CC BY
14
УДК 621.891:519.28 doi: 10.18698/0536-1044-2021-1-54-65
Сравнительная оценка триботехнических характеристик твердосмазочных покрытий, нанесенных методом замкнутого поля несбалансированного магнетронно-ионного распыления, для различных условий функционирования
П.Н. Хопин, О.Б. Сильченко
МАИ
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
P.N. Khopin, O.B. Silchenko
Moscow Aviation Institute
Проведена сравнительная оценка триботехнических характеристик пар трения с твердосмазочными покрытиями (ТСП) на основе M0S2, полученными методом суспензионного нанесения, типа ВНИИ НП 212 и ТСП, нанесенных методом замкнутого поля несбалансированного магнетронно-ионного распыления (closed field unbalanced magnetron sputter ion plating — CFUBMSIP), — TCncFUBMs/p — комбинированного состава МоS2 + Ti, МоS2 + Zr, МоS2 + Cr, МоS2 + W. Установлено, что в нормальных атмосферных условиях в режимах трения, соответствующих контактной температуре трения 157 °С, у TCncFUBMs/p 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 ТСПсргамх/р при переходе от нормальных атмосферных условий к воде составило 2,98. В нормальных атмосферных условиях и воде коэффициент трения ТСПср1®м5/р находится в диапазоне 0,02...0,04, а в масляной среде — в интервале 0,03...0,08. Выявлено, что ТСПсргамх/р на основе МоS2 в нормальных атмосферных условиях, воде и масле практически неработоспособно.
Ключевые слова: твердосмазочные покрытия, триботехнические характеристики, несбалансированное магнетронно-ионное распыление, суспензионное нанесение, нормальные атмосферные условия, масляная среда
This paper presents a comparative assessment of the tribotechnical characteristics of friction pairs with solid lubricant coatings (SLC) based on the MoS2 suspension application of VNII NP 212 and SLCcfubmsip deposited by the closed field unbalanced magnetron sputter ion plating (CFUBMSIP) of combined compositions MoS2 + Ti, MoS2 + Zr, MoS2 + Cr, MoS2 + W. It was established that under normal atmospheric conditions in the friction
modes corresponding to the contact friction temperature of 157 °C, the life of SLCcfubmsip was 42.1 % higher, and the coefficient of friction (ffr) was on average 2 times lower than that of SLC VNII NP 212. The average value of the life reduction coefficient for SLCcfubmsip during the transition from normal atmospheric conditions to water was 2.98. Under normal atmospheric conditions and in water, the SLCcfubmsip coefficient of friction was in the range of 0.02-0.04, and in an oil environment it ranged from 0.03 to 0.08. SLCcfubmsip based on pure MoS2 in normal atmospheric conditions, in water and oil was practically unusable.
Keywords: solid lubricant coatings, tribotechnical indicators, unbalanced magnetron sputter ion plating, suspension application, normal atmosphere, oil medium
В настоящее время в инструментальной промышленности применяют композитные твер-досмазочные покрытия (ТСП) на основе Мо82/Т1 (обозначаемые как Мо8Т) и другого состава, полученные методом несимметричного магнетронного распыления в замкнутом поле [1]. Такие покрытия, наносимые на режущий инструмент и штамповую оснастку, используются в автомобильной промышленности при крупносерийном производстве.
Традиционно для узлов трения автономной смазки применяют отечественные (ВНИИ НП, ВАП) и зарубежные (например, фирмы Мо-1уко1е) марки ТСП, получаемые методом суспензионного нанесения (СН) [2]. Однако сравнительная оценка триботехнических характеристик таких покрытий не осуществлялась.
Цель работы — оценка триботехнических характеристик указанных зарубежных ТСП комбинированного состава в сравнении с отечественными ТСП суспензионного типа со связующими смолами, в том числе для условий скользящего контакта.
Для узлов трения, автономно функционирующих как в нормальных атмосферных условиях, так и в условиях вакуума, широко используют ТСП с органическими и неорганическими связующими и наполнителями типа Мо82, графита, политетрафторэтилена и др. Традиционно эти ТСП наносят на детали методом СН.
ТСП, полученные методом суспензионного нанесения (далее ТСПсн), применяют:
• в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, радиации и теплового излучения [3-7];
• в узлах трения, работающих при экстремальных нагрузках, соизмеримых с пределами текучести металлов [7, 8];
• при малой скорости скольжения, недостаточной для образования смазочного гидродинамического клина при трении со смазкой, в качестве которой выступают минеральные и синтетические масла [8, 9];
• в широком диапазоне отрицательных и положительных рабочих температур [7, 10].
Основными недостатками ТСПСН являются:
• определенный ресурс покрытий, зависящий от нагрузочно-скоростных и температурных условий функционирования;
• определенные границы температурного применения, зависящие в основном от типа связующего вещества;
• в большинстве случаев неработоспособность в масляной среде.
