CC BY
18
УДК 621.891:519.28 doi: 10.18698/0536-1044-2022-4-73-86
Исследование механизмов трения и оценка трибологических характеристик твердосмазочных покрытий, нанесенных разными методами
П.Н. Хопин
МАИ
On the Friction Mechanisms and Assessment of Tribological Characteristics of Solid Lubricant Coatings of Various Application Methods
P.N. Khopin
Moscow Aviation Institute
Проанализирована динамика изнашивания твердосмазочных покрытий (ТСП), нанесенных суспензионным, магнетронно-высокочастотным и диффузионным методами. Приведены расчетные зависимости для оценки их триботехнических характеристик. Установлено, что ресурс ТСП на основе МоБг высокочастотного нанесения в рассмотренных диапазонах варьирования поверхностной температуры незначительно отличается от такового для ТСП суспензионного нанесения ВНИИ НП 212. Износ диффузионных ТСП Димолит-4 (М-804) при установившемся режиме трения составляет 34 мкм. Интенсивность изнашивания диффузионных ТСП М-804 в условиях вакуума при скорости скольжения 0,2 м/с и повышении контактного давления с 1 до 8 МПа увеличивается в 2 раза и в среднем в 4,5 раза выше, чем у пар трения с ТСП ВНИИ НП 212. Антифрикционные характеристики диффузионных ТСП в установившемся режиме трения до температур 600 °С несколько превышают таковые для ТСП со связующими. С повышением температуры нагрева до предельного значения (800 °С) коэффициент трения диффузионных ТСП М-801 и М-810 (на основе NbS2) снижается до 0,03.. .0,04.
Ключевые слова: твердосмазочные покрытия, магнетронно-высокочастотное нанесение, триботехнические характеристики, нормальные атмосферные условия
The article analyzes the wear dynamics of solid lubricant coatings (SLC) of suspension, magnetron-high-frequency and diffusion methods of application. Calculated dependences are presented to assess the tribotechnical characteristics of the SLC. It was found that the service life of SLC based on MoS2 HF application in the considered ranges of surface temperature variations differs slightly from the that of SLC suspension application VNII NP 212. The wear of diffusion SLC M804 (Dimolit-4) in the steady-state friction mode is 34 |^m. The wear rate of diffusion SLC М804 under vacuum conditions at a sliding speed of V = 0.2 m/s with the increase in contact pressure from 1 to 8 MPa increases by a factor of 2 and is on average 4.5 times higher than that of friction pairs with SLC VNII NP 212. Anti-friction characteristics of diffusion SLC in steady state friction modes at temperatures up to 600 °C were slightly higher than the similar characteristics for SLC with a binder. With an increase in heating temperatures to the limiting value of 800 °C, the fric-
tion coefficient of the diffusion SLC M801 and M810 (based on NbS2) decreases to the values off = 0.03-0.04.
Keywords: solid lubricant coatings, magnetron-high-frequency application, tribotechnical characteristics, normal atmosphere
Твердосмазочные покрытия (ТСП), нанесенные разными методами [1-3], получили широкое распространение в авиакосмической, автомобилестроительной, металлургической и других отраслях промышленности. Для узлов трения, функционирующих в условиях вакуума (УВ), применяют ТСП на основе дисульфида молибдена (Мо82) [4, 5]. Согласно результатам исследований [5], температура деструкции Мо82 в нормальных атмосферных условиях (НАУ) составляет 450 °С, а в УВ достигает 1100 °С и зависит от степени разряжения.
К недостаткам дисульфида молибдена, используемого в качестве наполнителя ТСП, относится окисляемость как в НАУ [6], так и в УВ [7]. В связи с этим перспективными соединениями являются диселениды молибдена, у которых отсутствует явление возрастания коэффициента трения/тр [8, 9].
Самыми распространенными методами нанесения ТСП являются: суспензионный, маг-нетронный, радиочастотный, с диффузионной обработкой основы (для стальных и титановых подслоев — с предварительным нанесением подслоя). Каждый метод нанесения ТСП имеет отличительные особенности, а в некоторых случаях происходит по различным механизмам трения.
Цель работы — изучение динамики изнашивания ТСП, нанесенных разными методами, и прогнозирование триботехнических характеристик получаемых покрытий для различных условий эксплуатации.
Методика исследований. Суспензионное нанесение ТСП. Сканирование поверхности образца с ТСП суспензионного нанесения на основе Мо82 (далее ТСПсн) ВНИИ НП 212 (Мо82 + мо-чевино-формальдегидная смола) в исходном и приработанном состояниях осуществляли с помощью растрового микроскопа 8ирегРгоЬе-733 японской фирмы |ЕОЬ во вторичной электронной эмиссии при ускоряющем напряжении Е = = 25 кВ и силе тока I = 3-108 А.
Пары трения изготавливали из закаленной стали ШХ15. Микроанализ указанных поверхностей проводили с использованием анализа-
тора LINK серии 860 (Великобритания-Япония) на основе бомбардировки поверхности электронами с последующим анализом рентгеновского спектра излучения. Профило-метрирование выполняли на профилографе — профилометре модели 252 завода «Калибр». ТСПсн наносили по методике ВНИИ НП с помощью механизированного приспособления.
Триботехнические испытания осуществляли на модернизированной установке с применением машины трения типа РП для комплексных испытаний на трение на испытательном стенде шайба — диск (по торцевой схеме трения) и на стенде для изучения трения и износа в вакууме (рис. 1, 2).
В ходе испытаний непрерывно измеряли коэффициент трения путем тензометрирования и поверхностную температуру с помощью термопары, укрепленной в специальном отверстии неподвижного образца, с последующим пересчетом измеренной температуры к поверхностной, оцениваемой с помощью термопары, закрепленной с наружной поверхности при имитации фрикционного нагрева после каждого опыта.
