ТЕРМОКОРРЕЛЯЦИОНАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСА СОПРЯЖЕНИЙ С ТВЕРДОСМАЗОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ МОS2, НАНЕСЕННЫМИ МАГНЕТРОННЫМ И ДРУГИМИ МЕТОДАМИ, В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА

Хопин П.Н.; Гриб В.В.

УДК 621.891:519.28 doi: 10.18698/0536-1044-2021-7-72-80

Термокорреляционая оценка ресурса сопряжений с твердосмазочными покрытиями на основе МоS2, нанесенными магнетронным и другими методами, в условиях вакуума

П.Н. Хопин1, В.В. Гриб2

1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

2 Ф^ОУ ВО «РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (НИУ)

Thermal Correlation Assessment of the Resource of Interfaces with Solid Lubricating Coatings Based On MoS2 Applied by Magnetron and Other Methods, for Vacuum Conditions

P.N. Khopin1, V.V. Grib2

1 Moscow Aviation Institute (National Research University)

2 National University of Oil and Gas «Gubkin University»

Проведен анализ триботехнических показателей сопряжений с твердосмазочными покрытиями на основе МоS2, нанесенными разными способами, по результатам испытаний в условиях вакуума. На основе выполненной оценки нагрузочно-скоростных характеристик указанных сопряжений рассчитана поверхностная температура трения. По результатам трибологических испытаний в условиях вакуума определена термокорреляционная зависимость ресурса пары трения с твердосмазочными покрытиями на основе МоS2, нанесенными суспензионным и вакуумными (магнетронным и высокочастотным) методами, от поверхностной температуры трения сопряжения. На основе этой зависимости предложена методика расчета ресурса исследуемых три-босопряжений.

Ключевые слова: твердосмазочные покрытия, магнетронное и высокочастотное нанесение, вакуумные условия, методика оценки ресурса

The analysis of tribotechnical parameters of interfaces with solid lubricating coatings based on MoS2, applied by different methods, was carried out according to the results of tests in vacuum. The surface friction temperature is calculated on the basis of the performed assessment of the load-speed characteristics of these interfaces. Based on the results of tri-bovacuum tests, the thermocorrelation dependence of the resource of a friction pair with solid lubricating coatings MoS2, applied by vacuum (magnetron and high-frequency) and suspension methods, on the surface friction temperature of the interface was determined. On the basis of this dependence, a method for calculating the resource of the studied tri-bointerfaces is proposed.

Keywords: solid lubricating coatings, magnetron and high frequency application, vacuum conditions, resource assessment technique

В настоящее время для смазки узлов трения трибосопряжений, функционирующих в условиях космоса, широко применяют твердосма-зочные покрытия (ТСП), в частности на основе дисульфида молибдена (Мо82) [1-4]. Ученые исследуют ТСП, полученные как традиционным методом суспензионного нанесения (СН), так и методами магнетронного (МН) и высокочастотного (ВН) нанесения.

Цель работы — разработка методики оценки ресурса трибосопряжений с ТСП на основе Мо82, нанесенных методами СН, МН и ВН, в условиях вакуума [5-7].

Материалы и инструменты. Анализ литературных источников показал, что одно из самых подробных исследований в этом направлении проведено в работах [8, 9]. Эксперименты выполнены в условиях вакуума (при давлении газа рв = 7-10-7 Па) на установке, разработанной К. Мисуоси (далее установка Мисуоси), для проведения трибологических испытаний пар трения по схеме диск — шар (рис. 1). Такая открытая схема трения является оптимальной для изучения воздействия вакуумных условий на поверхности.

Исследованы ТСП на основе Мо82, полученные методами СН (ТСПсн) и МН (ТСПмн) и другого типа [8, 9]. В качестве материала диска и контртела — шара диаметром 6 мм — выбрана коррозионно-стойкая сталь 440С. Параметры ТСП, исследованных на установке Мисуоси, приведены в табл. 1.

