CC BY
2
Авиационная и ракетно-космическая
техника
УДК 621.891:519.28
Перспективные твердосмазочные покрытия для применения в условиях нормальной атмосферы и вакуума
П.Н. Хопин
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Promising solid lubricant coatings for use
in the normal atmosphere and vacuum
P.N. Khopin
Moscow Aviation Institute (National Research University)
Выявлены узлы трения космических летательных аппаратов, в которых использованы твердосмазочные покрытия. Анализ литературных данных трибологических испытаний твердосмазочных покрытий на основе МоБ2 зарубежных производителей Movic, Surftech, Hohman, Teer-Ti, CSEM-Ti и CSEM-AI показал, что наибольший ресурс в условиях сухой и влажной атмосферы при удовлетворительных антифрикционных свойствах обеспечивают пары трения с покрытием CSEM-Ti. Ресурс такого твердо-смазочного покрытия, нанесенного методом несбалансированного вакуумно-ионного напыления (CFUBMSIP), для нормальных атмосферных условий больше в 10 раз, чем у аналогичного отечественного ВНИИ НП 212 суспензионного нанесения. Коэффициенты трения твердосмазочных покрытий на основе МоS2 различных производителей в условиях сухого азота (0,01...0,07) существенно ниже, чем в условиях трения на воздухе (0,04.0,12). Установлено, что относительный износ покрытия на базе MоS2 + TiN, нанесенного методом CFUBMSIP, с включением твердой фазы нитрида титана в среднем в 1000 раз меньше, чем у комбинированных твердосмазочных покрытий на основе МоS2, полученных аналогичным методом с различными металлическими наполнителями и путем суспензионного или магнетронного напыления.
EDN: UEZWSP, https://elibrary/uezwsp
Ключевые слова: твердосмазочные покрытия, триботехнические характеристики, метод замкнутого поля, несбалансированное магнетронно-ионное распыление, сухой воздух, влажный воздух
The paper identifies the spacecraft friction units, where the solid lubricant coatings are used. Analysis of the literature data on tribological testing of the solid lubricant coatings based on MoS2 from various foreign manufacturers, i.e. Movic, Surftech, Hohman, Teer-Ti, CSEM-Ti and CSEM-AI, shows that the longest service life in the dry and humid atmosphere conditions with the satisfactory antifriction properties is provided by friction pairs with the CSEM-Ti coating. Service life of this solid lubricant coating applied by the closed field un-
balanced magnetron sputter ion plating (CFUBMSIP) technique is 10 times higher in the normal atmospheric conditions than that of a similar domestic VNII NP 212 suspension application. Friction coefficients of the solid lubricant coatings based on the MoS2 from various manufacturers under dry nitrogen conditions (0.01...0.07) are significantly lower than under friction conditions in air (0.04...0.12). The paper establishes that relative wear of a coating based on the MoS2 + TiN applied by the CFUBMSIP technique with inclusion of the titanium nitride solid phase is on average 1000 times lower than that of the combined solid lubricant coatings based on the MoS2 obtained by a similar method with various metal fillers and by suspension or magnetron spraying. EDN: UEZWSP, https://elibrary/uezwsp
Keywords: solid lubricant coatings, tribological characteristics, closed field method, unbalanced magnetron-ion sputtering, dry air, humid air
Твердые смазочные покрытия (ТСП) получили широкое распространение в узлах трения систем космических спутников. В работе [1] отмечено их применение для космических аппаратов (КА) разного типа:
• КА связи (скользящие кольца привода солнечной батареи, реактивное колесо);
• КА наблюдения (колесо импульса направленной антенны);
• метеорологических КА (карданные подшипники, скользящие кольца, колесо импульса солнечной батареи);
• навигационных КА (реактивные колеса, скользящие кольца привода солнечной батареи).
Помимо перечисленных узлов трения успешный вывод КА на орбиту обеспечивает штатное срабатывание механизмов ракеты-носителя. Указанные космические средства имеют различные механизмы расстыковки, благодаря которым КА отделяется от ракеты-носителя.
Также КА оснащены механизмами развертывания, позволяющими открывать на орбите подсистемы (например, антенные тарелки, солнечные панели и др.), которые часто складываются во время запуска с целью экономии объема. Для этих механизмов высвобождения или развертывания требуется смазка, обеспечивающая низкое трение (крутящий момент) при небольшом количестве циклов.
Несмотря на то, что спусковой механизм со смазкой обычно срабатывает только один раз в полете, во время предполетных наземных испытаний он должен это делать многократно (от 10 до 100 операций).
В то же время смазочный материал не может быть источником загрязнения паровой фазой, когда КА находится на орбите. Отсутствие терморегулирования может потребо-
вать, чтобы смазка функционировала в широком диапазоне температур. Смазка механизмов должна выдерживать воздействие излучения, электронов, протонов и атомов атомарного кислорода (на ближней околоземной орбите).