Комплексные исследования ресурса т, коэффициента трения _/Гр и поверхностной температуры трения (далее температура трения) Ттр пар трения с ТСПсн ВНИИ НП 212 в УВ выполняли с использованием математического планирования экспериментов по методу центрального композиционного ротатабельного униформ-планирования (ЦКРУП) второго порядка на стенде для изучения трения и износа в УВ (см. рис. 1, 2). В качестве влияющих факторов использовали контактную нагрузку N и скорость скольжения v. Диапазоны варьирования факторов приведены в табл. 1.
Приработку образцов проводили в разряженной атмосфере по достижении заранее заданной глубины вакуума (рв = 4 мПа). В процессе испытаний осуществляли непрерывную запись значений параметров /тр и Ттр. После испытаний на контробразце измеряли дорожки трения, соответствующие каждому опыту, после чего определяли зависимости контактного давления газа р от контактной нагрузки N
2 3 4 5 6 7 8
13 12 11 10 9
Рис. 1. Внешний вид стенда для изучения трения и износа пар трения с ТСПСн в УВ: 1 — форвакуумный механический насос ВН-7; 2 — привод типа ТХ 1-60 (тахометрическая установка); 3 — фланцы соединений с откачными насосами; 4 и 5 — вакуумный ввод вращения и фланец его крепления; 6 и 11 — вакуумная камера и ее днище; 7 — съемная крышка; 8 — измерительные вакуумные лампы; 9 — опорная рама; 10 — смотровое окно; 12 — карданные развязки; 13 — высоковакуумный агрегат ВА-8-Пр
Рис. 2. Внешний вид нагрузочно-измерительного механизма стенда для изучения трения
и износа в вакууме
и скорости скольжения — р = /(Ы, у) или зависимости N = ф(р, у), которые использовали при пересчете контактной нагрузки N в контактное давление р.
Магнетронно-высокочастотное нанесение ТСП. Триботехнические испытания пары трения с ТСП проводили в УВ на установке Мису-оси [10, 11] (рис. 3, а), работающей по схеме
Таблица 1
Уровни и диапазоны варьирования факторов в эксперименте по методу ЦКРУП второго порядка при исследовании триботехнических характеристик пар трения с ТСПСН ВНИИ НП 212 в УВ
Фактор Диапазон варьирования основной Уровень верхний нижний Звездные точки +а -а
V, м/с 0,148 0,295 0,443 0,147 0,504 0,087
N, Н 245,00 933,45 1178,45 688,45 1278,9 588,00
шар — диск (рв = 7-10-7 Па), и установке Спал-винса [12] (рис. 3, б), функционирующей по схеме диск — шар (рв = 1,33 • 107 Па).
Основные параметры триботехнических испытаний на установке Мисуоси: материал диска и шара — нержавеющая сталь 440 С; контактная нагрузка N = 5,9 Н, скорость скольжения V = 0,2 м/с. Характеристики исследуемых ТСП: материал основы — нержавеющая сталь 440 С; ТСП на основе Мо82 магнетронного нанесения (далее ТСПмн) толщиной 1,0 ±0,2 мкм, ТСПсн с полиамид-имидным связующим.
Основные параметры трибоиспытаний на установке Спалвинса: материал диска и шара радиусом Я = 4,75 мм — нержавеющая сталь 440 С. Перед нанесением покрытия выполняли предварительную очистку образца, на который подавали отрицательный потенциал 2...5 кВ по отношению к экрану.
Для нанесения большинства пленок использованы следующие параметры высокочастотного нанесения покрытия: частота — 7 МГц; среда — аргон; потребляемая мощность — 400 Вт; отраженная мощность — около 2 Вт; выход постоянного тока — 500 В; целевое напряжение — 1,2.1,3 кВ; расстояние до образца — 2,54 см; скорость распыления — около 15 нм/мин. Температура образца, контролируемая термопарой во время нанесения ТСП, составляла около 90 °С.
а б
Рис. 3. Схемы трибовакуумных испытаний пары трения с ТСП в условиях вакуума на установках Мисуоси (а) и Спалвинса (б)
ТСП, полученное химико-термической обработкой основы. Исследуемые ТСП созданы химико-термической обработкой молибденовой основы или нанесением молибденового слоя на рабочую поверхность металлических поверхностей (стальных, титановых и др.) с последующим сульфидированием, в результате которой образуются ТСП диффузионного типа (далее ТСПд) на основе Мо82.
Трибоиспытания проводили в УВ (рв = = 0,1.1,0 мПа). Исследовали пару торцевого трения диск — кольцо, изготовленную из стали 07Х16Н6 с нанесенными на обе поверхности ТСПд Димолит-4 (М-804) [13].
Оценку антифрикционных характеристик проводили для ТСПд Димолит-1 (М-801) и Ди-молит-10 (М-810), полученных соответственно высокотемпературным сульфидированием молибденовой и ниобиевой основы и ТСПСН ВНИИ НП 229 (Мо82 + силикат натрия) в паре с молибденом [14].
Трибологические испытания проводили на установке ВВТ-1 по схеме вращающийся вал — втулка. Вал из исследуемого материала изготавливали диаметром 10 мм. Втулку для испытаний ТСПд Димолит-1 выполняли из молибдена, для вала из М-810 — из ниобия. Для ТСПд толщина составила 40.50 мкм, для ТСПсн ВНИИ НП 229 — 10.12 мкм.
Условия испытаний: разряжение в рабочей камере рв = 2-10~5.2-10~4 Па; скорость скольжения V = 0,265 м/с; температура образцов — 20.1000 °С. Нагрузка в опытах составляла 254,8 Н, что соответствовало контактному давлению р = 1,57 МПа. При большей нагрузке даже в опытах без нагрева покрытие разрушалось (наблюдалось резкое возрастание _/Гр).
Результаты исследования. Суспензионное нанесение ТСП. Механизм трения описан в работах [15-17]. На основе исследования топографии поверхности трения ТСПсн ВНИИ НП 212 (растровой электронной микро-
скопии, профилометрирования, элементного микроанализа) определены функции отдельных компонентов композиционного ТСПсн, нанесенного на металлическую подложку, при нагрузках, не превышающих предела текучести материала основы.
