на нём виден слой переноса материала. В результате разрушения покрытия мы фактически имеем трение керамический шар – сталь ШХ-15, с присутствующими абразивными частицами от разрушенного покрытия, что приводит к повышенному изнашиванию поверхности ролика.
Результаты испытаний AlTiN покрытия в смазочной среде ПАО-4 (см. рис. 3,
кривые 3 и 4) показывают, что наличие даже инактивной смазочной среды заметно улучшает антифрикционные свойства пары трения и уменьшает размер пятна износа, как при изнашивании стальным шариком, так и при изнашивании керамическим шариком, хотя покрытие всё равно разрушается, хоть и в меньшей степени. Коэффициент трения при испытании со стальным шаром постепенно возрастает по мере повреждения покрытия, при испытании с керамическим шаром коэффициент трения имеет более сложную зависимость от времени, с ростом до 30 мин, после чего происходит снижение, что вероятно связано с процессом разрушения покрытия.
Результаты испытаний покрытия
AlTiN + DLC показаны на рис. 4. Керамический шар также изнашивает это покрытие, в результате постепенного изнашивания покрытия мы видим, как это отображается в постепенном росте коэффициента трения в процессе испытания, как без смазочного материала
(см. рис. 4, кривая 2), так и в среде
ПАО-4 (см. рис. 4, кривая 4). Стальной шар не изнашивает значительно покрытие за время испытания и коэффициент трения остается постоянным (см. рис. 4, кривые 1 и 3), после завершения этапа приработки, по значениям коэффициент трения без смазочного материала немного выше, чем с ПАО-4.
Рассмотренные выше результаты измерения пятен износа на исследованных образцах в процессе проведения оценки антифрикционных свойств рассмотренных трибосопряжений сведены в виде столбчатой диаграммы на рис. 5.
Таким образом, гистограммы площадей пятен износа на роликах позволяют установить, что максимальные площади пятен износа были подучены при трении без смазочного материала стального и керамического шариков по стальному ролику, и керамического шарика по ролику с покрытием AlTiN. По-видимому, это объясняется тем, что при трении стали по стали происходит заметное схватывание между поверхностями, а при трении с керамическим шариком более твёрдый материал эффективно изнашивает стальной ролик, при трении же керамического шарика по покрытию AlTiN в результате разрушения этого покрытия его частицы оказывают дополнительное абразивное действие в контакте, что приводит к увеличению износа (см. рис. 3, б, поз. 2). При нанесении на покрытие AlTiN тонкого слоя DLC ситуация заметно изменяется: резко снижается износ покрытия при изнашивании как стальным, так и керамическим шариками. Наконец, смазывание рабочих поверхностей контактирующих образцов приводит к значительному снижению износа поверхности всех образцов. Хотя по-прежнему, при изнашивании в режиме граничной смазки наибольшие износы для этих пар трения наблюдаются в парах трения
сталь – сталь, сталь – керамика и AlTiN – керамика.
Заключение
Нанесение дополнительного слоя алмазоподобного покрытия, как видно из рис. 4, обеспечило больший антифрикционный и противоизносный эффект, чем наблюдался на
рис. 2 от применения смазочной среды при испытаниях со стальным шаром. При наличии покрытия AlTiN + DLC в паре со сталью смазывание маслом ПАО-4 почти не влияет на антифрикционные и противоизносные характеристики пары трения, лишь незначительно снижая износ образцов, за счёт разделения их граничной смазочной пленкой.
Смазочный материал ПАО-4 смягчает условия трения, что сказывается на снижении коэффициента трения и износе образцов. Однако, в случае с керамическим контртелом это является недостаточным для предотвращения разрушения покрытия.
При трении керамического шара по исследуемым покрытиям во всех случаях происходит разрушение покрытий. По-видимому, при тяжёлом режиме граничной смазки пару трения керамика – AlTiN + DLC следует применять с осторожностью, поскольку керамическое контртело может интенсивно изнашивать защитное покрытие даже в смазочной среде. Разрушение покрытия будет приводить к образованию твёрдых абразивных частиц, и усиливать изнашивание деталей.
1. Албагачиев A.Ю. Трибологические свойства эффективных покрытий деталей машин и режущего инструмента. В кн.: Перспективные методы поверхностной обработки деталей машин / Отв. ред. Г.В. Москвитин. М.: ЛЕНАНД., 2019. С. 55–72.
2. Donnet C., Erdemir A. (ed.). Tribology of diamond-like carbon films: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media, 2007. 664 с.
3. Hauert R. An overview on the tribological behavior of diamond-like carbon in technical and medical applications // Tribology International. 2004. Т. 37. №. 11-12. С. 991–1003.
4. Kalin M. et al. Review of boundary lubrication mechanisms of DLC coatings used in mechanical applications //Meccanica. 2008. Т. 43. С. 623–637.
5. Tyagi A. et al. A critical review of diamond like carbon coating for wear resistance applications // International journal of refractory metals and hard materials. 2019. Т. 78. С. 107–122.
6. Bewilogua K., Hofmann D. History of diamond-like carbon films – From first experiments to worldwide applications // Surface and Coatings Technology. 2014. Т. 242. С. 214–225.
7. Семёнов А.П. Трибологические свойства и вакуумно-плазменные методы получения алмазных и алмазоподобных покрытий // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 1. С. 83–102.
8. Буяновский И.А., Самусенко В.Д., Левченко В.А. Использование нитрида титана и алюмонитрида титана как промежуточных слоёв для алмазоподобных покрытий // В кн.: Триботехника-машиностроению: Труды XII Международной конференции. М.: ИМАШ РАН. 2020. С. 58–62.
9. Zahid R. et al. Effect of lubricant formulations on the tribological performance of self-mated doped DLC contacts: a review // Tribology Letters. 2015. Т. 58. С. 1–28.
10. Левченко В.А. и др. Антифрикционные свойства алмазоподобного покрытия и алюмонитрида титана в модельных смазочных средах // Трение и износ. 2019. Т. 40. № 6. С. 706–711.
11. Матвеевский Р.М. Методы и аппаратура для оценки триботехнических свойств смазочных материалов // В кн: Смазочные материалы: Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний: Справочник. М.:Машиностроение. 1989. С. 20–47.
12. Буяновский И.А., Хрущов М.М., Самусенко В.Д. Алмазоподобные углеродные покрытия: трибологическое поведение при граничной смазке. Ч. 1. Структура, методы испытаний, смазка адсорбционным слоем // Материаловедение. 2021. № 9. С. 3–18.