В 80-90-е годы прошлого века был разработан метод магнетронного напыления ТСП. В 1996-1997 гг. он был усовершенствован, и предложены ТСП на основе MoS2, нанесенные методом замкнутого поля несбалансированного магнетронного распыления ионного типа (Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter Ion Plating — CFUBMSIP) [11-13]. Толщина ТСП, полученных методом CFUBMSIP (далее TCncFOTMSff), составляла 1 мкм. При этом у них сохранялись очень низкие антифрикционные характеристики в сочетании с высокой износостойкостью и возможностью функционирования в воде и масляной среде.
Методы исследований. Параметры нанесения ТСП методом CFUBMSIP. В работах [14, 15] для распыления ТСП методом CFUBMSIP использована установка UDP-550 и методика фирмы Teer Coatings Ltd. Покрытие наносилось при смещении по постоянному току на образцы, вращающиеся между четырьмя мишенями, при различных условиях осаждения.
Наилучшие характеристики ТСПсрцвмх» были достигнуты с помощью запатентованного метода осаждения [16], в котором мишени дисульфида молибдена и титана распылялись совместно. Покрытие комбинированного состава на основе МоS2 наносилось на различные подложки: кремний и инструментальную сталь AISI M42 твердостью 800 HV.
Мо82
\ioS2
Рис. 1. Схема четырехмагнетронной камеры при нанесении ТСП методом СБиВМ81Р: 1 — магнетрон; 2 — мишень; 3 — замкнутое магнитное поле системы; 4 — держатель образца
В работе [13] применен модифицированный метод осаждения. Магнетроны внутри камеры располагали так, чтобы использовались две мишени из дисульфида молибдена, одна из титана и одна из металла (титана, хрома, циркония, вольфрама). При этом образцы вращались между мишенями (рис. 1).
Чтобы снизить содержание водяного пара в вакуумной камере, титановая мишень распылялась в присутствии аргона во время ионной очистки подложек перед осаждением для получения геттерирующего эффекта, создаваемого холодной ловушкой с помощью атомов титана, которые выбрасывались из мишени, реагирующей с кислородом в камере. Затем титановая мишень использовалась для нанесения промежуточного слоя толщиной 100 нм, что улучшило адгезию покрытия.
Таблица 1
Основные параметры о
Мо82
Мо82
Рис. 2. Схема нанесения ТСП типа Мо8Т: 1 — несбалансированная магнетронная мишень;
2 — замкнутое магнитное поле системы;
3 — стол с образцами
Титан применялся в качестве промежуточного слоя для повышения несущей способности и адгезии таких металлов, как вольфрам или цирконий. Далее наносился второй промежуточный слой путем распыления четырех мишеней: двух из дисульфида молибдена, одной из титана и одной из металла. Мощность потенциала титановой мишени постепенно снижалась до нуля. Этот слой состоял из 200-нанометрового смешанного металлического титана и Мо82.
В данной работе проведены исследования ТСПсгобмхтр на основе Мо82 и комбинированного состава Сг/Мо82, 'ШМо82 и 7г/Мо82. Металлическая мишень выключалась в конце процесса для получения чистого покрытия Мо82 толщиной 50 нм.
Примерные параметры нанесения ТСП типа Мо8Т методом СБиВМ81Р можно оценить при
кдения ТСП типа МоST
Параметр Мо82 (99,0 %) Мишень Т1 (99,9 %)
Мощность на мишени, кВ 5 0...5
Базовое давление, мПа 1
Давление Аг, Па 0,5
Температура осаждения, °С Около 100
Смещение подложки, В -100
Несбалансированный ток катушки, А 5
Время осаждения, мин 60
= 2,5 мм, скорость скольжения v = 150 мм/мин (в течение 1 с в каждом направлении) [13, 15]. Все трибологические испытания проводили на воздухе при температуре 20... 23 °C и относительной влажности 30.40 %.
В работах [15, 18] приведены результаты испытаний при возвратно-поступательном изнашивании покрытий на основе MoS2, разработанных с использованием системы замкнутого поля несбалансированного магнетрона в 1994-1996 гг.
Наибольшее число циклов испытаний ТСП типа МоST составило 10 000, твердость покрытия — 500 HV. С учетом того, что в одном направлении шар двигался 1 с, один цикл перемещения при возвратно-поступательном движении осуществлялся за 2 с. Следовательно, наибольший ресурс ТСП типа МоST TmüST = = 10 000-2 = 20 000 с = 333,3 мин.