Наиболее распространенными смазочными материалами для указанных механизмов служат ТСП. Для выбора смазочного материала рассматривают следующие факторы:
• срок службы;
• загрязнение (испарение в паровую фазу или образование твердых частиц);
• чувствительность смазки к влаге во время предполетного хранения;
• переносимость компонентов;
• простота или надежность процедур нанесения смазки и стоимость [2].
В работе [3] отмечены достоинства ТСП:
• отсутствие загрязнений;
• возможность применения в условиях чрезвычайно высокой нагрузки;
• стабильность при хранении;
• совместимость с жидким кислородом;
• использование в широком диапазоне температур;
• устойчивость к воздействию ядерного и гамма-излучения;
• отсутствие проблем с утилизацией;
• обеспечение (в некоторых случаях) смазки на весь срок службы деталей.
К недостаткам ТСП относятся [3]:
• доступность ограниченного количества смазки;
• более высокий коэффициент трения, чем при гидродинамической смазке;
• потребность в средствах для эффективного удаления остатков износа;
• необходимость отвода теплоты из зоны контакта подшипников и зубчатых колес;
• потребность в более дорогостоящем по- • ухудшение механических свойств некото-вторном смазывании; рых материалов в цикле отверждения твердых
• необходимость избегать загрязнения во пленок при повышенной температуре. время нанесения покрытий и сборки деталей; Методы нанесения ТСП описаны в табл. 1.
Таблица 1
Методы нанесения ТСП
ТСП Метод Примечание
Твердосмазочные пленки Радиочастотное диодное напыление (rf diode sputtering) Температура — 70.200 °С, скорость роста 25.35 нм/мин [4]
Триодное распыление на постоянном токе ^с triode sputtering) Температура 130.175 °С, скорость роста 60 нм/мин [4]
Радиочастотное магнетронное напыление (rf magnetron sputtering) Температура 24.70 °С, скорость роста 40.60 нм/мин [4]
Натертые пленки (burnished films) Измельчение в шаровой мельнице, натирание замшей, полирование кожей или проволочной щеткой. Трудно добиться стабильных результатов для простых устройств с одним управлением [5]
Трансферные пленки Перенос смазочной пленки (обычно из фиксирующего материала) на материал сопряжения Толщина переносимой пленки может зависеть от скорости работы. Образует большое количество частиц износа [5]
TUFRAM-покрытия Превращение поверхности из А1 в алюминиево-оксидную керамику. Затем на пористую поверхность наносится сцепленный слой фторуглерода для самосмазывания и устойчивости к коррозии [6, 7]
NEDOX-покрытия Поверхности смазывают твердым, пористым кобальт-никелевым или другим сплавом. Затем термообрабатывают фторуглеродным и/или сухим смазочным материалом с низким коэффициентом трения для обеспечения сцепления смазки [6, 7]
Твердые лицевые покрытия GVD Газообразный носитель переносит материал покрытия на поверхность подложки. Основание обычно должно быть нагрето до высокой температуры (500 °С). Некоторые материалы, нанесенные с помощью этого метода, содержат тугоплавкие карбиды, бориды и нитриды [8]
Мягкие металлические пленки Ионное покрытие Покрытие наносится на поверхность потоком ионов аргона, которые проникают через поверхность отрицательно заряженной подложки. Ступенчатая или диффузная поверхность раздела между покрытием и подложкой обеспечивает хорошую адгезию [4]. Ионное покрытие обеспечивает лучшую адгезию и меньшее количество остатков износа (более устойчивый крутящий момент), чем пленки, нанесенные методом вакуумного напыления [9, 10]. Оптимальная толщина пленки 0,5 мкм [11]
Гальванические покрытия
Вакуумное испарение
К наиболее применяемым покрытиям относятся ТСП на основе МоБг, в том числе с включениями различных металлов. В инструментальной промышленности получили распространение композитные ТСП МоБ2 + Ti, обозначаемые как МоБТ, и ТСП другого состава, получаемые методом несимметричного маг-нетронного распыления в замкнутом поле [12]. Эти покрытия наносят на режущий инструмент, штамповую оснастку, используют в автомобильной промышленности при крупносерийном производстве.
Традиционно для узлов трения автономной смазки применяют отечественные ТСП суспензионного напыления ВНИИ НП, ВАП и зарубежные, например, фирмы Molykote [13].
В работе [14] приведены результаты сравнительной оценки триботехнических характеристик пар трения с ТСП на основе МоБ2 ВНИИ НП 212 и с ТСПагамх№, нанесенными методом замкнутого поля несбалансированного магне-тронно-ионного распыления (Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter Ion Plating — CFUBMSIP), комбинированного состава МоS2 + Ть МоS2 + Zr, МоS2 + Cr и МоS2 + W.
