CC BY
30
УДК 621.2.082.18
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ СТАЛИ ШХ15 ПО ПОКРЫТИЮ
НА ОСНОВЕ SiO2, СОДЕРЖАЩЕГО НАНОЧАСТИЦЫ ДИСУЛЬФИДА МОЛИБДЕНА СО СРЕДНИМ РАЗМЕРОМ 53 нм
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 53 нм и концентрацией 62 % 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.
Хорошими добавками для уменьшения энергетических потерь на трение, имеющими слоистую структуру, являются такие вещества, как графит, дисульфид молибдена, тетраборат натрия, хлорид кадмия, нитрид бора, иодид свинца, хлорид кобальта, сульфат серебра и стеарат цинка. В присутствии влаги воздуха иодид снижает трение. Широкое использование имеют также сульфиды тяжёлых металлов, селениды и теллуриды [1, 2]: MoS2, WSe2, WS2, NbS2, NbSe2, TaS2, TaSe2. В большинстве случаев они имеют слоистую гексагональную структуру, хорошие антиокислительную и химическую стабильность и электропроводимость и применяются в виде порошков, суспензий, золей и антифрикционных лаковых покрытий. Данные высокоанизотропные материалы обладают различной прочностью на срез в разных направлениях кристаллической решётки. Частицы твёрдых смазочных материалов взаимодействуют с поверхностями деталей и в процессе трения ориентируются базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил. Именно в этом направлении сопротивление срезу незначительно, что и объясняет механизм смазочного действия твёрдых смазочных веществ. Известно, что коллоидные дисперсии твёрдых смазочных материалов проявляют проти-возадирные, противоизносные, антифрикционные и антипиттинговые свойства [3].
Наибольшее распространение получили вводимые в различные матрицы наполнители из частиц графита и дисульфида молибдена, постепенно в трибологию входит и графен [4, 5].
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. Слоистые наночастицы 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 [6 - 14].
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 границах данной работы приведены результаты исследований трения верчения стали марки ШХ15 по поверхности беспористого покрытия, полученного плазмохимическим осаждением из газовой фазы при атмосферном давлении, представляющего собой матрицу из диоксида кремния с распределенными в ней наночастицами дисульфида молибдена со средним размером 53 нм в концентрации 62 %, нанесённого на подложку из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
Предполагается, 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+62 %Мо82(53 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.
14 = 250 Н, п = 450 об/мин
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
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) сегмент t2 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.
Рис. 3. Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по чистому 8Ю2
Из рис. 3 видно, что в начале 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 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 8Ю2, содержащего 62 % по массе наночастиц дисульфида молибдена размером 53 нм (рис. 4).
На графике (рис. 4) также можно выделить как участки скачкообразного (либо «плавного») перехода, так и установившиеся значения силы трения. На рис. 4 можно выделить всего 1 квазистационарный участок (установившегося значения силы трения): сегмент^ е [180; 600], на котором сила трения составляла - 4 Н.
щ
а е
г &
Я 5
в 4 &
2 з
8Ю2+62 %МОЯ2(53НМ)
п = 4. ТО об/мин
■ ■ . " 1
Г ■ ■ '.1 1 -'/'".1-.-Ч.' ■V ■ ■ ■ ■ ■ / ■ . • И ь / ■ ■ -■ . 1 ■ ■ 41 ■ ■ г ■\ я - "
■ ." 1.-:
уг ■ ■ И ■ * ( ■ '. ■■ 1
" ■ ■
и
100
200
300
400
500
Б00
Время, с
Рис. 4. Зависимость силы трения верчения от времени при трении по покрытию 8Ю2+62 %Мо82(53 нм)
Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по нанокомпозиционному покрытию 8Ю2 + 62 % мо82(53 нм) показана на рис. 5.
0.5
и
К 0.4
0.3
0.2
Я 0-1 £
о а
О
■0.2
0,47 8Ю2+62 %МО82(53НМ) N = 2504, и = 450 об/мин
ЬжтжА
0,04 0,03 0
0,032 -0,029
100
200
300
400
500
600
Время, с
Рис. 5. Зависимость мгновенной скорости изменения силы трения верчения от времени при трении по нанокомпозиционному покрытию
8Ю2 + 62 %>Мо82(53 нм)
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 ~ 0,47 Н/с, затем также скачкообразно она снизилась до
367
значения 0,032 Н/с, далее последовало плавное увеличение скорости до 0,04 Н/с, после чего было плавное изменение скорости с прохождением через 0 Н/с до значения -0,029 Н/с, затем наблюдалось плавное приращение скорости также с прохождением через 0 Н/с до значения 0,03 Н/с, скорость плавно обратилась в 0 Н/с, и начался квазистационарный режим трения.
Разность зависимостей силы трения от времени между матрицей 8102 (см. рис. 2) и нанокомпозиционным покрытием 8102 + 62 % Мо82 (53 нм) (см. рис. 4) показана на рис. 6.
Рис. 6. Разность зависимостей сил трения от времени между матрицей и покрытием 8Ю2 + 62 %Мо82(53 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, мала и составляет всего 0,1 Н, что говорит о преобразовании как свойств наночастиц, так и покрытия в целом в условиях жёсткого фрикционного термомеханического воздействия.
На основании проведённого лабораторного исследования можно сделать следующие основные выводы.
1. В интервале времени t е [0;425] сила трения (коэффициент трения) при введении в матрицу наночастиц дисульфида молибдена размером 53нм в концентрации 62 % по массе снижается до -35 % относительно 8102.