Выявлено, что ресурс работы ТСПсн определяется долговечностью связующего, антифрикционные свойства — наполнителями (дисульфидом молибдена, графитом и пр.), а контактная нагрузка воспринимается микронеровностями основы.
В результате исследований [18] установлено, что оптимальная толщина ТСПСН колеблется от §внии нп = 20 ± 5 мкм (согласно отечественным литературным источникам) до §мл8л = = 7,62...12,7 мкм (согласно инструкции ЫЛ8Л). Экспериментальная зависимость ресурса пары трения с ТСПсн ВНИИ НП 212 от толщины покрытия, полученная на машине трения типа МИ (по роликовой схеме трения) [15], приведенная на рис. 4, подтверждает сделанный ранее вывод.
При трении исходная толщина ТСПсн (~20 мкм) уменьшается настолько (до 2.3 мкм), что наиболее высокие микронеровности контактируют через смазочную пленку Мо82. Оптимальная шероховатость обработки основы перед суспензионным нанесением покрытия Яа = = 0,3.0,6 мкм.
В процессе приработки хаотично расположенные в связующем частицы Мо82 ориентируются вдоль поверхности трения, обеспечивая резкое снижение коэффициента трения. Динамика изнашивания ТСПСН ВНИИ НП 212 показана на рис. 5, где на этапе приработки толщина этого покрытия §првнии нп = 17,5 мкм
т, мин
80 60 40 20
0 10 20 30 40 50 8, мкм
Рис. 4. Экспериментальная зависимость ресурса т
пары трения с ТСПсн ВНИИ НП 212 от его толщины §, полученная на машине трения типа МИ
-X п
тшш^шштт
•х- V
шшшшш жШШШШШ и
Рис. 5. Динамика изнашивания ТСПСН ВНИИ НП 212:
I — этап приработки (1 — частицы Мо82; 2 — связующее);
II — установившийся режим трения (3 — приработанный
слой ориентированных частиц Мо82); III — металлическая основа
и §пр ылзл = 10,2 мкм, в установившемся режиме трения (§уст = 2.3 мкм).
Согласно полученным данным, независимо от исходной толщины ТСПсн основная часть изношенного слоя (75.80 %) приходится на этап приработки и лишь 20.25 % — на установившийся режим трения. Таким образом, именно смазочная пленка толщиной 2.3 мкм обеспечивает функционирование пары трения в течение почти всего срока службы покрытия. Рентгеноструктурный анализ показал, что толщина ТСПсн в начальный период составляет 2.5 мкм, а в период задира — 0,4.0,6 мкм.
Оценка трибологических характеристик для
НАУ и УВ. По результатам экспериментальных исследований установлено, что ресурс узлов трения с ТСПСН со связующим главным образом зависит от температурного состояния поверхностей трения [17]. Для расчета ресурса рассматриваемых пар трения с ТСПсн разработан алгоритм, включающий в себя следующие шаги:
• оценку температуры трения Ттр с использованием универсальных корреляционных зависимостей Ттр от нагрузочно-скоростных параметров работы узла (контактного давления р и скорости скольжения у);
• расчет ресурса т пар с ТСПсн с использованием термокорреляционных зависимостей т = =/(ТТр) для НАУ и УВ.
На первом этапе расчетов использованы зависимости Ттр = /(р, у) для различных схем трения и диапазонов варьирования факторов в НАУ (табл. 2), приведенные в работе [17].
На втором этапе расчетов в качестве исходных зависимостей использованы результаты
Таблица 2
Зависимости Ттр = /(р, V) для различных схем трения и диапазонов варьирования факторов в НАУ
Тип ТСП на основе Мо82 Диапазон варьирования
Схема трения N Н (р, МПа) V, м/с Зависимость Ттр = /(р, V), °С
ВНИИ НП 212 Роликовая 236.1337 0,096.1,224 Тр = 36,49 + 132^ + 0,535р + (модернизированная (23,1.133,7) + 0,234рк - 47^2 - 2,094-10-3-р2 машина трения РП)
Роликовая (машина трения СМТ) 210.1790 (12,2.103,5) 1,472.3,728 Ттр = 119,35 + 10^ + 0,065р + + 0,335рv
Мо1уко1е 7409 Торцевая 755.9045 0,11.0,25 Тр = 67,27 - 98^ + 0,464р + (стенд шайба — диск) (5,6.67,2) + 6,42рv - 0,011р2
исследований пар с ТСПсн, приведенные в работе [15] и полученные автором экспериментально.
При определении термокорреляционной зависимости х = /(Ттр) в НАУ использованы данные для пар трения с ТСПсн на основе М082 с мочевино-формальдегидной смолой К4-11-02. В результате интерполяции экспериментальных данных с помощью программы МЛТЬЛВ получена следующая зависимость [19]:
х = -3,528 -106 Тр + 0,003341^ -1,085Т2р + + 131,4!тр -3243.
Для сравнительной оценки ресурса рассматриваемых пар трения с ТСП применительно к различным условиям эксплуатации на рис. 6 [20] приведена графическая интерпретация термокорреляционной зависимости х = /(Ттр) для пар трения с ТСПсн ВНИИ НП 212 в УВ.
Для диапазона температуры трения Ттр = = 12.144 °С указанная зависимость описывается выражением
х = 0,3504!т2р -117,81Ттр + 10046.
Анализ зависимостей, приведенных на рис. 6, показал следующее:
• в УВ при снижении температуры трения ресурс пар с ТСПсн постоянно растет; при Ттр > > 100 °С он оказывается ниже, чем в НАУ;
• в НАУ при Ттр < 100 °С механизм трения пар с ТСПсн носит абразивный характер, так как температурный режим трения недостаточен для образования смазочной пленки Мо82, ориентированной вдоль поверхности трения, что проявляется в повышенном значении коэффициента трения /тр.
Для оценки антифрикционных характеристик пар трения с ТСПсн можно использовать
корреляционные зависимости коэффициента трения /тр от температуры Ттр, приведенные в работе [21].