Нагрузочно-скоростными параметрами три-бологических испытаний на установке К. Ми-суоси [9] в условиях вакуума являлись нагрузка Р = 5,9 Н и скорость скольжения V = 0,2 м/с.

В работе [10] описан метод ВН ТСП (ТСПвн) и приведены результаты трибологических ис-

Таблица 1

Параметры ТСП, исследованных на установке Мисуоси

Тип Состав Толщина 8, мкм

ТСПсн Мо82, полиамид-имидное 10 ± 4

связующее (остальные компо-

ненты не раскрыты)

ТСПмн Мо82 1,0 ± 0,2

пытаний пары трения с ТСП в условиях вакуума (рв = 0,133 мкПа) на установке, разработанной Т. Спалвинсом (далее установка Спалвин-са), работающей по схеме трения диск — шар (рис. 2). Перед нанесением покрытия выполнена предварительная очистка образца, на который подавался отрицательный потенциал 2...5 кВ по отношению к экрану.

Для напыления большинства пленок использованы следующие параметры ВН: частота — 7 МГц; среда — аргон; потребляемая мощность — 400 Вт; отраженная мощность — около 2 Вт; выходной постоянный ток — 500 В; целевое напряжение — 1,2.1,3 кВ, расстояние до образца — 2,54 см, скорость распыления — около 15 нм/мин. Температура образца, контролированная термопарой, во время нанесения ТСП, составляла около 90 °С.

Различными методами исследования показано, что покрытие, имеющее чрезвычайно малый размер частиц (менее 3 нм) является бездефектным и очень плотным.

Основные параметры трибологических испытаний пары трения с ТСП в условиях вакуума на установке Т. Спалвинса [10, 11] приведены в табл. 2.

V

К. Мисуоси, работающей по схеме диск — шар

Т. Спалвинса, работающей по схеме диск — шар

Таблица 2

Основные параметры трибологических испытаний пары трения с ТСП в условиях вакуума на установке ^ Спалвинса

Толщина ТСП 8, Материал Радиус шара

мкм пары трения Яш, мм

0,20 440С 4,75

0,65 440С 4,75

Обсуждение результатов. Результаты трибологических испытаний пары трения диск — шар с ТСП на основе Мо82, нанесенными методами СН и МН, на установке К. Мисуоси [8, 9] (см. рис. 1) в условиях вакуума, приведены в табл. 3.

Оценка ресурса пары трения с ТСПсн при проведении трибологических испытаний на установке Мисуоси в условиях вакуума. Контактное давление при испытаниях на трение в условиях вакуума рассчитано с помощью относительного (к нормальной нагрузке F и пути трения V) износа шара И. Для расчета пути трения использована частота вращения диска п =120 мин1, взятая из работы [8].

При числе оборотов до разрушения ТСПсн N = 1000 000 об. (см. табл. 3) расчетный путь трения V = 10 000 м. Для относительного износа шара (см. табл. 3) И = 0,13-10-8 мм3/(Н-м) диаметр пятна износа Л = 0,465 мм. При нагрузке F = 5,9 Н и пути трения V = 10 000 м контактное давление р = 34,7 МПа.

Чтобы оценить ресурс работы пары трения с ТСП согласно методике, предложенной в работах [12, 13], необходимо рассчитать поверхностную температуру трения Ттр, °С, в условиях вакуума (рв = 4 мПа) по выражению

Ттр = 3,31 + 291,64у + 0,643р - 282,19^, (1)

полученному для следующих диапазонов скорости скольжения и контактного давления:

V = 0,087...0,504 м/с, р = 61...121 МПа.

Температура трения непрерывно измерялась в процессе экспериментов с помощью термопары трения, установленной в непосредственной близости от места контакта в отверстие контртела, с последующей тарировкой с применением наружной термопары трения при имитации нагрева зоны контакта. Пересчет в поверхностную температуру Ттр проводился с помощью тарировочной зависимости.

Очевидно, что режимы трения при испытаниях на установке Мисуоси (р =34,7 МПа,

V = 0,2 м/с) выходят по значению контактного давления за диапазон его изменения, использованный при получении формулы (1).