Испытания проводили на тестере царапин и износа Teer ST-2200 [13] на воздухе при температуре 20 °С и относительной влажности 41 %, т. е. в нормальных атмосферных условиях (НАУ), под водой и в чистом синтетическом моторном масле Castrol (далее масло). Результаты реверсивных испытаний пары трения шар — плоскость (далее пара трения)
Таблица 2
Результаты реверсивных испытаний пары трения с ТСП разного состава, нанесенных методом CFUBMSIP
ТСП Среда испытаний Коэффициент трения _/тр Трибологические параметры Износ пары Ширина дорожки трения И, м3/м • Н трения Ь, мкм Число циклов испытаний W
M0S2 НАУ 0,020 8,00 - 10-16 276 880
Вода 0,018 1,99 - 10-14 250 32
Масло 0,080 2,25 - 10-15 220 150
M0S2 + в НАУ 0,038 4,13 - 10-17 214 10 000
Вода 0,020 1,93 - 10-16 272 3600
Масло 0,030.0,080 5,71 - 10-17 234 10 000
M0S2 + Zr НАУ 0,039 1,80 - 10-17 168 10 000
Вода 0,022 1,29 - 10-16 276 6200
Масло 0,030.0,070 5,96 - 10-17 206 10 000
M0S2 + Cr НАУ 0,029 4,61 - 10-17 230 10 000
Вода 0,021 3,59 - 10-16 240 2100
Масло 0,070 1,22 - 10-16 390 10 000
M0S2 + W НАУ 0,028 3,17 - 10-17 224 10 000
Вода 0,022 1,77 - 10-16 250 3600
Масло 0,020.0,040 4,39 - 10-16 172 10 000
N
/
Рис. 3. Схема возвратно-поступательного движения шара по плоскости при трибологическом испытании ТСП типа Мо8Т
анализе режимов, описанных в работе [17], где использована аналогичная схема (рис. 2).
Основные параметры осаждения ТСП типа Мо8Т приведены в табл. 1.
Условия проведения и результаты трибо-логических испытаний ТСП. Износостойкость и антифрикционные свойства ТСП типа Мо8Т оценивали при возвратно-поступательном движении шара, изготовленного из твердого сплава ВК6 ^С — 94 %, Со — 6 %), по плоскости (рис. 3). Контактная нагрузка N = 100 Н, диаметр шара d = 5 мм, длина дорожки l =
с ТСП разного состава, нанесенных методом СБиВМ81Р, приведены в табл. 2.
Анализ результатов. Значения антифрикционных характеристик — коэффициента трения — пары трения с ТСПсгобмх:р разного состава, функционирующей в НАУ, воде и масле (см. табл. 2), приведены на рис. 4, а. Как видно из рисунка, для всех исследованных ТСПсрцвмх» в НАУ коэффициент трения /тр = 0,020...0,040, в воде /тр = 0,020.0,025, в масле /тр = = 0,030.0,080.
Значения относительного износа Иотн = = ^ (И-1017) пары трения с ТСПсгобмхтр разного
состава, функционирующей в НАУ, воде и масле, приведены на рис. 4, б. Анализ полученных данных показывает, что износостойкость ТСП на основе чистого дисульфида молибдена существенно меньше, чем у ТСП комбинированного состава.
Значения ширины дорожки трения шара Ь пары трения с ТСПсго.вмх№ разного состава, функционирующей в НАУ, воде и масле, приведены на рис. 4, в. Анализ рисунка позволяет заключить, о несущественных изменениях истирающей способности рассматриваемых ТСП (ДЬ = 200.400 мкм) для различных сред функционирования.
И^м^м-Н)
3,0 2,5 2,0 _
1,5 - £
1,0 - |
0,5 - |
0 Щ
с¿V -О V с> ^
X X х
V М>
^ ^
ТСП б
Ъ, мкм
Ж-10
,-3
ьЯ5 X X X X
V Ы, С-<\ сл
^ # ^
ТСП в
^ & 4
^ * х X х
V С^ йл СЛ
# ^ #
ТСП
г
Рис.
4. Значения коэффициента трения/тр (а), относительного износа Иотн (б), ширины дорожки трения шара Ь (в) и числа циклов испытаний W (г) пары трения с ТСП^^вм? разного состава, функционирующей в НАУ (1), воде (2) и масле (3)
• ТСПс£(7бмх№ на основе чистого дисульфида молибдена в исследованных условиях практически неработоспособно;
• в НАУ и масле ТСПсговмх^ имеют предельную для данных условий износостойкость;
• в воде наибольшее число циклов (W = = 6200) наблюдается у ТСПс£(жмх!р состава Мо82 + Zr; ТСПсговмх:р состава Мо82 + Т и Мо82 + W выдерживают одинаковое число циклов W = 3600;
• среднее значение коэффициента снижения ресурса для всех ТСПсговмх:р комбинированного типа составило 2,98.
Расчетная оценка триботехнических характеристик ТСП срквмх/р для условий скользящего контакта. Решение поставленной задачи включало в себя три этапа.