Установлено, что в нормальных атмосферных условиях (НАУ) при относительной влажности воздуха 41 %, т. е. в режиме трения, соответствующем контактной температуре трения Ттр = 157 °С, у TСПcFuвмsIP ресурс на 42,1 % больше, а коэффициент трения в среднем в 2 раза меньше, чем у ТСП ВНИИ НП 212. Среднее значение коэффициента снижения ресурса для TСПcFuвмsIP при переходе от НАУ к воде — 2,98.
В НАУ и воде коэффициент трения TСПcFuвмsIP составлял 0,02...0,04, в масляной среде — 0,03.0,08. TСПcFuвмsIP на основе чистого МоS2 в НАУ, воде и масляной среде оказалось практически неработоспособным.
В то же время в работе [15] отмечены высокие триботехнические свойства ^^mMS^ на основе МоS2 как для НАУ, так и для вакуума.
ТСП, предназначенные для узлов трения, функционирующих в вакууме, следует опробовать и хранить в условиях земной атмосферы, причем не исключая воздействие влажности. Такие исследования, описанные в работе [16], также проанализированы в данной статье.
Цель работы — сравнительная оценка три-ботехнических характеристик нанесенных разными методами ТСП на основе МоS2, в том числе ТСП^ш^ и ТСП ВНИИ НП 212 в условиях вакуума и НАУ при разной влажности.
Материалы и инструменты. В работе [16] исследованы шесть различных покрытий на основе MoS2, выпускаемых пятью производителями — Movic, Surftech, Hohman, Teer и CSEM (табл. 2). Покрытия наносили на диск трибо-метра, функционирующего по схеме штифт — диск (рис. 1, а), и на кольцо трибометра, работающего по схеме блок — кольцо (рис. 1, б).
Диски, блоки и кольца изготавливали из нержавеющей стали 440C с твердостью по Рок-веллу 57.59 HRC. Диски притирали и полировали до шероховатости поверхности 0,040 ± 0,015 мкм по средней осевой линии.
Для схемы трения штифт — диск держатель штифта модифицировали, чтобы удерживать шарик радиусом 4,76 мм из стали 440С, который имел ту же шероховатость поверхности, что и диск. Твердость шариков составляла 60 HRC. Контактная нагрузка N = 9,8 Н, частота
Таблица 2
Характеристики ТСП на основе MoS2
ТСП Основная добавка
Производитель Обозначение Толщина, мкм
Movic Movic 0,6 -
Surftech Surftech 0,3 -
Hohman Hohman 1,2 Трехокись сурьмы
Teer Coatings Limited Teer-Ti 1,2 Титан
CSEM CSEM-Ti 2,4 Титан
CSEM CSEM-Al 3,5 Алюминий
Примечание. Знак «-» указывает на отсутствие добавки.
п а
Рис. 1. Схемы пар трения:
а — штифт — диск; б — блок — кольцо (1 — отверстие для термопары; 2 — блок; 3 — кольцо)
вращения n = 200 мин \ Для диаметров вращения на диске 44...63 мм скорость скольжения v = 0,46.0,63 м/с.
Для схемы трения блок — кольцо диаметр кольца dK = 50 мм, ширина кольца Ьк = 10 мм, ширина блока b6n = 6 мм. Контактная нагрузка N = 225 Н, частота вращения n = 500 мин-1.
Так как способ нанесения ТСПсгоам51р на основе MoS2, содержащих титан, изобретен компанией Teer Coatings Limited [14], она имеет патентные права на это покрытие. Компания CSEM получила лицензию на нанесение покрытия с использованием этого процесса. Следовательно, эти покрытия в основном очень похожи. Как и следовало ожидать, основное различие между двумя покрытиями заключается в том, что покрытие CSEM-TiC содержит больше титана, чем покрытие Teer-TiC.
В работе [15] условия проведения триболо-гических испытаний были следующими. Схема трения соответствовала рис. 1, а. Шарик диаметром dm = 6 мм изготавливали из керамики на основе Al2O3. Контактная нагрузка N = 5 Н, скорость скольжения v = 0,1 м/с.
Используемый способ нанесения ТСП — несимметричное магнетронное радиочастотное нереактивное распыление. Схема мишени для получения комбинированного ТСП на базе МоS2 и TiN (далее ТСПмosx+ш) приведена на рис. 2, а условия осаждения и состав ТСП — в табл. 3 и на рис. 3. Условия осаждения: температура трения — 280 °С, контактное давление р = 0,4 МПа.
Структура комбинированного ТСП, испытанного в работе в различных условиях функционирования [15], приведена на рис. 3.