В связи с этим выполнен пересчет средней поверхностной температуры трения применительно к условиям трения пары с ТСПСН на основе Мо82 с корректировками результата по схеме, приведенной на рис. 3.

На первом этапе корректировки пересчет температуры Ттр проведен путем перехода из точки (т.) В к т. Е (соответствующей искомой скорости скольжения V = 0,2 м/с) по кривой, соответствующей сечению поверхности Ттр = /(р, V) вертикальной плоскостью при р = 91 МПа.

Результаты первого этапа корректировки поверхностной температуры трения Ттр для пары трения с ТСПсн приведены на рис. 4. Точки Е и В соответствуют таковым, показанным на рис. 3. Для основного уровня параметров (р = 91 МПа и V = 0,2 м/с) поверхностная температура трения Ттр = 109 °С.

На втором этапе корректировки пересчет температуры Ттр выполнен путем перехода из т. Е к т. И (р = 34,7 МПа, V = 0,2 м/с) за счет перехода от кривой АБВГ (соответствующей V = = 0,295 м/с) к кривой ДЕЖЗ (V = 0,200 м/с). Этот переход осуществлялся уменьшением ординаты

Таблица 3

Результаты испытаний пары трения с ТСП на трение и износ на установке К. Мисуоси

в условиях вакуума

Коэффициент трения Число циклов (оборотов) до разрушения* N об. Относительный износ И 108, мм3/(Н-м)

ТСП в установившемся режиме /р диска с ТСП шара

ТСПсн 0,045 Более 1 000 000 6 0,13

ТСПмн 0,070 274 130 9 0,25

* Параметр определялся до полного износа пары трения при возрастании /р до 0,3.

р, МПа

0,087

0,200 0 295

°>504 у, м/с

Рис. 3. Схема первого (1) и второго (2) этапов корректировки поверхностной температуры трения Ттр для условий испытаний трибосопряжения с ТСПСН

V, м/с

Рис. 4. Результаты первого этапа корректировки поверхностной температуры трения Ттр для пары трения с ТСПсн: < — зависимость Ттр = f( p, у) при контактном давлении р = 91 МПа; ■ — температура Ттр в т. Е при скорости

скольжения у = 0,2 м/с;--полиноминальная

зависимость Ттр = -282,19 у2 + 291,64 у + 61,823 (с коэффициентом детерминации Я2 = 1) при р = 91 МПа

т. Е относительно т. В. На это же значение снижались ординаты т. Ж и т. Д. Для т. 3, соответствующей нулевому контактному давлению, ордината принята равной Ттр = 0 °С.

Вначале для основного уровня скорости скольжения у = 0,295 м/с строилась зависимость Ттр = f( р), представленная на рис. 3 прямой АБВГ (с учетом точки, соответствующей нулевому контактному давлению, при котором Ттр = 0 °С), описываемая уравнением

Ттр = -0,008р2 + 2,127р + 0,5624. (2)

Коэффициент детерминации зависимости (2) Я2 = 0,9970.

Затем строилась аналогичная зависимость для скорости скольжения у = 0,200 м/с

р, МПа

Рис. 5. Результаты второго этапа корректировки поверхностной температуры

трения Ттр для ТСПСН: ♦ и ■ — точки зависимости Ттр = f( р) при скорости скольжения у = 0,295 и 0,200 м/с; ▲ — температура т. И Ттр = 55,3 °С для р = 34,7 МПа, у = 0,200 м/с;

— и--полиноминальные зависимости Ттр = Д р)

при скорости скольжения у = 0,295 и 0,200 м/с

(см. рис. 3, прямая ДЕЖ3), определяемая выражением

Ттр = -0,0062р2 + 1,7975р + 0,4374. (3)

Коэффициент детерминации зависимости (3) Я2 = 0,9977.