1. Оценка контактной температуры трения реверсивно работающего сопряжения с ТСПCFUBMSIP. На первом этапе использованы термокорреляционные зависимости Т тр = f (p, v) [2], где р — контактное давление; v — скорость скольжения. Для рассматриваемого случая (см. рис. 3) скорость скольжения v = 150 мм/мин =
Таблица 3
Расчетные значения контактного давления для реверсивно работающего сопряжения с ТСПСр[®МмР
ТСПсговмяр в НАУ Контактное давление рсговмяр, МПа в воде в масле
МО82 1672 2038 2632
МО82 + Т 2782 1722 1697
МО82 + Zr 4513 1672 3002
МО82 + Сг 2408 2212 838
МО82 + W 2539 2038 1722
Таблица 4
Зависимости Ттр = /(p, V) для различных схем трения, типов ТСП и диапазонов варьирования параметров в НАУ
Тип ТСП Схема трения Диапазоны варьирования параметров Зависимость Ттр = /(р, V), °С
на основе Мо82 N Н (р, МПа) V, м/с
ВНИИ НП-212 Роликовая (модерни- 236.1337 0,096.1,224 Ттр = 36,49 +132^ + 0,535р +
зированная машина (23,1.133,7) + 0,234pv - 47,94v2 - 2,094 • 10-3 р2
трения типа РП)
ВНИИ НП-212 Роликовая (машина 210.1790 1,472.3,728 Т тр = 119,35 +10^ +
трения типа СМТ) (12,2.103,5) + 0,065р + 0,335рv
Мс1уЫе 7409 Торцевая (стенд 755.9045 0,110.0,250 Т тр = 67,27-98^ + 0,464р +
шайба — диск) (5,60.67,2) + 6,42 рv -0,011р2 (2)
Значения износостойкости — числа циклов испытаний Ш — пары трения с ТСПсговмх^ разного состава, функционирующей в НАУ, воде и масле, приведены на рис. 4, г.
Для оценки степени снижения ресурса пары трения с ТСПсговмх:р в воде относительно такового для ТСПс£(7бмх№ в НАУ введен коэффициент снижения ресурса
„ = Жюзд Кснр (1)
где Швозд и Шв — число циклов испытаний пар трения с ТСПсговмх:р в НАУ и воде.
С помощью формулы (1) получены следующие значения коэффициента снижения ресурса для ТСПсговмх:р разного состава:
МО82 ....................................... 27,50
МО82 + Т....................................2,78
МО82 + Zr....................................1,61
МО82 + Сг................................... 4,76
МО82 + W................................... 2,78
Анализ рассчитанных значений коэффициента Ксн.р и данных, приведенных на рис. 4, в, показывает следующее:
= 2,5 мм/с = 0,0025 м/с. Контактное давление оценивали с учетом контактной нагрузки N = = 100 Н и площади пятна износа на шарике S, рассчитываемой исходя из ширины площадки износа b (см. табл. 2).
Расчетные значения контактного давления для реверсивно работающего сопряжения с ТСП cf UBMSIP, приведены в табл. 3.
0,0025
0,25
v, м/с
Рис. 5. Схемы первой (1) и второй (2) корректировок температуры трения Ттр для условий реверсивных испытаний трибосопряжения с ТСПсргамвн1
4 р, ГПа
Рис. 6. Результаты расчета поверхностной температуры трения Ттр для реверсивных трибоиспытаний ТСПс^кшвхр разного состава в НАУ (кривая ИДКЛ, см. рис. 5): ▲ — МО82; — МО82 + И; * — Мо82 + Zr; ♦---♦ — кривая АБ
Для расчета контактной температуры трения использованы термокорреляционные зависимости Ттр = /(р, V), приведенные в работе [2]. Зависимости Ттр = /(р, V) для различных схем трения, типов ТСП и диапазонов варьирования параметров в НАУ приведены в табл. 4.
Анализ данных табл. 4 показывает, что самыми близкими к нагрузочно-скоростным параметрам исследуемых ТСП оказались диапазоны зависимости (2). Однако выход контактного давления р и скорости скольжения V пар трения с ТСП за диапазоны указанной зависимости требует корректировки с пересчетом значений Ттр. Пересчет проведен согласно схемам первой и второй корректировок Ттр для условий реверсивных испытаний трибо-сопряжения с ТСПсговмхр приведенным на рис. 5.
При первой корректировке пересчет выполнен для основного уровня контактного давления р = 36,6 МПа. Ординаты точек кривой ВОГ рассчитаны путем преобразования термокорреляционной зависимости (2), которая для указанного уровня контактного давления приобретает вид
Т Тр = 69,4 + 136v.
Точка Д (см. рис. 5) соответствовала значению скорости скольжения, принятому при исследовании ТСПс£(7вмх№ (см. табл. 2), а ордината точки Е — температуре фрикционного контакта при нулевой скорости скольжения, которая была принята равной 20 °С.
При учете ординат точек В, О, Г, Д и Е с помощью программы МА^АВ получена экспоненциальная зависимость, описывающая искомую кривую ВЕ,
Ттр = 72,08 еМ49-52,08 е~1198. (3)
Рассчитанная по уравнению (3) поверхностная температура трения точки Е для искомой скорости V = 0,0025 м/с составила 69,7 °С.