Корреляционная зависимость /т? = /(Ттр) для ТСПсн ВНИИ НП 212 применительно к НАУ получена путем обработки результатов экспериментальных исследований при повышенной температуре и в НАУ на модернизированной установке для комплексных испытаний на трение при повышенной температуре трения для диапазона Ттр = 74.336 °С:
/трнау = 0,01197 + 8,881/ Т тр.
Для УВ аналогичная зависимость в диапазоне температуры трения Ттр = 12.144 °С [20] адекватно описывается выражением
/трУВ = 0,381Т
тр
т -10 3, мин
Рис. 6. Термокорреляционные зависимости ресурса х пары трения с ТСПСН ВНИИ НП 212 от температуры трения Тр в НАУ ( ) и УВ ( )
Таблица 3
Антифрикционные характеристики пар трения с ТСПсн ВНИИ НП 212 в НАУ и УВ
Ттр, °С /трНАУ ЛрУВ ЛрНАУ / /грУВ
12 0,7520* 0,1380 5,47
45 0,2090* 0,0800 2,62
78 0,1260* 0,0639 1,97
111 0,0920 0,0553 1,66
144 0,0736 0,0497 1,48
* Данные получены интерполяцией по расчетной зависимости.
Антифрикционные характеристики пар трения с ТСПсн ВНИИ НП 212 для НАУ и УВ в диапазоне температуры трения Ттр = 12.144 °С приведены в табл. 3.
Анализ данных табл. 3 показывает, что для рассмотренного диапазона температуры трения Ттр коэффициенты трения пары с ТСПсн ВНИИ НП 212 для НАУ в 1,5-5 раз выше, чем для УВ.
Магнетронно-высокочастотное нанесение ТСП. Механизм изнашивания. Согласно данным работы [10], толщина ТСПмн и ТСП на основе Мо82 высокочастотного нанесения (далее ТСПвн), обеспечивающая высокую износостойкость, составила 1±0,2 мкм при шероховатости поверхности покрытия Яа = 0,032 мкм (причем для ТСП толщиной 8 = 0,2 мкм ресурс покрытия существенно снижался). Шероховатость полированной подложки Яа = 0,009 мкм.
Оптимальная шероховатость основы перед нанесением ТСПмн [6] Яа = 0,2 мкм для металлической основы (подшипниковой стали 52100). С увеличением шероховатости Яа поверхности основы перед магнетронным нанесе-
нием ТСП с 0,05 до 0,40 мкм коэффициент трения /р снижается от 0,05 до 0,02.
В работе Т. Спалвинса [22] приведена динамика износа ТСПмн и ТСПвн (рис. 7). Описанный механизм трения магнетронно-высокочастотно напыленной пленки Мо82 в целом схож с механизмом трения приработанной суспензионной дисульфидмолибденой пленки.
Во время приработки ТСП толщиной 8 = = 1 мкм происходит разрушение его верхнего слоя (около 80 %) и формирование смазочной пленки толщиной 8пр = 0,2 мкм, обеспечивающей практически весь ресурс покрытия.
Результаты сравнительных трибоиспытаний
в УВ. Анализ результатов проведенных исследований показал, что у пары трения ТСПмн ресурс в 2,51 раз меньше, чем у пары трения с ТСПСН ВНИИ НП 212, и в 3,65 раз ниже, чем у аналогов зарубежного производства.
В результате дальнейших исследований выявлены термокорреляционные зависимости ресурса пары трения с ТСП на основе Мо82, нанесенными разными методами в УВ, от температуры трения Ттр, приведенные на рис. 8. Здесь показаны результаты эксперимента для ТСПмн и ТСПвн [18, 21], для ТСПсн ВНИИ НП 212 и ТСПСН с полиамид-имидным связующим [10].
Зависимость ресурса пар трения с ТСПвн от температуры трения Ттр подчиняется экспоненциальному закону. Для диапазона температуры трения Ттр = 55.112 °С она удовлетворительно описывается выражением
т = 39851е-°,°39Гт>.
Коэффициент детерминации этой зависимости Я2 = 0,9993.
5эф = 0,2 мкм
Рис. 7. Структура смазочной пленки ТСПМН: а — морфологический рост напыленных пленок М082; б — перелом напыленной пленки М082 при скольжении; 1 — подложка; 2 — формирование гребня; 3 — зона столбчатых структур; 4 — скольжение; 5 — перелом; 8эф — эффективная толщина ТСП
т 10 , мин
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
0 50 100 °С
Рис. 8. Термокорреляционные зависимости ресурса т
пары трения с ТСП на основе Мо82, нанесенными разными методами в УВ, от температуры трения Т^: ♦ — результаты эксперимента для ТСПмн и ТСПвн; ▲ и — результаты эксперимента для ТСПсн ВНИИ НП 212 и ТСПсн с полиамид-имидным связующим;
--экспоненциальная зависимость /тр = /(Тр)
для ТСПмн и ТСПвн;---зависимость /тр = /(Тр)
для ТСПсн ВНИИ НП 212
Анализ зависимостей т = /(Ттр), приведенных на рис. 8, показывает, что ресурс ТСПвн в рассмотренных диапазонах температуры трения Ттр незначительно отличается от ресурса т ТСПСН ВНИИ НП 212 и ТСПсн с полиамид-имидным связующим в УВ. С повышением Ттр ресурс указанных пар с ТСП снижается по зависимости, близкой к экспоненциальному закону.
В результате проведенных исследований показано, что у рассматриваемых видов ТСП в УВ коэффициент трения изменяется в пределах
0,02.0,07, а его среднее значение в установившемся режиме составляет 0,0418.
ТСП, полученное химико-термической обработкой основы. Механизм изнашивания.
В литературе описаны ТСП, полученные химико-термической обработкой молибденовой основы или нанесением молибденового слоя на рабочую поверхность металлических поверхностей (стальных, титановых и др.) с последующим сульфидированием, в результате которой образуются ТСПд на основе Мо82 [23, 24] (табл. 4).