Таблица 3
Химический состав к ТСПЛ
Количество сегментов МоSx Содержание в ТСП, %
Мо S TiN МоSx
2 14 20 66 17,5
3 17 34 49 25,8
4 25 38 37 40,3
5 25 46 29 46,3
6 30 48 23 56,6
8 28 54 18 60,9
Рис. 2. Схема мишени для получения комбинированного ТСПиаЗл+пы
Рис. 3. Структура комбинированного ТСП
Результаты исследований и их обсуждение. Исследования на трибометре штифт — диск [16]. Эксперименты проводили в сухом и влажном (при относительной влажности 50 %) воздухе. Результаты испытания ТСП на основе МоБ2 различных зарубежных производителей по схеме штифт — диск приведены в табл. 4, где /тр — коэффициент трения в установившемся режиме; Ш — ресурс ТСП (число циклов нагружения); И шт и И тсп — относительный износ штифта и ТСП.
Анализ данных, приведенных в табл. 4, позволил установить следующее:
• наибольший ресурс при удовлетворительных антифрикционных свойствах обеспечивают пары трения с ТСП СБЕМ-ТЬ
- в сухом воздухе число циклов нагружения Ш = 1440-103 при коэффициенте трения /тр = = 0,06;
- во влажном воздухе Ш = 625-103 (т. е. число циклов снижается в 2,3 раза) и /Тр = 0,11 (коэффициент трения повышается в 1,83 раза);
• при больших значениях коэффициента трения ресурс ТСП СБЕМ-А1 близок к таковому для ТСП СБЕМ-Тц
• остальные ТСП показали неудовлетворительный ресурс функционирования.
Таблица 4
Результаты испытания ТСП на основе MoS2 по схеме штифт — диск в сухом и влажном воздухе
Марка ТСП /тР Ш-10-3 Ишт-1018, м3/м Итсп-1016, м3/м
Моу1е 0,15/0,04 7 ± 3/120 ± 3 700 ± 3/4 ± 200 -
8игЙесЬ 0,04/0,04 39 ± 6/41 ± 7 15 ± 12/3 ± 1 -
НоЬшап 0,12/0,04 76 ± 46/100±26 145 ± 135/24 ± 6 -
Теег-Т1 0,09/0,04 55 ± 10/361 ± 15 60 ± 20/3 ± 1 107 ± 35/16 ± 8
С8БМ-Т1 0,11/0,06 625 ± 100/1440 ± 440 30 ± 10/3 ± 1 44 ± 6/11 ± 5
С8ЕМ-А1 0,12/0,08 400 ± 5/1248 ± 2052 300 ± 120/3 ± 2 103 ± 55/22 ± 8
Примечание. В числителе дроби указаны значения для влажного воздуха, в знаменателе — для сухого.
Сравнительную оценку триботехнических параметров ТСП отечественного производства на основе Мо82 проводили по предложенной ранее методике при аналогичной температуре трения Тр, для расчета которой использовали выражение [17]
Тр = 36,49 + 132,23V + 0,535р + 0,234ру -
- 47^2 - 2,094-0,001р2. (1)
Выражение (1) справедливо для исследованных диапазонов контактного давления р = = 23,1...133,7 МПа и скорости скольжения v = = 0,096.1,224 м/с.
Чтобы оценить температуру трения Ттр, необходимо определить контактное давление р в условиях трения ТСП С8ЕМ-Т1. Для условий сухого трения с учетом относительного износа шарика, указанного в табл. 4, объем продуктов износа V составил 0,000726 мм3, а площадь износа 5 — 0,208 мм2. Тогда при контактной нагрузке N = 9,8 Н контактное давление р = = 47,1 МПа.
Ввиду отсутствия точного значения скорости скольжения, ее рассчитывали как среднее значение для диапазона V = 0,46.0,63 м/с: Vср = = 0,56 м/с.
С учетом того, что контактное давление р = = 47,1 МПа и скорость скольжения V = 0,56 м/с входят в исследованные диапазоны для выражения (1) расчетная контактная температура трения Ттр = 122,1 °С.
Тогда ресурс ТСП ВНИИ НП 212 [18]
т = 9-106- Т т-р,969 = 700 мин. (2)
Согласно данным, приведенным в табл. 4, число циклов нагружения ТСП С8ЕМ-Т1 Ш = = 1440-103, что при частоте вращения п = = 200 мин-1 соответствует ресурсу т = 7200 мин
в сухом воздухе. Таким образом, в НАУ у ТСП С8ЕМ-Т1 ресурс в 10 раз больше, чем у ТСП ВНИИ НП 212.