При второй корректировке вначале получили уравнение кривой АБ для основного уровня скорости скольжения V = 0,18 м/с:
Ттр = 48,48 +1,62р-0,011 р2. (4)
После расчета разницы температур Ттр точек О и Д уравнение (4) преобразовали в уравнение кривой ИК, а затем расширили его до искомых значений давления рсривмБ1Р (см. табл. 3). Результаты расчета поверхностной температуры трения Т тр для реверсивных три-
Таблица 5
Расчетные значения поверхностной температуры трения Ттр для различных условий реверсивных трибоиспытаний ТСПСговм«№
ТСПсговмяр Температура Ттр, °С
в НАУ в воде в масле
Мо82
148
152
156
Мо82 + Т1 158 148 148
Мо82 + 168 148 159
Мо82 + Сг 155 153 134
Мо82 + Ш
156
152
148
Таблица 6
Значения коэффициента снижения ресурса K пар трения с ТСПСН при переходе от скользящего движения к реверсивному
ТСПсн К
Тип Состав
Мс1уЫе 3400А Мс^ (12 %) + эпоксидная смола 2,09 [19]
Мс1уЫе 3400А (без РЬ) Мо82 (12 %) + эпоксидная смола 0,99.2,07 [19]
ВНИИ НП 230 Мс82 + эпоксидное связующее 0,94 [20]
ВНИИ НП 212 Мс82 + мочевиноформальдегидная смола 2,26 [20]
ВНИИ НП 250 Мс82 + кремнийорганическая смола 1,85 [20]
ВНИИ НП 229 Мс82 + силикат натрия 3,78 [20]
Среднее значение 2,13
боиспытаний ТСПс£(7бмх№ разного состава в НАУ приведены на рис. 6.
Расчетные значения поверхностной температуры трения Т тр для всех условий реверсивных трибоиспытаний ТСПстот^р приведены в табл. 5.
2. Сравнительная оценка ресурса пары с ТСПCFUBMSIP, пересчитанного для условий скользящего контакта, с ресурсом отечественного ТСПсн для НАУ. Для такой оценки необходимо провести пересчет с использованием коэффициента снижения ресурса пары трения с ТСПсн при ее переходе от скользящего движения к реверсивному по формуле [19, 20]
т ск т рев K,
где тск и т рев — ресурс пары трения с ТСП при скользящем и реверсивном движении.
Значения коэффициента снижения ресурса K пар трения с ТСПсн при переходе от скользящего движения к реверсивному, полученные в работах [19, 20], приведены в табл. 6.
При среднем значении коэффициента K = = 2,13 получены следующие значения ресурса пары трения с покрытиями, нанесенными по технологии СБиВМ81Р:
• для Мо82
тСк = (880 • 2) • 2,13 = 62,5 мин = 1,04 ч;
• для комбинированного состава Мо82/ме-талл
тск = (10 000-2)2,13 = 710 мин = 11,8 ч.
В целях сравнения расчетных значений ресурса ТСПсговмх№ с ресурсом ТСПсн построена зависимость т = / (Т тр) для ТСПСН ВНИИ НП 212 [19], приведенная на рис. 7.
Анализ данных, приведенных на рис. 7, показывает, что при средней поверхностной температуре трения Ттр = 157 °С ресурс ТСПсговмхтр комбинированного состава Мо82/металл на 42,1 % больше, чем у ТСПсн ВНИИ НП 212.
3. Сравнительная оценка коэффициента трения пар с ТСПcFuвмsIP комбинированного состава, пересчитанная для условий сколь-
X, мин
1000 -800 -
®х
600 -400 -
♦
200 -
♦
■ ♦
0 100 200 300 400 °С
Рис. 7. Расчетные значения ресурса т ТСПсргам5/Р при средней поверхностной температуре трения Ттр = 157 °С и зависимость т = /(Ттр) для ТСПсн ВНИИ НП 212 в НАУ: ♦ — ТСПсн ВНИИ НП 212; — ТСПагамх/р на основе Мо82; А — ТСПагамяр состава Мо82 + И; X — ТСПсговмяр состава Мо82 + Zr; * — ТСПсговмяр состава Мо82 + Сг; О — ТСПагамяр состава Мо82 + W
зящего контакта, в сравнении с антифрикционными характеристиками отечественного ТСПСН для НАУ [21]. Расчетные значения коэффициента трения /Гр ТСПсговмх:р разного состава при средней поверхностной температуре трения Ттр = 157 °С и зависимость /тР = / (Ттр) для ТСПсн ВНИИ НП 212 в НАУ приведены на рис. 8.
