CC BY
20
УДК 621.793.79
ИЗМЕНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛИ 45 ПРИ МАГНЕТРОННОМ РАСПЫЛЕНИИ ТОНКИХ
АНТИФРИКЦИОННЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ МЕДИ
С.Б. Скобелев, Г.Г. Бурый, И.К. Потеряев
Исследовано влияние тонкослойного антифрикционного покрытия на основе меди, нанесенного методом магнетронного распыления на образец из стали 45, на износостойкость в период приработки в паре трения «сталь 45 - сталь ШХ15». Проведено сравнение с образцом из стали 45 без нанесенного антифрикционного покрытия. С помощью растрового электронного микроскопа Мо1 №Ы-5700 проведено исследование элементного состава тонкослойного покрытия до и после периода приработки образцов. В ходе исследования установлено, что образец с нанесенным покрытием по сравнению с образцом без покрытия имеет более низкий момент трения в период приработки и гораздо меньшее время приработки, а также меньший массовый износ.
Ключевые слова: магнетронное распыление, антифрикционные пленки, износостойкость, момент трения, массовый износ, дорожка трения, избирательный перенос.
Для повышения антифрикционных свойств рабочих поверхностей деталей пар трения находят применение технологии нанесения различных покрытий, материалами которых могут быть полимеры, твердые смазки, металлы. Такие покрытия наносятся плазменным напылением, детонацией, электрофорезом, химическим осаждением и т.д. Одним из современных методов нанесения покрытий на основе дисульфида молибдена или меди, является технология магнетронного напыления, которую можно применять как отдельно [1-2], так и в комбинации, например, с методами химико-термической обработки [3].
Получение антифрикционных покрытий методом магнетронного распыления является актуальной проблемой современного машиностроения, материаловедения и нанотехнологий в связи с высоким прикладным значением данного метода в технологиях производства тонкопленочных покрытий с высокими физико-химическими и эксплуатационными характеристиками [4].
В качестве тонкослойных антифрикционных покрытий, получаемых методом магнетронного распыления, являются покрытия на основе меди. Это объясняется тем, что медь обладает низкой химической активностью, хорошо восстанавливается на сплавах железа [5]. Кроме того, медь -особый элемент в технологии получения антифрикционных и износостойких покрытий, так как обеспечивает улучшение условий приработки, снижение коэффициента трения и эффект безызносного трения [6 - 8].
Одним из основных параметров наносимого покрытия из меди является его толщина. Для обеспечения необходимых антифрикционных свойств предполагается толщина наносимой методом магнетронного
193
напыления медной пленки должна составлять около 1 мкм. Возможности лабораторного оборудования, а именно установки для магнетронного напыления ЛОУЛУлС У8М-200 научно-образовательного ресурсного центра нанотехнологий ОмГТУ позволяют получить покрытие такой толщины [9].
Целью данного исследования являлось определение влияния нанесенного методом магнетронного распыления покрытия из меди на образец из материала «сталь 45» на износостойкость в период приработки и сравнение с износостойкостью образца без нанесенного покрытия.
Для проведения экспериментального исследования были изготовлены два образца из материала сталь 45 - цилиндрические ролики наружным диаметром 40 мм и шириной 12 мм (рис. 1).
Для достоверности результатов, получаемых в ходе экспериментов, изготовление роликов производилось из одной плавки металла и заготовки. При изготовлении образцов выполнялись требования по взаимному расположению поверхностей (рис. 1). Эти требования указаны в паспорте на машину трения ИИ 50-18, на которой проводились испытания на износ. При невыполнении вышеуказанных требований, образцы при посадке на вал машины трения ИИ 50-18 будут иметь недопустимое биение, что резко снижает достоверность результатов испытания на износ.
Рис. 1. Образцы для экспериментальных исследований
Нанесение антифрикционного медного покрытия осуществлялось на установке магнетронного распыления ЛОУЛУЛС У8М-200 при следующих режимах:
1) толщина нанесенного покрытия-1 мкм;
2) температура 100 °С;
3) давление 3 мкБар;
4) мощность N=100 Вт.
5) время нанесения покрытия 30 мин.
В результате на поверхности образца образовалось равномерное антифрикционное покрытие толщиной около 1 мкм (рис. 2).
194
20кУ Х1,000 Ю^т_10 50 вЕ!
Рис. 2. Поверхность образца после нанесения покрытия из меди
С помощью энергодисперсионного анализатора ШБ-2300, проведено исследование элементного состава медной пленки (рис. 3).
001
с
■3 [ъ 1
$ <3
$ 1 £ 1 ' о и
и- 1 - 1 V
0- , ш 1
1
0.00 1 00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
1;еЛ_
Рис. 3. Спектрограмма тонкослойного покрытия
Результаты спектрограммы тонкой пленки из меди показывают, что качественный и количественный состав покрытий, полученных методом магнетронного распыления, соответствует материалу модификатора. Элементный состав покрытия приведен в таблице.