Сравнение антифрикционных характеристик ТСП ВНИИ НП 212 и ТСП С8БМ-Т1 проводили с использованием термокорреляционной зависимости [19]
/тр = 0,0197 + 8,881 Ттр1. (3)
При контактной температуре трения Ттр = = 122,1 °С расчетный коэффициент трения ТСП ВНИИ 212 составил 0,0924, что в 1,54 раза больше, чем для ТСПсвЕм-г/ (0,06).
Исследования на трибометре блок — диск [16].
Исследования проводили в среде сухого азота, моделирующей условия вакуума. Результаты испытания ТСП на основе М082 различных зарубежных производителей по схеме блок — диск приведены в табл. 5, где О — отказ.
Анализ данных, приведенных в табл. 5, выявил следующее:
• результаты исследования — нестабильные; например, наибольший ресурс ТСПсвЕм-г/ в условиях воздуха при нанесении покрытия только на диск оказывается в 26 раз меньше, чем при напылении ТСП и на диск, и на блок;
• лучшим ТСП при нанесении ТСП только на диск является ТСП НоЬшап, которое при трении в паре с ТСП, нанесенными на обе поверхности, оказывается неработоспособным;
• коэффициент трения в среде сухого азота существенно ниже, чем на воздухе.
На основании изложенного можно сделать вывод о перспективности нанесения ТСП на обе контактирующие поверхности и о необходимости дополнительных исследований ТСП НоЬшап с окисью сурьмы.
Таблица 5
Результаты испытания ТСП на основе MoS2 по схеме блок — диск в среде сухого азота
ТСП на основе МоБ2 /тр Ш-103 Итсп-1018, м3/м
МОУ1С 0,01/0,01 1166 ± 45/360 ± 70 2 ± 0,5/190 ± 160
БигЙесЬ 0,04/- 0,6 ± 0,4/- -/-
ИоЬшап 0,01/- 5556 ± 3570/- 1,2 ± 1,0/-
Теег-Т1 0,03/- 303 ± 110/- 9,5 ± 0,7/-
СБЕМ-Т1 0,02/0,02 323 ± 321/6132 ± 950 24 ± 23,955/0,7 ± 0,3
СБЕМ-А1 0,07/О 0,3 ± 0,1/О -/О
Примечание. В числителе дроби указаны значения для ТСП, нанесенного на диск, в знаменателе — для ТСП, напыленного и на диск, и на блок.
Результаты трибологических испытаний комбинированных ТСИмоЯх+гда. В работе [15] исследованы перспективные ТСП, нанесенные методом несимметричного магнетронного радиочастотного нереактивного распыления.
Результаты трибологических испытаний, проведенных по схеме диск — шар, приведены на рис. 4, где И — критерий относительного износа, И = У/ЫЬ (Ь — путь трения).
Анализ экспериментальных данных, приведенных на рис. 4, показал следующее:
• в вакууме наименьший относительный износ ТСПмо&+т И = 0,5-10-11 мм3/Н-м получен при 17,5%-ном содержании МоБх;
• в НАУ при относительной влажности 50 % наименьший относительный износ ТСПм05х+гы И = 1,0-10-11 мм3/Н-м также получен при 17,5%-ном содержании МоБх; т. е. при переходе от влажной воздушной атмосферы к условиям вакуума наблюдается повышение относительного износа в среднем в 2 раза.
Эффективность ТСПм0&+т оценивали по критерию относительного износа И путем сравнения с другими ТСП:
• ТСП на основе МоБ2 + Т1, МоБ2 + Zr, МоБ2 + Сг и МоБ2 + М (далее ТСПммж+г;, ТСПмо32+гг, ТСПмо$2+ог, ТСПмо52+ш соответственно), описанных в работах [20-22] для НАУ при относительной влажности 41 %;
• ТСП на основе МоБ2 суспензионного (СН) и магнетронного (МН) нанесения (далее ТСПмой2 сн и ТСПмой2 мн), описанных в работах [23, 24].
Условия и результаты указанных триболо-гических испытаний различных ТСП — ТСПмо&+т [15], ТСПм<й2+г(, ТСПмо52+гг, ТСПмой2+сг, ТСПмо52+ш [20-22] в НАУ и ТСПмой2 сн и ТСПмой2мн в вакууме и [23, 24] — приведены в табл. 6.