Анализ результатов исследований, приведенных на рис. 8, показывает, что коэффициент трения ТСПс£ивмх№ в среднем в 2 раза меньше, чем у ТСПСН ВНИИ НП 212. Это можно объяснить следующими причинами. Созданные в условиях вакуума ТСПсговмх^ толщиной около 1 мкм дают возможность создать покрытия из частиц Мо82, расположенных параллельно поверхности трения, что подтверждается низким коэффициентом трения.
В то время как нанесенные в НАУ ТСПсн с оптимальной толщиной 20 ± 5 мкм [22] и 7,62 ± ± 12,7 мкм [23] позволяют получить покрытия, в которых частицы Мо82 расположены хаотично. И лишь в результате последующей приработки в режимах, обеспечивающих температуру Ттр > 100 °С, образуется смазочная пленка толщиной около 1 мкм, состоящая из строго ориентированных вдоль поверхности трения частиц Мо82, благодаря чему коэффициент трения /тр = 0,03.0,06.
/тр
0,10 - ♦
0,08
0,06
0,04 А<
0,02 - ■
0 200 400 Гтр, °С
Рис. 8. Расчетные значения коэффициента трения /тр ТСПсривм51р при средней поверхностной температуре трения Ттр = 157 °С и зависимость /тр = / (Ттр) для ТСПсн ВНИИ НП 212 в НАУ:
♦ — ТСПсн ВНИИ НП 212; ■ — ТСПагошх/р на основе Мо82; А — ТСПагамяр состава Мо82 + И; X — ТСПсговмяр состава Мо82 + Zr; * — ТСПсговмяр состава Мо82 + Сг; О — ТСПагамяр состава Мо82 + W
Выводы
1. Разработана и реализована методика сравнительной оценки результатов трибологи-ческих испытаний ТСП для условий реверсивного и скользящего контактов.
2. В результате сравнительной оценки три-ботехнических характеристик фрикционного сопряжения с ТСПсн на основе Мо82 типа ВНИИ НП 212 и ТСПс£ивмх№ комбинированного состава Мо82 + Т1, Мо82 + Zr, Мо82 + Сг, Мо82 + W в НАУ с режимами трения, соответствующими температуре Ттр = 157 °С, установлено:
• ресурс ТСПс£(7вмх№ на 42,1 % больше, чем у ТСПсн ВНИИ НП 212;
• коэффициент трения ТСПсговмхтр в среднем в 2 раза меньше, чем у ТСПсн ВНИИ НП 212.
3. Анализ результатов реверсивных трибо-испытаний ТСПсговмх№ выявил следующее:
• в НАУ и масле ТСПсговмх:р комбинированного состава Мо82 + Т1, Мо82 + Zr, Мо82 + Сг, Мо82 + W имеют предельную для данных условий износостойкость;
• в воде наибольшее число циклов (Ш = = 6200) наблюдается у ТСПс£(7вмх№ состава Мо82 + Zr; ТСПсговмх:р состава Мо82 + Т1 и
Мо82 + Ш выдерживают одинаковое число циклов Ш = 3600;
• среднее значение коэффициента снижения ресурса при переходе от НАУ к воде составило 2,98;
• ТСПс£(7вмх№ на основе чистого Мо82 в НАУ, воде и масле практически неработоспособно;
• в НАУ и воде коэффициент трения ТСПс£(7вмх№ составил 0,02.0,04, в масле — 0,03.0,08.
Литература
[1] Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C., Witts J., Allen T., Teer D.G. Advantages of using self-
lubricating, hard, wear-resistant MoS2-based coatings. Surface and Coatings Technology, 2001, 142-144, pp. 67-77, doi: 10.1016/S0257-8972(01)01108-2
[2] Хопин П.Н. Оценка долговечности пар трения с твердосмазочными покрытиями раз-
личных составов отечественного и зарубежного производства. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 1, с. 84-93, doi: 10.18698/0536-10442018-1-84-93
[3] Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия.
Москва, Химия, 1967. 320 с.
[4] Krick B.A., Sawyer W.G. Space Tribometers: Design for Exposed Experiments on Orbit. Tri-
bol Letters, 2011, vol. 41, pp. 303-311, doi: 10.1007/s11249-010-9689-y
[5] Wang H., Xu B., Liu J. Micro and Nano Sulfide Solid Lubrication. Science Press Beijing and
Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012. 304 p.
[6] Miyoshi K. Solid Lubrication. Fundamentals and Applications. Characterization of Solid Surfaces.
NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, Marcel Dekker Inc., New York, 2001. 400 p.
[7] Voevodin A.A., Zabinski J.S. Nanocomposite and nanostructured tribological materials for
space applications. Composites Science and Technology, 2005, vol. 65, pp. 741-748, doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2004.10.008
[8] Дроздов Ю.Н., Юдин Е.Г., Белов А.И. Прикладная трибология (трение, износ и смазка).
Москва, ЭкоПресс, 2010. 604 с.
[9] Поздняков В.В., Буяновский И.А. Эффективные методы уменьшения трения (твердые
смазки). Москва, ЦНИИПИ, 1977. 52 с.