Динамика изнашивания пар трения с ТСПд приведена в работе [13], где в УВ (р = = 0,1.1,0 мПа) исследована пара торцевого трения диск — кольцо, изготовленная из стали 07Х16Н6 с нанесенными на обе поверхности ТСПд Димолит-4.
Анализ приведенных в работе [13] графиков показал, что весь период трения подвижных образцов можно разделить на три этапа: приработку продолжительностью Тпр = 2 ч, установившийся режим Туст.тр = 60 ч и катастрофический износ Ткат.изн = 2 ч.
Основные расчетно-экспериментальные три-бологические параметры пары трения с ТСПд Димолит-4 в УВ (рв = 0,1.1,0 мПа) приведены в табл. 5, где индекс «п» соответствует подвижному образцу, индекс «н» — неподвижному, индекс «ср» — среднему значению параметра.
Исходя из предположения, что динамики изнашивания диффузионных покрытий типа Димолит подобны, схему изнашивания ТСПд можно представить в виде, приведенном на рис. 9.
Таблица 4
Основные характеристики ТСП химико-термического типа
ТСП Состав Толщина, мкм Микротвердость, НУ/, Примечание
Димолит-1 (М-801) Жаропрочная молибденовая основа (подложка — Мо) + Мо82 5.120 600.900 Диапазон рабочих температур ДТ = = -196.850 °С; температура синтеза Тс = 550.700 °С. ТСП хорошо проявило себя в условиях возвратно-вращательного движения
Димолит-2 (М-802) Мо82 + РЬ (подложка — Мо) 10.80 900.1000 ДТ = до 900 (1000) °С, Тс = 650.750 °С. ТСП обеспечивает более высокие несущую способность и износостойкость, чем Димолит-1
Таблица 5
Расчетно-экспериментальные трибологические параметры пары трения с ТСПд Димолит-4
в УВ (рв = 0,1.1,0 мПа)
Окончание табл. 4
ТСП Состав Толщина, мкм Микротвердость, HVh Примечание
Димолит-3 (М-803) Твердый раствор ZnS в МоS2 (подложка — Мо) 10.80 3500.5000 ДТ = до 350 (450) °С, Тс = 900 °С. ТСП имеет более высокие твердость и износостойкость, но повышенную хрупкость. ТСП получают на стальных и титановых деталях предварительным нанесением молибденового слоя + сульфидированием
Димолит-4 (М-804) МоS2 с сульфидами Fe, Сг, N1 (основа — высо-кохромная сталь) 10.250 1000.2500 ДТ варьируется от криогенных температур до 400.600 °С, Тс = 500 и 600 °С. На высокохромистых сталях (например, 20Х13). Основа — МоS2, легированный сульфидами основных элементов стальной основы ^е, Сг, N1). Это ТСП получило наибольшее распространение
Димолит-10 (М-810) МоS2 + PbS (на ниобии) Спеченный материал, имеющий самую высокую несущую способность. Эффективны в высокоскоростных подшипниках скольжения
Димолит-12 (М-812) МоS2 + PbS и FeMo - - То же
Этап наработки Наработка при трении, ч Линейная интенсивность изнашивания Путь трения, км Износ, мкм
Тп Тн Тср к п-109 к н-109 к ср-109 Lп Lн Lср §н §п §ср
Приработка 2 2 2,0 2,3 2,5 2,40 1,4 1,4 1,40 3,20 3,5 3,35
Установившийся режим 60 61 60,5 0,6 1,0 0,80 41,8 42,5 42,17 25,10 42,5 33,80
Катастрофический износ 2 2 2,0 0,8 1,5 1,15 1,4 1,4 1,40 1,12 2,1 1,61
Анализ ТСПд (см. рис. 9) позволяет предположить следующее:
• этап приработки при износе §пр = 3,35 мкм вызван необходимостью выравнивания микронеровностей и отклонений формы контактирующих поверхностей;
• на этапе установившегося трения, когда интенсивность изнашивания в 10 раз ниже, чем на этапе приработки (0,8 10-9) и в целом соответствует интенсивности изнашивания ТСПсн (0,9-10-9), наступает режим оптимального износа для данной структуры трения;
• однако в отличие от ТСПсн, где трение реализуется в тонком поверхностном слое (2.3 мкм) на металлической шероховатой основе, в ТСПд, вероятно, вследствие более низкой прочности смазочной структуры в установившемся режиме изнашиваются слои толщиной 33,8 мкм; при этом значения антифрикционных характеристик остаются на уровне приработанных пленок ТСП.
Оценка триботехнических характеристик для условий вакуума. Для оценки интенсивности
10
Рис. 9. Динамика износа ТСПд в УВ: 1 — износ на этапе приработки 8пр = 3,35 мкм; 2 — износ в установившемся режиме трения 8уст = 33,8 мкм; 3 — металлическая основа (сульфидированное молибденовое покрытие стальной основы Димолит-4 или сульфидированная молибденовая основа для Димолит-1)
линейного изнашивания рассматриваемых ТСП использованы результаты исследования работы [13], где приведены зависимости интенсивности изнашивания I, от контактного давления р (рис. 10).
С использованием данных автора для пар с ТСПсн ВНИИ НП 212 на указанном графике также показана аналогичная зависимость, полученная пересчетом диапазонов изменения параметров температуры трения Ттр:
т= 10804,7-34849у-66,75р +
+ 22791,34у2 + 166,03ур, (1)
где р = 61.121 МПа; V = 0,087.0,500 м/с.
Зависимость (1) получена для УВ (рв = = 4 мПа) и температуры трения Ттр в диапазоне 83.144 °С, рассчитываемой по выражению
Ттр = 3,31 + 291,64V + 0,643р - 282,19^.
Скорость скольжения для условий эксперимента Б.П. Нажесткина V = 0,2 м/с попала в диапазон изменения этого параметра для ТСПсн ВНИИ НП 212. Диапазон контактного давления р = 1.8 МПа вышел за пределы, исследованные при получении зависимости (1).