Элементный состав покрытия из меди
Элемент Энергия, кэВ Массовая доля, % Атомная масса, % Погрешность, %
О 0,525 0,68 2,58 0,11
Бе 6,398 19,45 21,14 0,02
Си 8,040 79,87 76,28 0,01
Следующим этапом исследования являлось проведение испытаний образцов с покрытием и без покрытия на износостойкость с использованием машины трения ИИ-5018.
Условия испытаний: частота вращения образца пвр=100 об/мин; контртело ШХ-15 (ГОСТ 801 - 78); сила нагружения Рнагр=100 Н.
Испытания проводились по схеме «подвижные ролик -неподвижный ролик» в условиях сухого трения в течение 60 минут для каждого образца. Через каждую минуту записывался момент трения образцов. По результатам исследований получена зависимость момента трения от времени (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость момента трения от времени в период приработки
Из представленной зависимости видно, что образец с нанесенным покрытием из меди (зеленая линия) имеет более низкий момент трения в период приработки (около 3 Н- м) по сравнению с образцом без покрытия (коричневая линия), у которого момент трения достигает значения в 5 Н-м. Кроме того, образец с покрытием имеет более стабильные показатели момента трения в период приработки, которые изменяются от 2,2 до 3 Н- м, по сравнению с образцом без покрытия, у которого разброс значений момента трения составляет от 2,6 до 5,0 Н- м.
С помощью аналитических весов БЬ-200 производилось измерение массы образцов до и после испытаний на износостойкость. Перед началом взвешивания весы устанавливались по пузырьковому уровню. Все взвешивания проводились в противосквозняковом боксе с целью исключения влияния давления ветра на результат измерения. У образца с покрытием изменение веса составило 0,184 г, а у образца без покрытия -0,213 г.
Используя методику расчета массового износа, представленную в работе [10], определено значение массового износа образцов с покрытием и без покрытия в период приработки. Расчет проводился по формуле
DQ._
DN A„
1
• Ii'
г/м3,
(1)
где AQ - изменение массы образцов, г; AN - число оборотов образца между взвешиванием образцов; Aa - площадь касания, м3; L1 - путь за один оборот, м.
По результатам расчетов установлено, что значение весового износа для образца с покрытием составляет 0,145 г/м3, а у образца без покрытия -0,168 г/м3.
Поверхность трения образца с покрытием была исследована с помощью растрового электронного микроскопа Jeol JCM-5700 c рентгеновским энергодисперсионным спектрометром в режиме высокого вакуума. Тип сигнала - вторичные электроны (SEI). Параметр SpotSize изменяли в диапазоне от 20 до 30, величину ускоряющего напряжения от 5 до 20 кВ (рис. 5).
На поверхности трения обнаружено частичное истирание тонкой антифрикционной пленки из меди. Возможно, произошел перенос медного покрытия на поверхность контртела. Интенсивного износа и разрушения поверхностного слоя не наблюдается.
196
g
Спектрограмма поверхности трения (рис. 6) и анализ состава участка поверхности трения (рис. 7) показывают уменьшение содержания меди до 26,78 % и соответственно увеличение содержания железа - до 70,25 %, что можно объяснить возможным явлением избирательного переноса частей медной пленки на поверхность контртела. Также на поверхности трения обнаружены следы хрома - 2,97 %, равномерно распределенные по всей поверхности. Т.е. произошло обогащение поверхности трения одной детали пары трения химическими элементами другой детали. _______
Рис. 5. Поверхность трения образца с покрытием после испытания на износостойкость
|
1
о [Ь >
>_1
и
И
И с я
о а ¡а, Й ! *
ч а ? ! а
1 |
Ж 1 А А 1 1 1
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 б.ОО 7.00 8.00 9.00 10.00
ы/
Рис. 6. Спектрограмма образца с покрытием из меди после испытания на износостойкость
10 №1*1 Си К ■ I 1 О ШР11 Ре к
Рис. 7. Анализ состава участка поверхности трения
197
Результаты работы показывают, что необходимо проведение дальнейших исследований, направленных на подбор режимов нанесения покрытий методом магнетронного распыления, обеспечивающих повышенную износостойкость в парах трения. Необходимы также дальнейшие испытания на износостойкость в других парах трения при различных схемах трения.
По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1. С помощью метода магнетронного распыления в условиях ионной бомбардировки мишени из меди на образцах из стали 45 получено защитное покрытие, обладающее повышенной стойкостью к износу при испытаниях пары трения «сталь 45 - ШХ-15» в условиях сухого трения.
