CC BY
31
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.2.082.18
АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ SiO2, СОДЕРЖАЩЕГО НАНОЧАСТИЦЫ MoS2 СО СРЕДНИМ РАЗМЕРОМ 61 нм ПРИ ТРЕНИИ ПО СТАЛИ ШХ15
А.Д. Бреки, С.Е. Александров, К.С. Тюриков, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин
Приведены результаты лабораторных исследований трения беспористого покрытия, полученного методом химического осаждения из газовой фазы, из нанокомпо-зиционного материала с матрицей из SiO2, наполненной наночастицами MoS2, со средним размером 61 нм и концентрацией 68 % по массе. Установлено, что в результате трения верчения по схеме «плоскость - плоскость» образца из подшипниковой стали ШХ15 по нанокомпозиционному покрытию наблюдаются антифрикционные эффекты относительно аналогичных испытаний покрытия из ненаполненного наночастицами диоксида кремния во всём интервале испытаний. Показано стабилизирующее действие наночастиц на процесс фрикционного взаимодействия в режиме трения верчения.
Ключевые слова: трение, наночастицы, твёрдый смазочный материал, антифрикционное покрытие, смазочный слой.
Дисульфид молибдена в виде минерала молибденита был известен ещё древним римлянам, которые путали его с графитом и PbS [1, 2]. Различия между молибденитом и графитом были обнаружены только в 1778 г. Шееле. Позднее молибденит стал основной молибденовой рудой и стал использоваться в качестве смазки. После открытия фуллерена и углеродных нанотрубок появился большой интерес к так называемым неорганическим фуллеренам, в число которых попали и замкнутые структуры из MoS2, а с открытием графена, началось исследование отдельных слоёв MoS2, что на данный момент привело к созданию транзистора на основе его монослоя [1, 3].
Дисульфид молибдена в природе встречается в виде двух фаз: молибденита и рентгеноаморфного йордисита [4], оба представляют из себя мягкие минералы свинцово-серого цвета.
Структуру Мо82 можно описать как состоящую из чередующихся пакетов «8 - Мо - 8», внутри которых атомные плоскости связаны прочными ковалентными связями, а между пакетами действуют только относительно слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия, чем и объясняются смазывающие свойства Мо82 так же, как и графита[1].
В условиях интенсификации нагрузок и скоростей в современных механизмах и машинах проблемы снижения трения и износа встают особенно остро. Одним из большого количества технических решений снижения трения и износа является создание покрытий на поверхностях трения. Наночастицы материалов, имющих слоистую структуру, потенциально могут быть использованы для смазывания различных механических приборов, которые требуют очень низких коэффициентов трения при пуске и для которых недопустимо использование жидких и консистентных смазочных материалов. Вместе с тем, использование твердых нанодисперсных смазочных материалов в виде добавок в смазочные масла в узлах трения, где реализуется жидкая смазка, дало ряд положительных результатов [5 - 12].
Представляет практический интерес выявление закономерностей влияния наночастиц дисульфида молибдена на трение в парах трения «сталь - беспористое нанокомпозиционное покрытие» для увеличения антифрикционных свойств покрытий триботехнического назначения.
В настоящее время особый интерес представляют нанотехнологии, обеспечивающие формирование нанокомпозиционных материалов в одном цикле, то есть когда в едином реакторе происходят синтез наночастиц в одной зоне реактора и осаждение композиционного покрытия в другой зоне, куда подаются дополнительные реагенты и поступают синтезируемые частицы. Несколько месяцев назад авторам удалось впервые разработать процесс плазмохимического осаждения при атмосферном давлении нано-композиционного покрытия, представляющего собой слой диоксида кремния, содержащего наночастицы дисульфида молибдена, состоящие из на-норазмерных фрагментов пакетов «8 - Мо - 8».
В границах данной работы приведены результаты исследований трения верчения стали марки ШХ15 по поверхности беспористого покрытия с матрицей из диоксида кремния, наполненного наночастицами дисульфида молибдена со средним размером 61 нм в концентрации 68 %, нанесённого на подложку из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
Предполагалось, что наночастицы дисульфида молибдена будут давать антифрикционный эффект в процессе истирания поверхностных слоёв нанесённого покрытия при своём «выходе» в область фрикционного взаимодействия.
