CC BY
19
УДК 678.4:678.01
СТРУКТУРА, СОСТАВ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1АН1АЛ0В01 ОПОКРЬМИН НАРЬЗИНЬ
В. И. Суриков. И. В. Николаев. Д. А. Полонянкин. Е. А. Рогачсв.1 К ГТ ТТглкх Видим И Суришк Омский государственный технический угшсерситст, с. Омск, Россия 'Оисхпн ФГУП «ТТТ7ТТ «Прлгрягс», г. Оиск, Россия
Лннчпмщиы — В ]и'иие анаши <н||ун1ги к.шмннс Г1[1л к1у|1нк1х 1)1'(|Г)нннш'1кй и гопак;! и(1к]1М1ии на ненов« тантала на резиновой подложке, полученного метолом магнетроиного распыления, на его трнботех-ннческне характеристики. Показано влияние времени напыления ил структурные образования в виде кластеров п зерен, входящих в состав кластеров покрытия. Анализируется взаимосвязь особенностей структуры н состава с износостойкостью покрытия.
Ключевые слова: резина, тантал, покрытие, структура, износостойкость.
I. Введение
Одним ш иерсие^иньых направлений со^гмтх продукции с ш.г'ымк э&длшугтщшмшымм нь-
ляется папраплепие, оеповапиое ш модифицировании исходных материалов. Существуют различные подходы и мгго;1Ы мол.ифицирочини» Одним их широко ипюлкчугыых подходок иклмпгх ебкгмког чоднфици^жиниг материалов. Особенно широко этот подход применяется для эластомеров. Объемное модифицирование осуществляется путем введения наполните л сё -модиф нкл горев в матрицу материала. При всех лреимушествах эго-гс метода он имеет недостатки — не всегда экономичен к >ффекговек. Другим подходом, пояучнвшны в последнее время широкое распространенно. язлястся поверхностнее модифицирование, заключающееся в заносс-нни модификаторов на поверхность изделия в виде пленочных покрытий [1]. Этот метод позволяет получай, эластсмсры с улучшенными фгоико-мсханкчсскнмн и эксплуатационными свойствами Не менее значимыми
;ии Т«*1НГНН* 1ГХ ЖГ НроПиГМ ХКЛНКУ1ГИ нинспрук 1\']1НЫГ III 1К]1К1 I ИМ НИ ||<1НГ]1ХН<Н"ГИ 1*-:чИН Нп'.М1Г1]1И ил милую
толщину, покрытия очцествеиио повышают механические свойстза нзделше [21. улучшают их триботехинпе
окне евойегаа. «Преимуществом поверхностного модифицирования является также возможность обрабатывать уже готовые изделия, в том числе резипотехшпеские шделия (РТИ) без изменения технологии их производства [3]». Одним из перспективных методов в этом направлении является ионно-илазменный метод напыления на
ПОКГрХШКГИ» {1Г.ЧНН НИНРДИС1^Х'НК1 X туинимкких МГГ||.|]|(1К М/11>1ПрМННПГ Нг111ЫЛГНИГ, НГГМП1|:И НИ недо-
статков, имеет множество достоинств: таких как удобство применения, высокое качество покрытии, возможность наносить покрытия па подложку при невысоких температурах, что особенно в ажио б случае И 1.11 И |
П. Постановка задачи
Как показывает обзор литературы [1. 4], к настоящему времени существует достаточно работ, посвященных изучению покрытий, нанесенных на металлические и композиционные материалы. Что касается покрытий, нанесенных на эластомеры, в частности, на РТИ, то этому направлению исследования в настоящее время уделено недостаточно внимания.
С целью повышения работоспособности 1*ГИ впжне установить связь особенностей структуры н состава покгрхшкггнпш г.н>* с: мксилужицж'нными 1«|ик 1гри1*гикг1ми и:<дшнй Вер :пи 1*и,цг1глы-гкугг и мнячиткгги комплексного исследования структуры, состава приповерхностных слоев получаемых покрытий на поверхности резин. Прп этом ьалшэй задачей является исследование блняш^я режимов ношю плазменного напыления, з частности, времени (толшнны) напыления на особенности структуры поверхностного слоя покрытия и свойства рк<ин
Целью данной работы являлось детальное изучение особенностей структуры и состава покрытия на резиновой подложке за основе с дне го из тугоплавких металлов тантала в зависимости от времени напыления н
успанокнгмиг: КЛИХЧИХ «'1])уму]1ы И ГИТИШ НЯ 1]!И(*.ЛГХНИЧГГК ИГ хлришгриегики покрытия
•<В качестве объектов исследования в данной работе были выбраны образцы нз резины, модифицированные методом магнетреннего распыления на установке «А!) УАУАС УЬМ-200». Со стаз образцов, их проб, подготовка и методика эксперимента приведены в работе [5.6].