2. Режимами нанесения покрытия методом магнетронного распыления, при которых обеспечивается износостойкость образцов из материала сталь 45 в паре трения с образцом из ШХ 15 по схеме «вращающийся диск - неподвижный диск» являются: давление 100 Вт, температура 100 °С, время нанесения покрытия 30 мин.
3. Образец с нанесенным покрытием по сравнению с образцом без покрытия имеет более низкий момент трения в период приработки (3 Н- м против 5 Н-м), гораздо меньшее время приработки (3 минуты против 34 минут), меньший массовый износ (0,145 г/м3 против 0,168 г/м3).
4. В процессе трения наблюдается перенос частей антифрикционного покрытия на поверхность контртела, а также обогащение поверхности трения образца с покрытием химическими элементами контртела.
Список литературы
1. Беликов А.И., Чжо Зин Пьо, Самарцев А.С. Исследование тонких пленок MoS2, полученных магнетронным напылением // Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. 2017. Т. 8. №4. С. 37 - 40.
2. Макарова М.В., Моисеев К.М., Назаренко А.А., Лучников П.А. Технологические особенности формирования толстых медных пленок, осажденных при жидкофазном магнетронном распылении мишени и их свойства // Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. 2017. Т. 8. №4. С. 41 - 46.
3. Харьков М.М., Казиев А.В., Тумаркин А.В., Дробинин В.Е., Степанова Т.В., Писарев А.А. Упрочнение поверхности сплава ВТ-22 методом плазменного азотирования с последующим магнетронным напылением нитрида титана // Лазерные, плазменные исследования и технологии ЛАПЛАЗ-2017. 2017. С. 258 - 259.
4. Brauer G., Szyszka B., Vergohl M., Bandorf R. Magnetron sputtering - Milestones of 30 years // Vacuum. 2010. Vol. 84. P. 1354 - 1359.
5. Васильева Н.А., Сербиновский М.Ю., Игнатенко Н.Л., Данюшина Г.А. Особенности формирования композиционных покрытий с медь-никель-фосфорной матрицей // Инженерный вестник Дона. 2015. №2. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/ IVD 196_Serbinovskiy.pdf_9b6751d6b2.pdf (дата обращения: 10.02.2020).
198
6. Cao B., Yang T.R., Li G.P., Cho S.J., Kim H. Surface Morphology and Roughness of Cu Thin Films Prepared by Ionized Cluster Beam Deposition // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 430 - 432. P. 419 - 422.
7. Погонышев В. А., Панов М.В. Повышение износостойкости шеек коленчатого вала // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2011. №1. С. 83 - 85.
8. Zakharov A.N., Kovsharov N.F., Oskomov K.V., Rabotkin S.V., Solovyev A.A., Sochugov N.S. Properties of low emission coatings based on Ag and Cu deposited on polymer film by magnetron sputtering // Inorganic Materials: Applied Research. 2012. Vol. 3 (5). P. 433 - 439.
9. Полонянкин Д.А., Блесман А.И., Постников Д.В. Влияние микроструктуры и шероховатости на электропроводность тонких пленок из меди и серебра, полученных методом магнетронного распыления // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5. №2. С. 204 - 208.
10. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
Скобелев Станислав Борисович, канд. техн. наук, доцент, skohelewaramhler. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Бурый Григорий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, huryy1989@hk.ru, Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
Потеряев Илья Константинович, канд. техн. наук, доцент, poteryaev ikatmail.ru, Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет
CHANGE OF WEAR RESISTANCE OF STEEL 45 AT THE MAGNETRON SPUTTERING OF CU-BASED THIN ANTIFRICTION FILMS
S.B. Skohelev, G.G. Buryy, I.K. Poteryaev
In the present work, the effect of a thin-layer antifriction coating hased on copper deposited hy magnetron sputtering on a sample of steel 45 on the wear resistance during the running-in period in the friction pair "steel 45 - steel ШХ15" is studied. Comparison is made with a sample of steel 45 without applied antifriction coating. Using the Jeol JCM-5700 scanning electron microscope, the elemental composition of the thin-layer coating was studied hefore and after the period of working-in of samples. The study found that the coated sample, compared with the uncoated sample, has a lower friction moment during the running-in period and a much shorter running-in time, as well as lower mass wear.
Key words: magnetron sputtering, wear resistance, thin-layer copper-hased coating, friction torque, friction pair, phenomenon of selective transfer.
Skohelew Stanislav Borisovich, candidate of technical sciences, docent, skohelewa ramhler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Buryy Gregory Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, huryy1989@hk. ru, Russia, Omsk, Siherian State Automohile and Highway University,
Poteryaev Ilya Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, poteryaev ikatmail. ru, Russia, Omsk, Siherian State Automohile and Highway University