Для исследования были взяты образцы из стали 12Х18Н10Т с нанесенными на них покрытиями из 8Ю2 и 8Ю2+68 % Мо82(61 нм). Толщина нанесенных беспористых покрытий составляла около 1 мкм. В качестве вращающегося контртела использовался цилиндрический образец (ролик) из подшипниковой стали марки ШХ-15, диаметром 10 мм. Выбранный твёрдый смазочный материал - наноразмерный порошкообразный дисульфид молибдена шарообразной формы.
Исследования проводились на машине торцового трения по схеме, приведённой на рис. 1.
Рис. 1. Схема торцового трения верчения по схеме «плоскость - плоскость»
В процессе испытаний вращающийся стальной образец своей плоской частью прижимался к плоскости зажатого в струбцине образца. Струбцина, зафиксированная на подшипниковом узле, с помощью тросика и тензобалки в процессе опыта удерживалась от поворота, сообщаемого подвижным роликом. С тензобалки на компьютер передавались данные о силе трения и действующей нагрузке. В процессе всех опытов нагрузка на пару трения составляла 250 Н, а частота вращения вала, в котором был зажат стальной ролик, составляла 450 об/мин, время трения составляло 600 с.
Вначале исследовали трение ролика из стали ШХ15 по поверхности покрытия из 8Ю2 без добавления наночастиц (рис. 2).
Время, с
Рис. 2. Зависимость силы трения верчения от времени при трении
по чистому 8Ю2
336
Наблюдались колебания силы трения, связанные с параметрами качества поверхностей пар трения. Изменение амплитуды колебаний может быть связано с колебанием силы адгезионного взаимодействия поверхностей трения в связи с интенсивным разрушением окисных плёнок (вторичных структур) при повышенной нагрузке. На графике (рис. 2) можно выделить как участки скачкообразного перехода, так и установившиеся значения силы трения. Переходы означают изменение условий фрикционного взаимодействия, а участки стабильности означают наступление квазистационарных режимов с постепенным накоплением дефектов и вторичных структур, приводящих в итоге к новому скачку. На рис. 2 можно выделить 3 квазистационарных участка: 1) сегмент t1 е [85; 200], на котором сила трения составляла - 4,5 Н; 2) сегментt2 е [340; 415], на котором сила трения составляла - 5,2 Н; 3) сегментt3 е [425; 600], на котором сила трения
составляла - 4,1 Н.
Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по чистому 8Ю2 показана на рис. 3.
1
0.9
1 08
3 0,7
2 о.б и>
& 0.5
3 0.4 и 0.3
I 02
и>
в01
| о
| -0.2 а.
о -оз и
О -0.4 ■0.5
1 $ю2 N-250. Н, п = 450 об/мин
0,7
ИЙ
шш Ф&
к. ( 0 0,014 0
0,045 / у
1 1
-0,2 -0,25
100
200
300
400
500
600
Время, с
Рис. 3. Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по чистому 8Ю2
Из рис. 3 видно, что вначале опыта имело место, скачкообразное приращение скорости изменения силы трения до значения - 0,7 Н/с, затем также скачкообразно она снизилась до значения -0,045 Н/с. Далее последовало плавное увеличение скорости до значения - 0,07 Н/с, после чего наблюдалось еще более плавное снижение скорости до 0 Н/с. Затем вектор скорости изменил направление, и скорость скачкообразно уменьшилась до значения - -0,2 Н/с, после чего также скачкообразно обратилась в 0, и начался первый квазистационарный режим трения. Далее произошёл очень
337
плавный рост скорости до значения ~ 0,014 Н/с, после чего также плавно скорость обратилась в 0, и начался второй квазистационарный режим трения. По завершении установившегося режима скорость скачкообразно уменьшилась до значения ~ -0,25 Н/с, после чего также скачкообразно обратилась в 0 и начался итоговый квазистационарный режим трения.
Далее исследовали трение ролика из стали ШХ15 по поверхности покрытия из SiO2, содержащего 68 % по массе наночастиц дисульфида молибдена размером 61 нм (рис. 4).
вЮ2+ 68 %Мо (61 нм)
" N = 250Н,
п = 450 об/мин
■ V.; ■.. * ■>. ' ■ ч" # . ■ V ■■ . ■-■ с--}.:-.'.