Детальное изучение структуры покрытий осуществляли методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) па установке «ДЕОЕ, 1ьМ 6610 1Л~». Химический состав анализировали с использованием эперго дисперсионного анализатора 1Ы)-23иО. Модифицирование резины осуществляли при одних и тех же параметрах НЛ11ЫМСНИН -И И( Ж.1М)ЧГНИГМ КрГМГНИ НИПЫЛГНИХ
Изучение триоотехкических свойств резины осуществляли на приборе тнпа МИ-2 (ГОСТ 426-77). Образцы испытуемой резины б виде «врасок» предварительно притирали и подвергали нспытагипо. Испытание образцов проводили при нормальной силе на два образца, равной 26 II. число оборотов диска за время испытания для всех образцов составляло 5000. В качестве конгртела был выбран диск из конструкционной стали марки 11КП.
Ш. Результаты эксперш^ента
РЗ\Т-ИХ01Ц1ИЖГНИН МОКГрХНОПИ о6}К1:чЦа И1"ХО,11НОЙ рСТСИНЫ И мокры 1ИЧ НИ рГЧИНОКОИ 1ЮД|[ШКГ МОГЛГ напыления танталом показаны на рис. 1 н 2 Для сравнения на рнс. 3 приведено ?ЭМ-изо5раженне покрытия после напыления молибденом.
Из привезенных рисунков видно, что структура покрытой образцов существенно отличается от структуры исходного образца. Анализ изображений свидетельствует о кластерной структуре покрытий при сохранении разной формы: кластеры танталового покрытия в отлитое от молибденового покрытия имеют более вытянутую форму з одном нз направлений. Сами кластеры как в том. так к другом случаях имеют зсрнастую структуру.
Рис. 1. РЭМ-изсбраженпе поверх- Рис 1. РЭМ-изображение покры- Рас. 3 РЭМ-изэбраженне покры-постп исходного резинового об тля после иапылепня металла Та тля после напыления металла Мо раз за
Представляет интерес шучнть влияние времени напыления (при сохранении других параметров) на структуру, госта* и свойства покрытий ня основе тугоплавких металлов, являющихся эффективными защитными
1К1*рЫТИЯМИ РТИ ДгТГИПКНМЙ ИНЛЛНХ К.1ИХНИИ НрГМГНИ ИИНЫЛГНИК НИ ri|îyKiy]»y ПОкрьПИН НИ tK'.HOKt* 1ИНШЛ,
нанесенною на резиновую пцдложху показал. ни ирн нанылении геишюа происходи! двух стадийный рост зерен, на первом до размера порядка 3 мам. иосае киюрош начинается формирование н рост Солее мел-
ких нозых зерен. После длительного напыления более 170 мин на поверхности образца появляются трещины и формируется ччешуйчаюобразная» структура. Зависимость среднею размера зерна в кластере or голшины напыления по датчику ( то же самое, что от времени напыления) приведена на рис. 4. Там же для сравнения показана аналогична.! зависимость для покрытия металлом Mo. Как видно из рисунка, средний размер зерна с
уНГЛИЧГХИГМ НрГМГНИ НИИЫЛГНИН ['ЛОЖНЫМ tlIlflsV'HOM ШМСННПГЯ СП «5 3 МИМ (к!>ГММ Hrll IHIJICH ИН 34 мин) ¿(П W 0.*!
ш>1 (время напыления 233 мин)
Рис. 4 Зависимость среднего размера зерен кластеров покрытий на основе молибдена (сплошная) и тантала (пунктирная) ог толщины напыления относительно стандартной поверхности
Важную роль в формировании свойств покрытий играет химический состав. В таЬл. 1 и 2 приведен химический состав ооразцоо исходной резины и с покрытием па основе тантала для разного времени ппттт.тления.