Анализ данных, приведенных в табл. 6, показал, что критерий относительного износа ТСПмов^+г/ы, нанесенного методом С¥иЕМ81Р,
И-1011, мм3/Н-м
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Ж
У77Л
о
17,5
25,8
40,3
46,3
56,6
60,9
СМо %
Рис. 4. Зависимость критерия относительного износа И от содержания МоБх в ТСПмо&с+лм См„$х для вакуума ( ) и НАУ при относительной влажности 50 % ( )
Таблица 6
Триботехнические характеристики и результаты испытаний различных ТСП
Тип ТСП Возвратно-поступательное движение Парамет Скольжение ры трения N, Н v, м/с Шари Материал к йш, мм Критерий относительного износа И, мм3/Н-м
ТСПмо&с+гдо - + - 5 0,100 А12О3 6 1 ■ 10-11
ТСПмо52+г1 + - 10-103 100,0 0,025 ВК6 5 4,17-10-8
ТСПмо$2+2т + - 10-103 100,0 0,025 ВК6 5 1,8-10-8
ТСПмов2+сг + - 10-103 100,0 0,025 ВК6 5 4,61-10-8
ТСПмов2+№ + - 10-103 100,0 0,025 ВК6 5 3,17-10-8
ТСПмов2 сн - + > 106 5,9 0,200 440С 6 6-10-8
ТСПмов2 мн - + > 0,27-106 5,9 0,200 440С 6 9-10-8
fтp
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения/тр от содержания Мо8 х В ТСПмoSx+TiN СмоБх для НАУ при относительной влажности 50 %
в среднем в 1000 раз меньше, чем у комбинированных ТСП на основе Мо82 с различными металлическими наполнителями, нанесенных аналогичным методом, и ТСП СН и МН. Это можно объяснить следующими причинами:
• в НАУ отсутствием числа циклов нагруже-ния для ТСПмо&+т и меньшей в 20 раз нагрузкой (для ТСПмо&+т N = 5 Н, для ТСПм^+г;, ТСПмо52+&, ТСПмо82+сг, ТСПММЖ+И' N = 100 Н);
• наличием в составе ТСПм0&+т карбидной фазы ТШ высокой твердости.
Приведенная в работе [15] диаграмма изменения антифрикционных характеристик ТСПмо&+т — зависимость коэффициента трения /тр от содержания Мо8х в ТСПмо&+:ш для НАУ при относительной влажности 50 % — показана на рис. 5. Видно, что коэффициент трения для ТСПм0&+т с различным содержанием Мо8х в среднем составляет 0,06.0,10, что совпадает с диапазоном изменения антифрик-
ционных характеристик ТСП на основе Мо82 различных зарубежных производителей (см. табл. 5).
Выводы
1. Выявлены узлы трения с использованием ТСП для КА связи (скользящие кольца привода солнечной батареи, реактивное колесо), КА наблюдения (колесо импульса направленной антенны), метеорологических КА (карданные подшипники, скользящие кольца, колесо импульса солнечной батареи), навигационных КА (реактивные колеса, скользящие кольца привода солнечной батареи).
2. Анализ данных литературных источников по трибологическим испытаниям ТСП на основе Мо82 (Моу1е, 8игЙ:есЬ, НоЬшап, Теег-Т1, С8БМ-Т1 и С8ЕМ-А1) показал, что в сухом и влажном воздухе при удовлетворительных ан-
тифрикционных свойствах ресурс пары трения с ТСПсзвм-п в 10 раз больше, чем у ТСП ВНИИ НП 212.
3. При температуре трения 122,1 °С расчетный коэффициент трения ТСП ВНИИ 212 (0,0924) в 1,54 раза выше, чем значение этого параметра в установившемся режиме для ТСПс8Вм-П (0,06).
4. Показана перспективность нанесения ТСП на обе контактирующие поверхности и необходимость проведения дополнительных исследований ТСП ИоЬшап, основным компонентом которого является окись сурьмы.
Литература
5. Наименьший относительный износ ТСПм0&+™ получен при 17,5%-ном содержании МоБх. В вакууме он составил 0,5-10-11 мм3/Н-м, в НАУ при относительной влажности 50 % — 1,0-10-11 мм3/Н-м, т. е. при переходе от влажного воздуха к вакууму в среднем повысился в 2 раза.
6. Относительный износ ТСПмо5Х+гы, нанесенного методом CFUBMSIP, в среднем оказался в 1000 раз меньше, чем у комбинированных ТСП на основе МоБ2 с различными металлическими наполнителями, напыленными аналогичным методом, и у ТСП СН или МН.
[1] Hilton M.R., Fleischauer P.D. Applications of solid lubricant films in spacecraft. Report TR-
92(2935)-6. The Aerospace Corporation, 1994. 22 p.
[2] Hilton M.R., Fleischauer P.D. Lubricants for high-vacuum applications. ASM, 1992. 150 p.
[3] Kannel J.W., Lowry J.A., Dufrane K.F. Lubricant selection manual. Report NASA-CR-184363.
NASA Marshall Space Flight Center, 1991. 45 p.
[4] Fleischauer P.D., Hilton M.R., Bauer R. Effects of microstructure and adhesion on performance
of sputter-deposited MoS2 solid lubricant coatings. Report TOR-0090(5064)-2. The Aerospace Corporation, 1990. 27 p.