1 ■■ я ■■ ■ " 1. ■ ' », ,■. - *.. ■■
о!------
О 100 200 300 400 500 600
Время, с
Рис. 4. Зависимость силы трения верчения от времени при трении по покрытию 8Ю2+68%Мо82(61нм)
На графике (рис.4) также можно выделить как участки скачкообразного (либо «плавного») перехода, так и установившиеся значения силы трения. На рис. 4 можно выделить 2 квазистационарных участка: 1) сегмент t1 е [10; 65], на котором сила трения составляла ~ 2,2 Н; 2) сегмент t2 е [145; 600], на котором сила трения составляла ~ 3,1 Н.
Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по нанокомпозиционному покрытию SiO2 + 68 % MoS2(61 нм) показана на рис. 5.
Из рис. 5 видно, что в начале опыта, так же, как и в предыдущем случае, имело место скачкообразное приращение скорости изменения силы трения до значения ~ 0,55 Н/с, затем также скачкообразно она снизилась до значения 0 Н/с, и начался первый квазистационарный режим трения.
Далее последовало плавное увеличение скорости до значения 0,0225 Н/с, после чего наблюдалось плавное снижение скорости до обращения в 0 Н/с, и начался второй квазистационарный режим трения.
Разность зависимостей силы трения от времени между матрицей SiO2 (рис.2) и нанокомпозиционным покрытием SiO2 + 68 % MoS2 (61 нм) (рис. 4) показана на рис. 6.
м
о.э 0.8 к" 0.7 ¡0.6 Э"0.5 1 0.4 " 0.3
I 02 £ 01
@ о
й й1
О 0 2 &
^■0.4 ■0.5
вЮ2+ 68%МО$2(61НМ) рЬ- Л = 250Н,
0,55 п = 4зи об/мин
0 — 0£225 0
100
400
500
600
200 300
Время, с
Рис. 5. Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по нанокомпозиционному покрытию 8Ю2 + 68 %Мо82 (61 нм)
Время, с
Рис. 6. Разность зависимостей сил трения от времени между матрицей и покрытием 8Ю2 + 68 %Мо82 (61 нм)
Из рис. 6 видно, что наибольшие антифрикционные эффекты были проявлены на интервале t е [0; 425]. На интервале t е (425; 600] разность постоянна и составляет 1 Н, что говорит о некотором преобразовании как свойств наночастиц, так и покрытия в целом в условиях жёсткого фрикционного воздействия.
На основании проведённого лабораторного исследования можно сделать следующие выводы.
1. В интервале времени t е [0; 425] сила трения (коэффициент трения) при введении в матрицу наночастиц дисульфида молибдена размером 61 нм в концентрации 68 % по массе снижается до -59 % (в 2,44 раза) относительно SiO2.
2. В интервале времени t е [425; 600] сила трения (коэффициент трения) при введении в матрицу наночастиц дисульфида молибдена размером 61 нм в концентрации 68 % по массе снижается на 24,4 % относительно SiO 2, что связано с преобразованием свойств покрытия в заданных условиях фрикционного взаимодействия.
3. Наибольший квазистационарный участок t е [145; 600] выявлен у исследованного нанокомпозиционного покрытия, что также говорит о его большей фрикционной стабильности по сравнению с матрицей.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке ресурсосберегающих технологий и создании новых материалов [13 -22].
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научного проекта: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Список литературы
1. Коротеев В.О. Синтез и физико-химические характеристики низкоразмерных сульфидов молибдена на носителях из терморасширенного графита и углеродных нанотруб: дис. ... канд. хим. наук. Новосибирск, 2012. 137с.
2. Реми Г. Курс неорганической химии. Т. 2 / пер. с нем. М.: Мир, 1966. 838 с.
3. Single-layer MoS2 transistors / B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Bri-vio, V. Giacometti, A. Kis // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6. P. 147 - 150.
4. Afanasiev P. Synthetic approaches to the molybdenum sulfide materials // Comptes Rendus Chimie. 2008. V. 11. P. 159 - 182.
5. Составляющие технологического процесса создания смазочных композиционных материалов, содержащих высокодисперсные частицы слоистого модификатора трения / А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Д. А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2015. Т.1.№ 4(61). С.19-25.
6. О диспергировании в маслах дисперсных наполнителей при приготовлении смазочных композиционных материалов и в процессе функционирования узлов трения / А.Д. Бреки, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2015. Т. 1. № 4 (61). С. 51 - 54.
7. О расчёте седиментации высокодисперсного наполнителя при хранении жидкого смазочного композиционного материала / А.Д. Бреки, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев //Известия Юго-Западного государственного университета. 2015. Т. 1. № 5 (62). С. 27 - 31.