[10] Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов. Санкт-Петербург, Балт. гос. техн. ун-т., 2007. 54 с.
[11] Teer D.G., Hampshire J., Fox V., Bellido-Gonzalez V. The tribological properties of MoS2/metal composite coatings deposited by closed field magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 1997, vol. 94-95, pp. 572-577.
[12] 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. Patent EU 96924987.9. 1996.
[13] Renevier N.M., Fox V.C., Teer D.G., Hampshire J. Coating characteristics and tribological properties of sputter-deposited MoS2/metal composite coatings deposited by closed field unbalanced magnetron sputter ion plating. Surface and Coatings Technology, 2000, vol. 127, pp. 24-37, doi: 10.1016/S0257-8972(00)00538-7
[14] Teer D.G. Magnetron Sputter Ion Plating. UK Patent GB 2258343B, 1990.
[15] Bellido-Gonzalez V., Jones A.H.S., Hampshire J., Allen T.J., Witts J., Teer D.G., Ma K.J., Upton D. Tribological behaviour of high performance MoS2 coatings produced by magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 1997, vol. 97, pp. 687-693, doi: 10.1016/S0257-8972(97)00546-X
[16] Teer D.G., Bellido-Gonzalez V., Hampshire J.H. Improvements in and relating to methods for improving the sputter deposition of metal-sulphur coatings, e.g. MoS2 coatings, and to improved coatings. Patent no. 9615137.8 UK, 1996.
[17] Zhou Hui, Zheng Jun, Wen Qing-Ping, Wan Zhi-hua, Sang Rui-Peng. The effect of Ti content on the structural and mechanical properties of MoS2-Ti composite coatings deposited by unbalanced magnetron sputtering system. Physics Procedia, 2011, vol. 18, pp. 234-239, doi: 10.1016/j.phpro.2011.06.087
[18] Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C., Witts J., Allen T., Teer D.G. Advantages of using self-lubricating, hard, wear-resistant MoS2-based coatings. Surface and Coatings Technology, 2001, vol. 142-144, pp. 67-77, doi: 10.1016/S0257-8972(01)01108-2
[19] Хопин П.Н., Трунова Е.А. Сравнительная оценка работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями зарубежного производства при скользящем и реверсивном движениях. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 10, с. 47-55, doi: 10.18698/0536-1044-2018-10-47-55
[20] 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.
[21] Хопин П.Н. Оценка антифрикционных характеристик пар трения с твердосмазочными покрытиями для различных условий функционирования. Трение и износ, 2015, т. 36, № 5, с. 491-498.
[22] Сентюрихина Л.Н., Рубцова З.С. Нанесение твердых смазочных покрытий, содержащих дисульфид молибдена, на поверхности трения. Москва, Химия, 1967. 12 с.
[23] Gonzalez D. Process Specification for Dry-Film Lubricant Application. PRC-8001 Rev. F. NASA, Johnson Space Center, Houston, Texas, 2019. 13 p.
References
[1] Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C., Witts J., Allen T., Teer D.G. Advantages of using self-
lubricating, hard, wear-resistant MoS2-based coatings. Surface and Coatings Technology, 2001, 142-144, pp. 67-77, doi: 10.1016/S0257-8972(01)01108-2
[2] Khopin P.N. An Assessment of the Durability of Friction Couples with Solid Lubricant Coat-
ings of Various Compositions Produced by Domestic and Foreign Manufacturers. Proceedings of Higher Educational Institutions. МаМne Building, 2018, no. 1, pp. 84-93 (in Russ.), doi: 10.18698/0536-1044-2018-1-84-93
[3] Breytueyt E.R. Tverdyye smazochnyye materialy i antifriktsionnyye pokrytiya [Solid lubricants
and anti-friction coatings]. Moscow, Khimiya publ., 1967. 320 p.
[4] Krick B.A., Sawyer W.G. Space Tribometers: Design for Exposed Experiments on Orbit. Tri-
bol Letters, 2011, vol. 41, pp. 303-311, doi: 10.1007/s11249-010-9689-y
[5] Wang H., Xu B., Liu J. Micro and Nano Sulfide Solid Lubrication. Science Press Beijing and
Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012. 304 p.
[6] Miyoshi K. Solid Lubrication. Fundamentals and Applications. Characterization of Solid Sur-
faces. NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, Marcel Dekker Inc., New York, 2001. 400 p.
[7] Voevodin A.A., Zabinski J.S. Nanocomposite and nanostructured tribological materials for
space applications. Composites Science and Technology, 2005, vol. 65, pp. 741-748, doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2004.10.008
[8] Drozdov Yu.N., Yudin E.G., Belov A.I. Prikladnaya tribologiya (treniye, iznos i smazka) [Ap-
plied tribology (friction, wear and lubrication)]. Moscow, EkoPress publ., 2010. 604 p.