[5] Christi R.I., Barnett G.C. Sputtered MoS2 lubrication system for spacecraft gimbal bearings.
Lub. Eng., vol. 34, no. 8, p. 437.
[6] Covino C.P. Parts coatings to improve machine performance. Mod. Packa, 1975, no. 9, pp. 60-
62.
[7] Covino C.P. Hard coat plus solid lube fights wear problems. Metal Prog., 1975, no. 6, pp. 69-
70.
[8] Buckle D.H. Tribological systems as applied to aircraft engines. Report NASA-TM-86965.
NASA Lewis Research Center, 1985. 22 p.
[9] Sherbiney M.A., Halling J. Friction and wear of ion-plated soft metallic films. Wear, 1977,
vol. 45, no. 2, pp. 211-220, doi: https://doi.org/10.1016/0043-1648(77)90075-8
[10] Thomas A., Todd M.L., Garnham A.L. Current status of lead lubrication of ball bearings. Proc. Second Space Tribology Workshop. ESTL, 1980, pp. 101-110.
[11] Todd M.J., Bentall R.H. Lead film lubrication in vacuum. Proc. 2nd Int. Conf. on Solid Lubrication, ASLE SP-6, 1984, pp. 148-157.
[12] 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
[13] Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов. Санкт-Петербург, БГТУ, 2007. 54 с.
[14] Хопин П.Н., Сильченко О.Б. Сравнительная оценка триботехнических характеристик твердосмазочных покрытий, нанесенных методом замкнутого поля несбалансированного магнетронно-ионного распыления, для различных условий функционирования. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2021, № 1, с. 54-65, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2021-1-54-65
[15] Spassov V., Hoogerwerf A. Hard self-lubricating nanocomposite PVD coatings for space and terrestrial applications. 5th ESA Round Table on Micro/Nano Technologies for Space. CSEM Swiss Center for Electronics and Microtechnology, 2005. 28 p.
[16] Fusaro R.L., Siebert M. Comparison of several different sputtered molybdenum disulfide coatings for use in space applications. Proc. 36th Aerospace Mechanisms Symp., 2000, pp. 305-318.
[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. Термокорреляционный подход к оценке работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями для условий нормальной атмосферы. Трибология — машиностроению. Тез. докл. XI межд. науч.-тех. конф. Москва, ИМАШ, 2016, с. 254255.
[19] Хопин П.Н., Попов О.В., Комаров В.А. Экспериментальная оценка работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями в зависимости от температурного фактора. Трение и износ, 1985, т. 6, № 6, с. 1109-1116.
[20] Teer D.G., Hampshire J., Fox V. et al. The tribological properties of MoS2/metal composite coatings deposited by closed field magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol., 1997, vol. 9495, pp. 572-577, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00498-2
[21] Teer D.G., Hampshire J.H., Bellido V. Improvements in and relating to methods for improving the sputter desposition of metal-sulphur coatings, e.g. molybdenum disulphide coatings and to improved coatings. EU Patent EU 96924987.9,1996.
[22] Renevier N.M., Fox V.C., Teer D.G. et al. Coating characteristics and tribological properties of sputter-deposited MoS2/metal composite coatings deposited by closed field unbalanced magnetron sputter ion plating. Surf. Coat. Technol., 2000, vol. 127, no. 1, pp. 24-37, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00538-7
[23] Miyoshi K. Solid lubrication. Fundamentals and applications. CRC Press, 2001. 414 p.
[24] Miyoshi K., Iwaki M., Gotoh K., et al. Friction and wear properties of selected solid lubricating films. Glenn Research Center, 1999. 30 p.
References
[1] Hilton M.R., Fleischauer P.D. Applications of solid lubricant films in spacecraft. Report TR-
92(2935)-6. The Aerospace Corporation, 1994. 22 p.
[2] Hilton M.R., Fleischauer P.D. Lubricants for high-vacuum applications. ASM, 1992. 150 p.
[3] Kannel J.W., Lowry J.A., Dufrane K.F. Lubricant selection manual. Report NASA-CR-184363.
NASA Marshall Space Flight Center, 1991. 45 p.
[4] Fleischauer P.D., Hilton M.R., Bauer R. Effects of microstructure and adhesion on performance
of sputter-deposited MoS2 solid lubricant coatings. Report T0R-0090(5064)-2. The Aerospace Corporation, 1990. 27 p.
[5] Christi R.I., Barnett G.C. Sputtered MoS2 lubrication system for spacecraft gimbal bearings.
Lub. Eng., vol. 34, no. 8, p. 437.
[6] Covino C.P. Parts coatings to improve machine performance. Mod. Packa, 1975, no. 9, pp. 60-
62.