Результаты второго этапа корректировки поверхностной температуры трения Ттр для рассматриваемого ТСПсн приведены на рис. 5. Точки Б-Ж соответствуют таковым, показанным на рис. 3

Согласно уравнению (3), для контактного давления р = 34,7 МПа и скорости скольжения у = 0,2 м/с поверхностная температура трения пары трения с ТСПсн на основе Мо82 с поли-амид-имидным связующим Ттр = 55,3 °С. Для числа оборотов до разрушения N = 106 об. и частоте вращения п = 120 мин1 ресурс пары трения с ТСПСН т = 8333 мин.

Оценка ресурса пары трения с ТСПмн при проведении трибологических испытаний в условиях вакуума на установке Мисуоси, работающей по схеме диск — шар [8, 9]. Для

нанесения ТСП на основе Мо82 на диск из стали 440С использована магнетронная высокочастотная система при следующих режимах [8]: мощность оборудования ионного травления подложки перед нанесением ТСП — 550 Вт; давление аргона — 2,7 Па; скорость нанесения

ТСП — 110 нм/мин; температура нанесения ТСП — комнатная.

Для относительного износа шара (см. табл. 3) И = 0,25-10-8 мм3/(Н-м) и нагрузки Р = 5,9 Н проведен расчет параметров по предложенной методике. Путь трения составил 27 415 м, диаметр пятна износа — 0,3963 мм, контактное давление — 49,17 МПа.

С помощью уравнения (1) для р = 49,17 МПа и V = 0,2 м/с для пары трения с ТСПмн рассчитана поверхностная температура трения Ттр = = 73,83 °С. При числе оборотов до разрушения N = 274 130 об. и частоте вращения п = 120 мин1 ресурс пары трения с ТСПмн соответствует х = 2284 мин.

Оценка ресурса пары трения с ТСПвн со смещением по постоянному току при проведении трибологических испытаний в условиях вакуума на установке Спалвинса [10, 11]. Расчет проведен для ТСПвн, условия и результаты испытаний которых описаны в публикациях [10, 11]. В работе [11] приведена диаграмма сравнительного ресурса для пар трения с ТСП, нанесенных разными методами (рис. 6).

Здесь видно, что наибольший ресурс имеет ТСП, полученное методом ВН с источником постоянного тока толщиной 8 = 0,2 мкм. Для сопряжений с ТСПсн в работе [11] не указан состав ТСП со связующим и условия проведения испытаний, хотя эти факторы определяющим образом сказываются на триботехниче-ских показателях фрикционных сопряжений.

Если результаты трибологических испытаний первого ТСП были найдены в работе [10], то для ТСП со связующим, тип последнего не был указан.

Основные нагрузочно-скоростные параметры трибологических испытаний пары трения диск — шар в работах К. Мисуоси [8] и Т. Спалвинса [10] (табл. 4) близки. В связи с этим для расчета контактного давления в ра-

N, об.

105 - -

104103 -102 -

ю1 —-1—1—-1—1—-1—

I III III

Тип ТСП

Рис. 6. Зависимость числа оборотов до разрушения N от типа ТСП: I — натертое покрытие; II — ТСП со связующей смолой толщиной S = 13 мкм; III — ТСП толщиной S = 0,2 мкм, нанесенное методом ВН со смещением по постоянному току

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 4

Нагрузочно-скоростные параметры трибологических испытаний пары трения с ТСП в условиях вакуума

Литературный источник Яш, мм v, м/с F, Н D, мм

[9] 6,00 0,200 5,9 0,3963

[10] 4,75 0,166 2,5 -

0,266 9,8

боте [10] использована площадь износа шара, полученная при испытаниях ТСПмн в работе К. Мисуоси [8], а диаметр пятна износа шара Б для испытаний на установке Спалвинса принят равным 0,3963 мм.

Тогда для трибологических испытаний Т. Спалвинса площадь пятна контакта ТСПвн со смещением по постоянному току составит 1,233 10-7 м2.