Анализ приведенных на рис. 10 зависимостей показывает следующее:
• при увеличении контактного давления с 1 до 8 МПа интенсивность линейного изнашивания ТСПд в УВ повышается в 2 раза;
• интенсивность линейного изнашивания пар трения с ТСПд Димолит-4 в среднем в 4,5 раза выше, чем у пар с ТСПсн ВНИИ НП 212.
В результате аппроксимации экспериментальных данных для рассматриваемых ТСП
8 р, МПа
Рис. 10. Зависимости интенсивности изнашивания 1н от контактного давления р пар трения с ТСП в УВ (рв = 0,1.1,0 мПа) при температуре нагрева Тн = 298 К и скорости скольжения V = 0,2 м/с:
♦ и--результаты эксперимента Б.П. Нажесткина для
ТСПд Димолит-4 и их аппроксимация по выражению (2); и — результаты эксперимента для ТСПсн ВНИИ НП 212 и их аппроксимация по выражению (3)
Рис. 11. Зависимости коэффициента трения/тр в установившемся режиме трения от температуры нагрева Тн в УВ для дисульфидмолибденовых покрытий разного типа: , , ▲, х — результаты эксперимента для ТСПд Димолит-1 и Димолит-10, ТСПсн ВНИИ НП 229 и ВНИИ НП 212 соответственно; • и + — данные расчета для ТСПд Димолит-1, Димолит-10 и СПсн
ВНИИ НП 229 соответственно;-----степенная
зависимость /тр = /(Тн) для ТСПсн ВНИИ НП 212;
....... и----зависимость /тр = /(Тн) для ТСПсн
ВНИИ НП 229 и ТСПд Димолит 10
в УВ, приведенных на рис. 10, получены следующие выражения:
• для ТСПд Димолит-4 (Я2 = 0,9858)
I, = 3-10-10р + 2-10-9; (2)
• для ТСПсн ВНИИ НП 212 (Я2 = 0,999)
1к = 7-10-11р + 4-10-10. (3)
Результаты оценки антифрикционных характеристик ТСПд Димолит-1 и Димолит-10 приведены в работе [14]. После обработки экспериментальных зависимостей коэффициента трения от температуры нагрева Тн в УВ для пар трения с ТСПд и ТСПсн получены зависимости, приведенные на рис. 11. Там же показаны расчетные зависимости для ТСПд Димолит-1, Димолит-10 и ТСПсн ВНИИ НП 229, а также степенная зависимость, построенная с использованием зависимости = ДТтр) после наработки в условиях космоса [20] для ТСПсн ВНИИ НП 212.
Как видно из рис. 11, антифрикционные характеристики ТСПд в установившемся режиме трения при температуре нагрева до 600 °С несколько выше, чем для ТСПСН со связующими. С ростом температуры нагрева до предельного значения (800 °С) коэффициенты трения ТСПд Димолит-1 и Димолит-10 снижаются до 0,03.0,04.
Выводы
1. Анализ результатов исследования ТСПсн позволил выявить следующее:
• по отечественным данным, оптимальная толщина покрытия составляет 20 ± 5 мкм, по зарубежным — 7,62.12,7 мкм;
• независимо от исходной толщины ТСПсн основная часть изношенного слоя (75.80 %) приходится на период приработки и лишь 20.25 % — на установившийся режим трения;
• в НАУ механизм трения пар с ТСПсн при Ттр <100 °С носит абразивный характер, так как температурный режим трения недостаточен для образования смазочной пленки МоS2, ориентированной вдоль поверхности трения; при Ттр >100 °С образуется эффективная смазочная пленка толщиной 2.3 мкм, которая обеспечивает практически весь ресурс фрикционного сопряжения;
• ресурс и антифрикционные характеристики рассмотренных пар трения с ТСП главным
образом зависят от температурного состояния поверхностей трения; как для НАУ, так и для УВ указанные показатели с повышением температуры трения снижаются;
2. Результаты исследования ТСП магне-тронно-высокочастотного нанесения позволяют заключить:
• при приработке ТСП толщиной § = 1 мкм происходит разрушение верхнего слоя (около 80 %) и формирование смазочной пленки толщиной §пр = 0,2 мкм, обеспечивающей практически весь ресурс покрытия;
• ресурс ТСПмн и ТСПвн оказался в 2,51 раза меньше, чем у ТСПСН ВНИИ НП 212, и в 3,65 раза ниже, чем у аналогов зарубежного производства;
• в УВ ресурс ТСПвн в рассмотренном диапазоне температуры трения Ттр незначительно отличается от такого для ТСПсн ВНИИ НП 212 и ТСП с полиамид-имидным связующим для УВ; с повышением температуры трения Ттр ресурс указанных пар трения с ТСП снижается по зависимости, близкой к экспоненциальному закону;
• в УВ коэффициент трения ТСПмн увеличивается с 0,02 до 0,07.
3. По результатам исследования ТСПд установлено:
• в отличие от ТСПсн, где трение реализуется в тонком поверхностном слое (2.3 мкм), в ТСПд, вероятно, вследствие более низкой прочности смазочной структуры в установившемся режиме трения изнашиваются слои толщиной 34 мкм;
• в УВ при скорости скольжения V = 0,2 м/с и увеличении контактного давления с 1 до 8 МПа интенсивность линейного изнашивания ТСПд повышается в 2 раза;
• в УВ интенсивность линейного изнашивания пар с ТСПд Димолит-4 в среднем в 4,5 раза выше, чем у пар с ТСПсн ВНИИ НП 212;
• антифрикционные характеристики ТСПд в установившемся режиме трения до температуры нагрева 600 °С несколько превышают таковые для ТСПСН со связующим; с повышением температуры нагрева до предельного значения (800 °С) коэффициенты трения ТСПд Димолит-1 и Димолит-10 снижаются до 0,03.0,04.
Литература
[1] Дроздов Ю.Н., Юдин Е.Г., Белов А.И. Прикладная трибология (трение, износ и смазка).
Москва, Экопресс, 2010. 604 с.
[2] Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные мате-
риалы космических механизмов. Санкт-Петербург, БГТУ, 2007. 54 с.