2. В интервале времени t е [425;600] сила трения (коэффициент трения) при введении в матрицу наночастиц дисульфида молибдена размером 53 нм в концентрации 62 % по массе снижается всего на 2,44 % относительно 8102, что связано с существенным преобразованием свойств покрытия в заданных условиях фрикционного взаимодействия.
368
3. Наибольший квазистационарный участокt е [180; 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 [15 -
31].
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. 137 с.
2. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты / пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского. М.: Химия, 1988. 488 с.
3. Смазочные материалы; антифрикционные и противоизносные свойства; методы испытаний: справочник / под ред. Р.М. Матвеевского, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновского и др. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.
4. Mikhail L. Katsnelson. Graphene - Carbon in two dimensions. Cambridge : Cambridge University Press, 2012. 351 p.
5. Bharat Bhushan. Introduction to tribology. New York: John Wiley & Sons, 2002. 743 p.
6. 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. 1925.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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. Вып. 12. Ч. 1. С. 117 - 124.
11. 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.
12. Влияние антифрикционных дисперсных материалов на относительную опорную длину профиля поверхностей трения деталей / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Современное машиностроение. Наука и образование. 2014. № 4. С. 327-334.
13. Исследование нагрузочной способности смазочных композиций с наночастицами Ш82 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.
14. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 5. Ч. 2. С. 136 - 144.
15. 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.
16. Теория пластичности дилатирующих сред: монография / Э.С. Макаров, А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев; под. ред. А.Е. Гвоздева. 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 337 с.
17. Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами диселенида вольфрама на трение в подшипниках качения / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Н. Сер-
геев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Ю.Е. Титова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. С. 171-180.
18. 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.
19. 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.
20. Способ получения нанопорошка меди из отходов: пат. 2014135539/02 (2597445) РФ. № 2014135539/02; заявл. 02.09.14; опубл. 10.09.16.
21. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е. Обработка сталей и сплавов в интервале температур фазовых превращений. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 320 с.
22. 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.
23. 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.
24. 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.
25. Способ получения заготовок из порошковой быстрорежущей стали: пат. 2014137211/02 (2563609) РФ. № 2014137211/02; заявл. 16.09.14; опубл. 20.09.15, Бюл. № 26. 5 с.
26. Способ получения нанопорошка меди из отходов: пат. 2014135539/02 (2597445) РФ. № 2014135539/02; заявл. 02.09.14; опубл. 10.09.16.
27. Способ получения медного порошка из отходов: пат. 2014135563/02 (2599476) РФ. № 2014135563/02; заявл. 02.09.14; опубл. 10.10.16.
28. Role of nucleation in the development of first-order phase transformations / A.E. Gvozdev, N.N. Sergeev, I.V. Minaev, I.V. Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Vol. 6. №4. P. 283 - 288.
29. Calculation of strain damage in the process of reverse extrusion of metal products metal / A.E. Gvozdev, G.M. Zhuravlev, N.N. Sergeev, V.I. Zolo-tukhin, D.A. Provotorov // Technology. 2016. T. 1. P. 21 - 24.
371
30. Gvozdev A.E. Temperature Distribution and Structure in the Heat-Affected Zone for Steel Sheets after Laser Cutting / A.E. Gvozdev, N.N. Ser-geyev, I.V. Minayev, A.G. Kolmakov, I.V. Tikhonova, A.N. Sergeyev, D.A. Provotorov, D.M. Khonelidze, D.V. Maliy, I.V. Golyshev // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Vol. 8. No. 1. Р. 148 - 152.
31. Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets / A.E. Gvozdev, I.V. Golyshev, I.V. Minayev, A.N. Sergeyev, N.N. Sergeyev, I.V. Tikhonova, D.M. Khonelidze, A.G. Kolmakov // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. T. 6. № 4. P. 305 - 310.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, al-hreki'a yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Александров Сергей Евгеньевич, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, se vgalexandro vagmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Тюриков Кирилл Сергеевич, асп., tmetaftim. sphstu. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technologv atspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
Калинин Антон Алексеевич, инженер, technologvatspu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGA TION OF FRICTION OF STEEL SHKH15 ON COA TING BASED ON SiO2 CONTAINING NANOPARTICLES OF MOLYBDEN DISULFIDE WITH AVERAGE SIZE
53nm
A.D. Breki, S.E. Alexandrov, K.S. Tiurikov, A.E. Gvozdev, A.A. Kalinin
The paper presents the results of lahoratorv studies of the friction of a nonporous coating obtained hy chemical vapor deposition from a nanocomposite material with a matrix of SiO2 filled with MoS2 nanoparticles with an average size of 53 nm and a concentration of 0.00125 % hy mass. It has heen established that as a result of friction of the "plane-plane " rotation of the sample from ShKh15 hearing steel in the nanocomposite coating, antifriction effects are ohserved with respect to analogous tests of a coating of nanoparticulate silicon dioxide in the entire test interval. The stahilizing effect of nanoparticles on the process offric-tional interaction in the frictional friction mode is shown.
Key words: friction, nanoparticles, solid luhricant, antifriction coating, luhricating
layer.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, assistant manager department, alhrekiayandex. ru, Russia, Saint-Petershurg, Saint-Petershurg Peters-hurg Polytechnic University of Peter the Great,
372
Alexandrov Sergey Evgenevich, doctor of chemistry sciences, professor, head of chair, sevgalexandrov@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University 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