ТАБЛИЦА 1
ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБРАЗЦОВ ДО ИСПЫТАНИЯ IIA ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
Время распыления Та, мпн
Элементы Исходный 34 100 16S 233
масс %
Та?0< - 83.02 83.48 8955 94.82
С 81,3 13,SI 16.52 10,05 5,18
Cl 11,8 2,75 - - -
SO, 2,27 0,42 - - -
MgO, ZcO 1,60 - - - -
ТАБЛИЦА 2
ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБРАЗЦОВ ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЯ IIA ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
Элементы Время распыления Та. мпн
Исходный 34 100 168 233
МИ1Ч . %
Та:05 47.99 31,79 51.54 71.91
С 84.3 37,94 36,04 28,57 19,83
Cl 11.8 9,16 22,71 11,08 '1,78
so3 2,27 0,85 3,75 2,38 3,48
MgO: ZnO 1,60 3,76 5,73 3,43
РгГ<уЛК13ПЫ ихучкния П:и1Н1 1ТГХНИЧГТКИХ Xr1pa< llfJICCIVK ИОКрМГИИ НИ (ХНОКГ 1ИНТН11И Hü Jir^HliKIIM нодл»**?
для разлого времени напыления приведены в табл. 3. а па рпс. 5 показана зависимость истираемости покрытия
1ГШ1НН1ГЛКНО VJIOKHX №'ГИ]»1Ки«'ГИ ]Г 'ИН{Щ'Й 1К1Д1Ю.4. КИ Г»Г.< иокркг гим
ТАБЛИЦА 3.
ИСТИРАЕМОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ ИСХОДНОЙ РЕЗИНЫ И МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТАНТАЛОМ
Время папылешхя. мни С (исходный) 31 100 16S 233
а. истираемость, ем3/кВтч 2,39 0,274 1,124 1,440 2,060
д. коэффициент трения 0.Б70 0.472 0.517 0.527 0.469
с, оь?/кВт • "1 t. по
1,7>0
:.ь*о :,зю о.мо
о, эх)
С НЗ 10Э IM 2» 25D _t. МИН_
Риг 5 Закигимсхтгк истгирагмпстги мпкркпия на шнпкпжпии irr кр^мгни намылгнии (cj икни ним линия) относительно истираемости исходной рез1шы (пушстнрпая лилия).
IV. ОССУЖДИБ1Е РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализируя полученные экспериментальные результаты, можно сделать заключение, что покрытие на основе тантала имеет свей структурные особенности, определяемые, по-вкдкмему. особенностями формирования состава пзазыы в камере распыления и взаимодействием ионов металлов с резиновой подложкой. Существеннее влняннс резиновой подложки на формирование структуры подтверждается заметным отлнчнем толщины покрытия на кварцевой поверхности датчика толщины распыленного металла (десятки нанометров) от средних размеров зерен на резиновой подложке (рис. 4). 13 качестве нллюстрешии влияния резиновой подложки на формирование покрытия на основе тугоплавких металлов на рас. б приведено РЭМ-изображенне поперечного среза резинового образца с покрытием на основе молибдена Как видно из рисунка, толщина покрытия составляет несколько мкм.
Бремя напыления сказывает заметное злияние на структуру покрытия. Следует выделить две тенденции з формировании структуры покрьпнл: во первых, пзмельчешге зерна в кластерных образованиях с увеличением kjx-мгнн нанмлгнин (]жс: 4) и^ Kii-Kiujik х форм иричин иг «чпиуйнап>с>Пра{н»и» спру * |уры с: нарушен или сплошности покрытия при достаточно большом времени папылешхя (более 170 мин) (рис. 3). Подобные теп
ДГ.НЦНИ НГ НлП.иу|НКП':> II]!* фпрЧ'.ИрОЮ!НИИ пруктурм молийдгьоксм п нокркпин (рИГ 3)
Большое влияние па эксплуатацнослпле свойства РТИ. в том числе на трнботехпнчеекпе, наряду со структу pjü. дилжеь иказылагь химический cociait иокркпих. Ан<иии сосгнва образцив иокалдеап, чю основной составляющей покрылся является пепта оксид тантала Ta,Ov образующийся, по видимому, за счет окисления
ноноз тантала в камере распыления оставшимся после неглубокого вакуумирования камеры кислородом В покрытии присутствуют также включения углерода С. что подтверждается точечным анализом Химические элементы С. С1 и соединение 5СЪ. вероятней всею, принадлежат ирииоверхностым слоям резиновой лсдхсжки. на что указывает появление этих элементов и соединений в образцах е относительно большим временем напыления покрытия после лепиташси па гопосостойкость; рентгеновское излучение фиксирует присутствие ука занных элементов к соединений при малых толщинах покрытия.