Результаты трибологических испытаний на установке Спалвинса [10] и расчета контактного давления в условиях вакуума для пары трения с ТСПвн приведены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты вакуумных трибологических испытаний на установке Спалвинса и расчета контактного давления в условиях вакуума для пары трения с ТСПВН

Номер опыта Нагрузочно-скоростные параметры Параметры

испытаний расчета

F, Н n, мин 1 v, м/с N, об. _/тр р, МПа

1 2,45 50 0,166 500 000 0,04 20,28

2 9,8 80 0,266 38 000 0,02 79,50

Согласно предложенной методике [12], для оценки ресурса пары трения с ТСП необходимо рассчитать среднюю поверхностную температуру трения с помощью зависимости (1). Для условий первого опыта (см. табл. 5) за диапазоны исследованных параметров выходит контактное давление р. В этой связи с использованием предложенной методики корректировки проведен пересчет поверхностной температуры трения Ттр.

Для первого опыта расчетная поверхностная температура трения Ттр1 = 34,57 °С, ресурс Т1 = = 10 000 мин, для второго — Ттр2 = 122 °С, Т2 = = 475 мин.

Сравнительная оценка ресурса пар трения с ТСП на основе МоS2, полученных методами

СН, МН и ВН. Результаты трибологических испытаний и расчета ресурса и поверхностной температуры трения в условиях вакуума для пары трения с ТСП, нанесенными разными методами, приведены в табл. 6.

С использованием данных табл. 6 построена термокорреляционная зависимость ресурса пары трения с ТСП на основе Мо82, полученными методами СН и ВН, от поверхностной температуры трения (рис. 7).

Анализ данных рис. 7 позволяет сделать вывод, что зависимость ресурса пар трения с ТСП, полученными методом ВН, от поверхностной температуры трения Ттр подчиняется экспоненциальному закону. Для диапазона поверхностной температуры трения Ттр = 55.112 °С она удовлетворительно описывается выражением

(4)

т-10 , мин

-0 039т

т = 39851е ' Ч

Коэффициент детерминации зависимости (4) Я2 = 0,9993.

Таблица 6

Результаты трибологических испытаний и расчета ресурса и поверхностной температуры в условиях вакуума для пары трения с ТСП, полученными разными методами

Метод нанесения ТСП P, МПа у, м/с Ттр, °С т, мин 8, мкм

СН 34,70 0,200 55,30 8333 10,00 ± 4,00

МН 47,17 0,200 73,83 2284 1,00 ± 0,20

ВН 20,30 0,166 34,57 10 000 0,20

79,50 0,266 112,00 475 0,65

Рис. 7. Термокорреляционная зависимость ресурса т пары трения с ТСП на основе Мо82, нанесенными разными методами, от поверхностной температуры трения Ттр: ■ и ♦ — экспериментальные значения для ТСПсн и ТСПвн;--экспоненциальная

зависимость т = 39851е °'039Гтр для ТСПвн

Предложенный ранее алгоритм расчета ресурса для произвольного сочетания контактного давления р и скорости скольжения у пары трения с ТСПсн на основе Мо82 [14] может быть использован для ТСП, полученных методами МН и ВН.

Для оценки ресурса пары трения с ТСП указанного типа можно рекомендовать следующую последовательность расчета:

• оценка эксплуатационных характеристик работы пары трения: контактного давления р и скорости скольжения у;

• определение поверхностной температуры трения Ттр по формуле (1);

• расчет ресурса т с использованием термокорреляционной зависимости т = /(Ттр); в случае функционирования узла при повышенной температуре образца она складывается с Ттр..

Согласно данным табл. 6 и работы [15], толщина ТСП, нанесенных вакуумными методами, должна составлять не менее 0,2 мкм. Это подтверждено результатами испытаний [8], для ТСПмн толщиной 0,11 мкм, показавшими существенно меньший ресурс пары трения.

Сравнительная оценка ресурса трибосопря-жений с ТСП, нанесенными разными методами и функционирующими в условиях вакуума, показала, что согласно данным одного исследователя [10] ресурс ТСПвн больше, чем у ТСПсн (рис. 6). Тогда как по данным другого исследователя [8] для ТСПмн наблюдается обратная

картина (см. табл. 3). Соотношение ресурса сопряжений с ТСП, нанесенных суспензионным и вакуумными методами, требует дополнительных исследований.