[3] Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C. et al. Advantages of using self-lubricating, hard, wear-
resistant MoS2-based coatings. Surf. Coat. Technol., 2001, vol. 142-144, pp. 67-77, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01108-2
[4] Мышкин Н.К., Басинюк В.Л., Ковальчук Г.Ф. и др. Космическая трибология: состоя-
ние и перспективы. Механика машин и механизмов и материалов, 2012, № 3-4, с. 126-130.
[5] Сентюрихина Л.Н., Малышев Б.И., Опарина Е.М. и др. Твердая высоковакуумная вы-
сокотемпературная смазка. Химия и технология топлив и масел, 1961, № 7, с. 13-15.
[6] Robertst E.W., Williamst B.J., Ogilvy J.A. The effect of substrate surface roughness on the
friction and wear of sputtered MoS2 films. J. Phys. D: Appl. Phys., 1992, vol. 25, no. 1A, art. A65, doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/25/1A/012
[7] Ярош В.М., Моишеев А.А., Броновец М.А. Исследование материалов на трение и износ
в открытом космическом пространстве на орбите вокруг Луны. Трение и износ, 2003, т. 24, № 6, с. 626-635.
[8] Лобова Т.А., Марченко Е.А. Использование нового класса самосмазывающихся мате-
риалов для обеспечения надежности функционирования узлов трения космических аппаратов. Трение и износ, 2005, т. 26, № 3, с. 290-293.
[9] Хопин П.Н. Термокорреляционная оценка трибологических характеристик твердосма-
зочных селенидных покрытий различных методов нанесения для условий нормальной атмосферы. Трибология — машиностроению. Тр. XIII Межд. науч.-тех. конф. М., ИМАШ РАН, 2020, с. 337-341.
[10] Miyoshi K. Solid lubrication. Fundamentals and applications. CRC Press, 2001. 416 p.
[11] Miyoshi K., Iwaki M., Gotoh K. et al. Friction and wear properties of selected solid lubricating films. NASA/TM-1999-209088/PART1. NASA, 1999. 30 p.
[12] Spalvins T. Lubrication with sputtered MoS2 films. NASA TM X-67832. Lewis Research Center, 1971. 16 p.
[13] Нажесткин Б.П., Ковалев Е.П., Воробьев А.Н. К расчету интенсивности изнашивания твердосмазочных покрытий на основе синтетического дисульфида молибдена при работе в вакууме. Трение и износ, 1986, т. 7, № 4, с. 747-750.
[14] Хопин П.Н. Оценка триботехнических характеристик твердосмазочных покрытий, полученных химико-термической обработкой основы. В: Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. Тверь, ТвГТУ, 2021, с. 56-61.
[15] Сентюрихина Л.Н., Опарин Е.М. Твердые дисульфидмолибденовые смазки. Москва, Химия, 1966. 152 с.
[16] Braithwaite E.R. Solid lubricants and surfaces. Pergamon Press, 1964.
[17] Хопин П.Н. Методика и результаты оценки эксплуатационных характеристик пар трения с твердосмазочными покрытиями для различных условий функционирования. Трение и износ, 2012, т. 33, № 1, с. 23-31.
[18] Хопин П.Н., Гриб В.В. Микроанализ поверхностей трения твердосмазочных покрытий различных видов нанесения. Вестник ТвГТУ, 2021, № 1, с. 5-17, doi: https://doi.org/10.46573/2658-5030-2021-1-5-17
[19] Хопин П.Н., Козлова О.В., Горбач Л.Е. Оценка долговечности пар трения с твердосма-
зочными покрытиями при реверсивном движении. Трение и износ, 2018, т. 39, № 6, с. 649-656.
[20] Хопин П.Н. Анализ испытаний пар трения с твердосмазочными покрытиями в наземно-космических условиях и прогнозирование трибологических характеристик. Трение и износ, 2018, т. 39, № 2, с. 175-183.
[21] Хопин П.Н. Оценка антифрикционных характеристик пар трения с твердосмазочны-ми покрытиями для различных условий функционирования. Трение и износ, 2015, т. 36, № 5, с. 491-498.
[22] Spalvins T. Plasma-assisted physical vapor deposition surface treatments for tribological control. NASA technical memorandum 103652. NASA, 1991. 15 p.
[23] Цеев Н.А., Козелкин В.В., Гуров А.А. Материалы для узлов сухого трения, работающих в вакууме. Москва, Машиностроение, 1991. 188 с.
[24] Хопин П.Н., Шишкин С.В. Трибология. Москва, Юрайт, 2021. 236 с.
References
[1] Drozdov Yu.N., Yudin E.G., Belov A.I. Prikladnaya tribologiya (trenie, iznos i smazka)
[Applied tribology (friction, wearing and lubricant)]. Moscow, Ekopress Publ., 2010. 604 p. (In Russ.).
[2] Malenkov M.I., Karatushin S.I., Tarasov V.M. Konstruktsionnye i smazochnye materialy kos-
micheskikh mekhanizmov [Construction materials and lubricants for spacecraft]. Sankt-Petersburg, BGTU Publ., 2007. 54 p. (In Russ.).
[3] Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C. et al. Advantages of using self-lubricating, hard, wear-
resistant MoS2-based coatings. Surf. Coat. Technol., 2001, vol. 142-144, pp. 67-77, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01108-2
[4] Myshkin N.K., Basinyuk V.L., Koval'chuk G.F. et al. Space tribology: the states and prospects.
Mekhanika mashin i mekhanizmov i materialov [Topical Issues of Mechanical Engineering], 2012, no. 3-4, pp. 126-130. (In Russ.).
[5] Sentyurikhina L.N., Malyshev B.I., Oparina E.M. et al. Solid high-vacuum high-temperature
lubricant. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel, 1961, no. 7, pp. 13-15. (In Russ.).