8. О качении шара и цилиндра по криволинейной поверхности с вязкой прослойкой из жидкого смазочного композиционного материала / А.Д. Бреки, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. «Техника и технологии». 2015. № 4 (17). С. 8 - 12.
9. Состояние нефтяных смазочных композиционных материалов в подшипниковых узлах в процессе тепломассообмена / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 12-1. С. 117 - 124.
10. Общие свойства и особенности взаимодействия дисперсных компонентов смазочного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Современное машиностроение. Наука и образование. 2014. № 4. С. 319 - 326.
11. Влияние антифрикционных дисперсных материалов на относительную опорную длину профиля поверхностей трения деталей / А.Д. Бре-ки, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Современное машиностроение. Наука и образование. 2014. № 4. С. 327 - 334.
12. Исследование нагрузочной способности смазочных композиций с наночастицами и Ш8е2 для железнодорожных втулок / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, М.Ю. Максимов, С.Г. Чулкин // Вопросы материаловедения. 2012. № 2 (70). С. 109 - 113.
13. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт автомобилей: учеб. пособие. / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, К.Г. Мирза, Ю.С. Дорохин, Д.М. Хонелидзе. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 174 с.
14. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М. Теория пластичности дилатирующих сред: монография / под. ред. А.Е. Гвоздева. 2-е изд. пе-рераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 337 с.
15. Влияние смазочного композиционного материала с наночасти-цами диселенида вольфрама на трение в подшипниках качения / А.Д. Бре-ки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Ю.Е. Титова // Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч1. С. 171 - 180.
16. Условия проявления нестабильности цементита при термоцик-лировании углеродистых сталей / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, А.В. Маляров, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, М.Е. Пруцков // Материаловедение. 2014. № 10. С. 31 - 36.
17. Особенности протекания процессов разупрочнения при горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д. А. Провоторов // Материаловедение. 2014. № 6. С. 48 - 55.
18. Способ получения нанопорошка меди из отходов: пат. 2014135539/02 РФ. № 2014135539/02; заявл. 02.09.14; опубл. 10.09.16.
19. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е. Обработка сталей и сплавов в интервале температур фазовых превращений: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 320 с.
20. Сопряженные поля в упругих, пластических, сыпучих средах и металлических труднодеформируемых системах: монография / Э.С. Макаров, В.Э. Ульченкова, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев; под ред. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 526 с.
21. Новые конструкционные материалы: учеб. пособие / А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, В.К. Зеленко, О.В. Кузовлева, А.Н. Сергеев, В.Ю. Ку-зовлев, А. А. Калинин, А.В. Маляров / под общ. ред. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 296 с.
22. Материаловедение: учебник для вузов. Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Стариков, В.И. Золотухин, А.Д. Бреки; под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 469 с.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, al-breki@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Александров Сергей Евгеньевич, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, sevgalexandrov@gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Тюриков Кирилл Сергеевич, асп., tmet@ftim. spbstu. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@,tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Калинин Антон Алексеевич, инженер, technology@,tspu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANTIFRICTION PROPERTIES OF THE COATING ON THE BASIS OF SiO2 CONTAINING THE NANOPARTICLES OF MOS2 WITH THE MEDIUM SIZE OF 61nm WITH THE FRICTION ON THE STEEL SHKH15
A.D. Breki, S.E. Alexandrov, K.S. Tiurikov, A.E. Gvozdev, A.A. Kalinin
The paper presents the results of laboratory studies of the friction of a nonporous coating obtained by chemical vapor deposition from a nanocomposite material with a matrix of SiO2 filled with MoS2 nanoparticles with an average size of 61 nm and a concentration of 68% by mass. It has been established that as a result offriction of the "plane-plane" rotation of the sample from ShKh15 bearing steel in the nanocomposite coating, antifriction effects are observed with respect to analogous tests of a coating of nanoparticulate silicon dioxide in the entire test interval. The stabilizing effect of nanoparticles on the process of frictional interaction in the frictional friction mode is shown.
Key words: friction, nanoparticles, solid lubricant, antifriction coating, lubricating
layer.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, assistant manager of chair, albreki@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Alexandrov Sergey Evgenevich, doctor of chemistry sciences, professor, head of chair, sevgalexandrov@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Tiurikov Kirill Sergeevich, postgraduate, tmet@ftim. spbstu. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Gvozdev Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University of L.N. Tolstoy,
Kalinin Anton Alekseevich, engineer, technology@,tspu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