[9] Pozdnyakov V.V., Buyanovskiy I.A. Effektivnyye metody umen'sheniya treniya (tverdyye
smazki) [Effective methods for reducing friction (solid lubricants)]. Moscow, TSNIIPI publ., 1977. 52 p.
[10] Malenkov M.I., Karatushin S.I., Tarasov V.M. Konstruktsionnyye i smazochnyye materialy kosmicheskikh mekhanizmov [Construction and lubricants of space mechanisms]. Sankt-Petersburg, VOENMEH publ., 2007. 54 p.
[11] Teer D.G., Hampshire J., Fox V., Bellido-Gonzalez V. The tribological properties of MoS2/metal composite coatings deposited by closed field magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 1997, vol. 94-95, pp. 572-577.
[12] 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. Patent EU 96924987.9. 1996.
[13] Renevier N.M., Fox V.C., Teer D.G., Hampshire J. Coating characteristics and tribological properties of sputter-deposited MoS2/metal composite coatings deposited by closed field unbalanced magnetron sputter ion plating. Surface and Coatings Technology, 2000, vol. 127, pp. 24-37, doi: 10.1016/S0257-8972(00)00538-7
[14] Teer D.G. Magnetron Sputter Ion Plating. UK Patent GB 2258343B, 1990.
[15] Bellido-Gonzalez V., Jones A.H.S., Hampshire J., Allen T.J., Witts J., Teer D.G., Ma K.J., Upton D. Tribological behaviour of high performance MoS2 coatings produced by magne-
tron sputtering. Surface and Coatings Technology, 1997, vol. 97, pp. 687-693, doi: 10.1016/S0257-8972(97)00546-X
[16] Teer D.G., Bellido-Gonzalez V., Hampshire J.H. Improvements in and relating to methods for improving the sputter deposition of metal-sulphur coatings, e.g. MoS2 coatings, and to improved coatings. Patent no. 9615137.8 UK, 1996.
[17] Zhou Hui, Zheng Jun, Wen Qing-Ping, Wan Zhi-hua, Sang Rui-Peng. The effect of Ti content on the structural and mechanical properties of MoS2-Ti composite coatings deposited by unbalanced magnetron sputtering system. Physics Procedia, 2011, vol. 18, pp. 234-239, doi: 10.1016/j.phpro.2011.06.087
[18] Renevier N.M., Hamphire J., Fox V.C., Witts J., Allen T., Teer D.G. Advantages of using self-lubricating, hard, wear-resistant MoS2-based coatings. Surface and Coatings Technology, 2001, vol. 142-144, pp. 67-77, doi: 10.1016/S0257-8972(01)01108-2
[19] Khopin P.N., Trunova E.A. A Comparative Assessment of Efficiency of Foreign-Made Friction Pairs with Solid Lubricant Coating when in Sliding and Reverse Motion. Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building, 2018, no. 10, pp. 47-55 (in Russ.), doi: 10.18698/0536-1044-2018-10-47-55
[20] Khopin P.N., Kozlova O.V., Gorbach L.E. Durability evaluation for friction pairs with solid lubrication coatings under reverse motion. Journal of Friction and Wear, 2018, vol. 39, no. 6, pp. 505-511, doi: 10.3103/S1068366618060053
[21] Khopin P.N. Assessment of antifriction characteristics of friction pairs with solid-lubricating coatings under various operating conditions. Journal of Friction and Wear, 2015, vol. 36, no. 5, pp. 374-379, doi: 10.3103/S1068366615050074
[22] Sentyurikhina L.N., Rubtsova Z.S. Naneseniye tverdykh smazochnykh pokrytiy, soderzhash-chikh disul'fid molibdena, na poverkhnosti treniya [Applying a solid lubricant coating containing molybdenum disulfide on the surface of the friction]. Moscow, Khimiya publ., 1967. 12 p.
[23] Gonzalez D. Process Specification for Dry-Film Lubricant Application. PRC-8001 Rev. F. NASA, Johnson Space Center, Houston, Texas, 2019. 13 p.
Информация об авторах
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]).
СИЛЬЧЕНКО Ольга Борисовна — доктор технических наук, 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 15.09.2020 Information about the authors
KHOPIN Petr Nikolaevich — Doctor of Science (Eng.), Associate Professor, Professor, Department of Technology of Manufacturing and Operation of Aircraft Engines. Moscow Aviation Institute (125993, Moscow, Russian Federation, A-80, GSP-3, Volokolamskoe Shosse, Bldg. 4, e-mail: [email protected]).
SILCHENKO Olga Borisovna — Doctor of Science (Eng.), Professor, Department of Technology of Manufacturing and Operation of Aircraft Engines. Moscow Aviation Institute (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., 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: 10.18698/0536-1044-2021-1-54-65
Please cite this article in English as: 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. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2021, no. 1, pp. 54-65, doi: 10.18698/0536-10442021-1-54-65