Рис. 6. РЭМ шебражепне поперечного среза образца с молибденовым покрытием при времени напыленкя 30 мин
Из данных табл. 3 следует, что нанесение покрытия на основе тантала приводит к значительным улучшениям трпботсхнпчоскнх характеристик резины Коэффициент трения з среднем уменьшается в 1./ раза, а истираемость — от 8.5 (время напыления - 34 мин) до 1. 7 раза (время напыления 168 мин) (рис. 5). Триио1ехническне характеристики зависят от целого ряда факторов. Наиболее значимыми факторами, как известно, являются состояние трущихся поверхностей, определяемое структурой, составом, шероховатостью, а такие адгез1и, проч ностные свойства и т.д Многофакторность триботехническнх характеристик затрудняет их анализ Результаты, полученные в данной работе, позволяют сделать лишь некоторые еыводы относительно взаимосвязи структуры и истираемости покрытая па оспоое тантала. Во первых, как следует из рис 5, пет необходимости получения покрытий заметной толщины, время напыления может быть ограничено 3U....60 мин. Ирн такой длительности
НЛНЫПГНИИ гохринжмгя rilJKMIIHtX lh ЖМфМТИМ. Л рИХМГрМ ЧГ]»НИ, KrpilMTHd, ИКЛЯКЛ1Я (НМИМИЛКНЫМИ, Г. Н1ЧКИ
зрения шероховатости поверхности. Увеличение времени напыления (толшнны покрытия) приводит к наруше-шпо сплошности по1фытия и формирсвашпо < лешуйчатообразпей» структуры, что, з свою очередь, увеличила ет износ покрытия
V. ВЬЮ ОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам исследований, выполненных в данной работе, можно сделать следующие выводы:
1 Офумту1»и иокрьиия ил (К нонг iHHivtiiii ил ]г<ин<1М)5 1Н1;|;к1«кг и«ггт г.кин огпГн-ннопи к :чи к иг и мости cir времени напыления.
2. К сеобеппсстям структуры слезет отнести 1сзмельчеште зерна с увеличением время ш иапылехшя и обра зованием «чешуйчатоооразней»> структуры с нарулгением сплошности покрытая при достаточно большом времени напыления (более 170 ш)
3. В процессе ионно-плазменного напыления образуется покрытие, состоящее нз пента оксида тантала с включениями углерода. Химический состав покрытая до и послс испытаний на износостойкость остается неизменным.
4. Нанесение покрытия на основе тантала приводит к значительным улучшениям триботехннческих характеристик резнны Коэффнщ1епт трети з среднем уменьшается в 1,7 раза, а истираемость - от 8,5 (время папы лення - 34 мне.) до 1. 7 раза (время напыленкя 158 мни). Рост истпраемсста с увеличением временем напыления объясняется структурными особенностями покрытия. Как показывают результата испытаний, оптимальное время напыления составляет 30....60 мин.
Для более детального изучения влияния структуры и состава покрытия на основе тантала на триботехниче-ские свойства РТИ необходимы дополнительные исследования с привлечением новых свойств, таких как деформационно-прочностные свойства, адгезии. твердости, шероховатости и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Витязь П. А. [н др.]. Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий: монография / под общ. ред. П. А. Витязя и К. А. Солнцева. Минск: Беларус. навука. 2011. 283 с.
2. Гринберг П. Б [и др ] Технология нанесения наноструктурированных металлопокрытий на резинотехнические изделия // Вестиик Омского университета. 2012. № 2(64). С. 249—252.
3. Поляков П. В.. Душко А. А. Методы повышения работоспособности РТИ узлов треши. работающих в условиях эксплуатации, близких к экстремальным: межвуз. сб. науч. тр. Волгоград : ВолгГАСА, ¿000 10 с.
4. Берлин Е. В., Сейдман Л. А. Ионно-плазменные процессы в тонко-пленочной технологии. М.: Техносфера, ¿010. 488 с.
5. ЦелыхЕ. П., Полонянкнн Д. А.. Рогачев Е. А.. Суриков В. И. Улучшение трнботехнических свойств резни путем поверхностного модифицирования тутоплавкими металлами // Омский научный вестник. 2015. № 1(137). С. 97-100.
6. Suritov V. I, Tselykh Е. P., Рокшуапкш D. A.. Rogachev Е. A. Study the effect of surface magnetron sputtering modification oti operating properties of rubber И Dynamicь of Systems. Mechanisms and Machines (Dynamics). November 2014. P. 1-6.