[7] Covino C.P. Hard coat plus solid lube fights wear problems. Metal Prog., 1975, no. 6, pp. 69-
70.
[8] Buckle D.H. Tribological systems as applied to aircraft engines. Report NASA-TM-86965.
NASA Lewis Research Center, 1985. 22 p.
[9] Sherbiney M.A., Halling J. Friction and wear of ion-plated soft metallic films. Wear, 1977,
vol. 45, no. 2, pp. 211-220, doi: https://doi.org/10.1016/0043-1648(77)90075-8
[10] Thomas A., Todd M.L., Garnham A.L. Current status of lead lubrication of ball bearings. Proc. Second Space Tribology Workshop. ESTL, 1980, pp. 101-110.
[11] Todd M.J., Bentall R.H. Lead film lubrication in vacuum. Proc. 2nd Int. Conf. on Solid Lubrication, ASLE SP-6, 1984, pp. 148-157.
[12] 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
[13] Malenkov M.I., Karatushin S.I., Tarasov V.M. Konstruktsionnye i smazochnye materialy kos-micheskikh mekhanizmov [Structural and lubricating materials of space mechanisms]. Sankt-Petersburg, BGTU Publ., 2007. 54 p. (In Russ.).
[14] Khopin P.N., Silchenko O.B. A comparative assessment of tribotechnical characteristics of solid lubricant coatings deposited using the closed field unbalanced magnetron sputtering
ion plating technique for various operating conditions. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [BMSTU Journal of Mechanical Engineering], 2021, no. 1, pp. 54-65, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2021-1-54-65 (in Russ.).
[15] Spassov V., Hoogerwerf A. Hard self-lubricating nanocomposite PVD coatings for space and terrestrial applications. 5th ESA Round Table on Micro/Nano Technologies for Space. CSEM Swiss Center for Electronics and Microtechnology, 2005. 28 p.
[16] Fusaro R.L., Siebert M. Comparison of several different sputtered molybdenum disulfide coatings for use in space applications. Proc. 36th Aerospace Mechanisms Symp., 2000, pp. 305-318.
[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.).
[18] Khopin P.N. [Thermo-correlation approach to estimation of serviceability of friction pairs with hard-lubricating coatings for conditions of normal atmosphere]. Tribologiya — mashi-nostroeniyu. Tez. dokl. XI mezhd. nauch.-tekh. konf. [Tribology to Machine Building. Abs. XI Int. Sci.-Tech. Conf.] Moscow, IMASh Publ., 2016, pp. 254-255. (In Russ.).
[19] Khopin P.N., Popov O.V., Komarov V.A. Experimental evaluation of efficiency of friction pairs with hard lubricant coating depending on the temperature factor. Trenie i iznos, 1985, vol. 6, no. 6, pp. 1109-1116. (In Russ.).
[20] Teer D.G., Hampshire J., Fox V. et al. The tribological properties of MoS2/metal composite coatings deposited by closed field magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol., 1997, vol. 9495, pp. 572-577, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00498-2
[21] Teer D.G., Hampshire J.H., Bellido V. Improvements in and relating to methods for improving the sputter desposition of metal-sulphur coatings, e.g. molybdenum disulphide coatings and to improved coatings. EU Patent EU 96924987.9,1996.
[22] Renevier N.M., Fox V.C., Teer D.G. et al. Coating characteristics and tribological properties of sputter-deposited MoS2/metal composite coatings deposited by closed field unbalanced magnetron sputter ion plating. Surf. Coat. Technol., 2000, vol. 127, no. 1, pp. 24-37, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00538-7
[23] Miyoshi K. Solid lubrication. Fundamentals and applications. CRC Press, 2001. 414 p.
[24] Miyoshi K., Iwaki M., Gotoh K., et al. Friction and wear properties of selected solid lubricating films. Glenn Research Center, 1999. 30 p.
Информация об авторе
ХОПИН Петр Николаевич — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Технология производства и эксплуатации двигателей летательных аппаратов». Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (125993, Москва, Российская Федерация, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, e-mail: [email protected]).
Статья поступила в редакцию 24.11.2023 Information about the author
KHOPIN Petr Nikolaevich — Doctor of Science (Eng.), Associate Professor, Professor of the Department of Technology of Manufacturing and Operation of Aircraft Engines. Moscow Aviation Institute (National Research University) (125993, Moscow, Russian Federation, A-80, GSP-3, Volokolamskoe Shosse, Bldg. 4, e-mail: [email protected]).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Хопин П.Н. Перспективные твердосмазочные покрытия для применения в условиях нормальной атмосферы и вакуума. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 7, с. 95-105.
Please cite this article in English as: Khopin P.N. Promising solid lubricant coatings for use in the normal atmosphere and vacuum. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2024, no. 7, pp. 95-105.