[6] Robertst E.W., Williamst B.J., Ogilvy J.A. The effect of substrate surface roughness on the
friction and wear of sputtered MoS2 films. J. Phys. D: Appl. Phys., 1992, vol. 25, no. 1A, art. A65, doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/25/1A/012
[7] Yarosh V.M., Moisheev A.A., Bronovets M.A. Study of friction and wear of materials in the
open space in the lunar orbit. Trenie i iznos, 2003, vol. 24, no. 6, pp. 626-635. (In Russ.).
[8] Lobova T.A., Marchenko E.A. Use of new class of self-lubricating materials to provide
reliability of friction units of space vehicles. Trenie i iznos, 2005, vol. 26, no. 3, pp. 290-293. (In Russ.).
[9] Khopin P.N. [Termocorrelation evaluation of tribological characteristics of the solid lubri-
cant selenium coatings of various application methods for conditions normal atmosphere]. Tribologiya — mashinostroeniyu. Tr. XIII Mezhd. nauch.-tekh. konf. [From Tribology to Machine Building. Proc. XIII Int. Sci.-Tech. Conf.]. Moscow, IMASh RAN Publ., 2020, pp. 337-341. (In Russ.).
[10] Miyoshi K. Solid lubrication. Fundamentals and applications. CRC Press, 2001. 416 p.
[11] Miyoshi K., Iwaki M., Gotoh K. et al. Friction and wear properties of selected solid lubricating films. NASA/TM-1999-209088/PART1. NASA, 1999. 30 p.
[12] Spalvins T. Lubrication with sputtered MoS2 films. NASA TM X-67832. Lewis Research Center, 1971. 16 p.
[13] Nazhestkin B.P., Kovalev E.P., Vorob'yev A.N. On calculation if wearing intensity of a solid lubricant coating based on synthetic molybdenum disulfide in vacuum. Trenie i iznos, 1986, vol. 7, no. 4, pp. 747-750. (In Russ.).
[14] Khopin P.N. Evaluation of tribotechnical characteristics of solid lubricating coverings obtained by chemical-thermal treatment of the substrate. In: Mekhanika i fizika protsessov na poverkhnosti i v kontakte tverdykh tel, detaley tekhnologicheskogo i energeticheskogo obo-rudovaniya [Mechanics and physics of processes on the surface and contact area of solids, and parts for technological and power equipment]. Tver', TvGTU Publ., 2021, pp. 56-61. (In Russ.).
[15] Sentyurikhina L.N., Oparin E.M. Tverdye disul'fidmolibdenovye smazki [Solid molybdenum lubricants]. Moscow, Khimiya Publ., 1966. 152 p. (In Russ.).
[16] Braithwaite E.R. Solid lubricants and surfaces. Pergamon Press, 1964.
[17] Khopin P.N. Method and results of assessment of the performance of friction pairs with solid lubricating coatings under various operating conditions. Trenie i iznos, 2012, vol. 33, no. 1, pp. 23-31. (In Russ.). (Eng. version: J. Frict. Wear, 2012, vol. 33, no. 1, pp. 14-21, doi: https://doi.org/10.3103/S1068366612010060)
[18] Khopin P.N., Grib V.V. Microanalysis of the friction surfaces of solid lubricating coatings of various types of application. Vestnik TvGTU, 2021, no. 1, pp. 5-17, doi: https://doi.org/10.46573/2658-5030-2021-1-5-17 (in Russ.).
[19] Khopin P.N., Kozlova O.V., Gorbach L.E. Durability evaluation for friction pairs with solid lubrication coatings under reverse motion. Trenie i iznos, 2018, vol. 39, no. 6, pp. 649-656. (In Russ.). (Eng. version: J. Frict. Wear, 2018, vol. 39, no. 6, pp. 505-511, doi: https://doi.org/10.3103/S1068366618060053)
[20] Khopin P.N. Test analysis of friction couples with solid lubricant coatings under ground-space conditions and prediction of tribological characteristics. Trenie i iznos, 2018, vol. 39, no. 2, pp. 175-183. (In Russ.). (Eng. version: J. Frict. Wear, 2018, vol. 39, no. 2, pp. 137144, doi: https://doi.org/10.3103/S1068366618020071)
[21] Khopin P.N. Assessment of antifriction characteristics of friction pairs with solid-lubricating coatings under various operating conditions. Trenie i iznos, 2015, vol. 36, no. 5, pp. 491-498. (In Russ.). (Eng. version: J. Frict. Wear, 2015, vol. 36, no. 5, pp. 374-379, doi: https://doi.org/10.3103/S1068366615050074)
[22] Spalvins T. Plasma-assisted physical vapor deposition surface treatments for tribological control. NASA technical memorandum 103652. NASA, 1991. 15 p.
[23] Tseev N.A., Kozelkin V.V., Gurov A.A. Materialy dlya uzlov sukhogo treniya, rabotayush-chikh v vakuume [Materials for dry friction units working in vacuum]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1991. 188 p. (In Russ.).
[24] Khopin P.N., Shishkin S.V. Tribologiya [Tribology]. Moscow, Yurayt Publ., 2021. 236 p. (In Russ.).
Информация об авторе
ХОПИН Петр Николаевич — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Технология производства и эксплуатации двигателей летательных аппаратов». МАИ (125993, Москва, Российская Федерация, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, e-mail: [email protected]).
Статья поступила в редакцию 03.12.2021 Information about the author
KHOPIN Petr Nikolaevich — Doctor of Science (Eng.), Professor, Department of Manufacturing Technology and Operation of Aircraft Engines. Moscow Aviation Institute (125993, Moscow, Russian Federation, A-80, GSP-3, Voloko-lamskoe h.way, Bldg. 4; e-mail: [email protected]).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Хопин П.Н. Исследование механизмов трения и оценка трибологических характеристик твердосмазочных покрытий, нанесенных разными методами. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 4, с. 73-86, doi: 10.18698/0536-1044-2022-4-73-86
Please cite this article in English as: Khopin P.N. On the Friction Mechanisms and Assessment of Tribological Characteristics of Solid Lubricant Coatings of Various Application Methods. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2022, no. 4, pp. 73-86, doi: 10.18698/0536-1044-2022-4-73-86