Выводы

1. Проведена оценка поверхностной температуры трения пар с ТСП на основе Мо82, нанесенных суспензионным и вакуумными (магне-тронным и высокочастотным) методами, с расширением диапазонов параметров контактной нагрузки и скорости скольжения.

2. Определена термокорреляционная зависимость ресурса пары трения с ТСП, полученными вакуумными методами (МН и ВН) нане-

Литература

сения Мо82 от поверхностной температуры трения.

3. Разработана методика оценки ресурса пар трения с ТСП, напыленными вакуумными методами нанесения Мо82, функционирующими в условиях вакуума, на основе использования универсальной зависимости поверхностной температуры трения от нагрузочно-скоростных параметров трибосопряжения и корреляционной зависимости его ресурса от температуры трения.

4. Выявлено, что для обеспечения удовлетворительного ресурса трибосопряжения толщина ТСП, нанесенных вакуумными методами, должна составлять не менее 0,2 мкм.

[1] Дроздов Ю.Н., Юдин Е.Г., Белов А.И. Прикладная трибология (трение, износ и смазка).

Москва, ЭкоПресс, 2010. 604 с.

[2] Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трение и износ.

Москва, Наука, 1968. 141 с.

[3] Wang H., Xu B., Liu J. Micro and nano sulfide solid lubrication. Springer, 2012. 304 p.

[4] Voevodin A.A., O Neill J.P., Zabinski J.S. Nanocomposite tribological coatings for aerospace

applications. Surf. Coat. Technol., 1999, vol. 116-119, pp. 36-45, doi: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00228-5

[5] Gao X., Fu Y., Jiang D., et al. Responses of TMDs-metals composite films to atomic oxygen

exposure. J. Alloys Compd., 2018, vol. 765, pp. 854-861, doi: https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2018.06.311

[6] Dugger M.T., Scharf T.W., Prasad S.V. Materials in space: exploring the effect of low earth

orbit on thin film solid lubricants. Advanced Mater. & Process., 2014, pp. 32-35.

[7] Guo C., Chen F., Wei B.-L., et al. Microstructure and tribological properties of a laser clad

NiCr-based composite coating in high vacuum at elevated temperature, atomic oxygen and ultraviolet (UV) irradiation environments. LIE, 2019, vol. 44, no. 4-6, pp. 355-370.

[8] Miyoshi K. Solid lubrication. Fundamentals and applications. Glenn Research Center, 2000.

399 p.

[9] Miyoshi K., Iwaki M., Gotoh K., et al. Friction and wear properties of selected solid lubricating

films. Glenn Research Center, 1999. 30 p.

[10] Spalvins T. Lubrication with sputtered MOS2 films. Lewis Research Center, 1971. 18 p.

[11] Spalvins T. Sputtering — a vacuum deposition method for coating material. Lewis Research Center, 1972. 18 p.

[12] Хопин П.Н. Оценка работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями в условиях вакуума. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2016, № 2, с. 85-90.

[13] Хопин П.Н. Анализ испытаний пар трения с твердосмазочными покрытиями в

наземно-космических условиях и прогнозирование трибологических характеристик. Трение и износ, 2018, т. 39, № 2, с. 175-183.

[14] Хопин П.Н. Оценка работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями в условиях вакуума на основе термокорреляционных зависимостей. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2017, № 7, с. 317-320.

[15] Spalvins T. Plasma-assisted physical vapor deposition surface treatments for tribological control. Lewis Research Center, 1991. 20 p.

References

[1] Drozdov Yu.N., Yudin E.G., Belov A.I. Prikladnaya tribologiya (trenie, iznos i smazka)

[Applied tribology (friction, wearing and lubrication]. Moscow, EkoPress Publ., 2010. 604 p.

[2] Grib V.V., Lazarev G.E. Laboratornye ispytaniya materialov na trenie i iznos [Laboratory fric-

tion and wearing tests for materials]. Moscow, Nauka Publ., 1968. 141 p.