CC BY
85
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.891:546.26
ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛМАЗОПОДНЫХ ПОКРЫТИЙ, ЛЕГИРОВАННЫХ МОЛИБДЕНОМ И КРЕМНИЕМ
© 2011 М.М. Хрущов, Е.А. Марченко, А.П. Семенов
Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, г. Москва
Поступила в редакцию 10.11.2011
Покрытия на основе аморфного углерода (a-C и a-C:H) обладают уникальным сочетанием триботехнических свойств, что обуславливает значительный к ним интерес [1,2]. Такие покрытия, получаемые методами вакуумного ионно-плазменного осаждения (PVD, IBAD) и с помощью химических газотранспортных реакций (CVD), могли бы оказаться очень перспективными для работы трибосопряжений в тяжелых условиях трения (при высоких контактных давлениях, температурах и т.д.). Однако в большинстве случаев толщина подобных покрытий лимитируется используемой технологией нанесения и, как правило, не превышает одного-двух мкм, что не обеспечивает достаточной долговечности узлов трения. Предпринимаются активные усилия по повышению их износостойкости, по возможности, без значительного снижения антифрикционных свойств [2]. Одним из способов добиться этого является легирование металлическими и металлоидными компонентами и создание нанокомпозитных структур. Начало таким исследованиям было положено, по-видимому, авторами [3] применительно к режущему инструменту, за которыми последовали многочисленные попытки путем физического осаждения получить сложные многокомпонентные стру-ктуры [4]. В составе различных химических композиций к настоящему времени исследовано большое количество элементов (Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Al, Si) и выявлено влияние их природы и количества на трибологические характеристики покрытий. При этом предпочтение отдавалось в большей степени повышению износостойкости, чем снижению коэффициента трения. [2,5].
Возможности современных технологий вакуумного ионно-плазменного и газотранспортного осаждения позволяют получать широкий спектр составов покрытий, например, применение смесей активных газов с углеводородами позволяет, используя плазменно-стимулированные процессы химического осаждения, получить покрытия, в состав которых входят кремний, фтор и азот. Вакуумные ионноплазменные процессы, основанные на использовании распыляемых мишеней различного состава и активных атмосфер, дают возможность получить покрытия, легированные как неметаллическими элементами (Si, СКх), так и металлами (W, Cr, Mo, Ti и др.) и даже химическими соединениями (оксиды алюминия и кремния, карбиды переходных металлов и т.д.). Кроме этого, современные техноло-
гии позволяют получать покрытия с модулированной слоистой и/или сложной нанокомпозитной структурой. Подобные легирующие добавки способны существенно влиять на свойства алмазоподобных покрытий, однако вопрос о характере влияния тех или иных добавок на фазовый состав, особенности микроструктуры и свойства покрытий остается открытым. По этой причине тщательное исследование роли отдельных эффектов, связанных с синтезом и конечными свойствами легированных химическими элементами алмазоподобных плёнок представляет большой практический интерес.
Целью настоящей работы явилась сравнительная оценка трибологических характеристик алмазоподобных покрытий, легированных молибденом и кремнием, и их долговечности при высоких контактных давлениях. Алмазоподобные покрытия состава
a-C:H:Si и а-С:Н^кМо получали методом химического осаждения (CVD) в парах кремнийорганической жидкости, стимулированного плазменным разрядом. Для легирования покрытий металлическим компонентом дополнительно использовали распыление металлической мишени.
Покрытия толщиной 1 мкм были нанесены на подложки из сталей ХН35ВТ и 95Х18. Покрытия а-C:H:Si, легированные кремнием, имели красноватый цвет, легированные молибденом и кремнием a-С:Н^кМо - серый. На рис.1 (а-в), представлены фотографии отпечатков, полученных при измерении микротвердости образцов из стали 95Х18 (без покрытия и с покрытиями) на микротвердомере МНТХ фирмы CSM (Швейцария). Отпечатки на образцах без покрытия и с покрытием, легированным молибденом и кремнием, имеют четко очерченные контуры, в то время, как отпечаток на покрытии, легированном только кремнием, свидетельствует об его хрупком разрушении при вдавливании индентора. Аналогичная картина наблюдается и для покрытий на стали ХН35ВТ.
Поскольку толщина нанесенных покрытий невелика, оценивалось общая микротвердость системы «подложка-покрытие». Нанесение на сталь ХН35ВТ покрытий, легированных молибденом и кремнием, практически не изменяет их общую микротвердость по сравнению с основой, в то время, как легирование только кремнием несколько ее снижает (табл. 1). Видно, что на более твердой стали 95Х18 влияние покрытий на микротвердость системы «покрытие -
1248
Механика и машиностроение
подложка» оказывается гораздо сильнее, происходит ее значительное увеличение, причем легирование покрытия кремнием также приводит к более низким значениям микротвердости, чем легирование молибденом и кремнием.
Полученные результаты по микротвердости подложек с покрытиями коррелируют с кривыми вдав-
ливания: большему изменению микротвердости соответствует большее изменение этих кривых (рис. 2,
а, б). На диаграмме вдавливания образца из стали 95Х18 с покрытием, легированным кремнием (рис.2,
б, кривая 2), виден горизонтальный участок, отражающий процесс разрушение покрытия, результат которого виден на рис.1, в.
а б в
Рис. 1. Фотографии отпечатков (х50), полученных при измерении микротвердости образцов из: а - стали 95Х18; б - стали 95Х18 + алмазоподобное покрытие с молибденом и кремнием; в - стали 95Х18 + алмазоподобное покрытие с кремнием.
Таблица 1. Микротвердость HV исследуемых покрытий
Материал Твердость, HV Материал Твердость, HV
ХН35ВТ 472 95Х18 502
а- 474 a- 763
С:НЯШо С:НЯШо
a-C:H:Si 424 a-C:H:Si 628
Рис. 2. Диаграммы вдавливания образцов: а) сталь ХН35ВТ, б) сталь 95Х18: 1 - основа, 2 - алмазоподобное покрытие, легированное Si, 3 - покрытие, легированное Mo и Si.
Испытания проводились на Циклометре (одношариковом трибометре) [6] по методике [7], предназначенной для исследования усталостных процессов на трибоконтакте и позволяющей представить процесс разрушения в координатах «давление на контакте - число циклов до разрушения». В данном случае, т.к. механические свойства покрытий были неизвестны, число циклов до разрушения определялось в зависимости от нагрузки на индентор. Образцы - диски диаметром 30...50 мм, контртело - сфера диаметром 6 мм из нитрида кремния. Частота вращения образца - 100 об/мин; время испытаний -1 ч; трение без смазки при непрерывной записи силы трения. Нормальные нагрузки на индентор изменялись в пределах 0,02-0,2Н, соответствующие им
контактные давления - 290.620 МПа. Давления на контакте (максимальные, по Герцу) рассчитывались исходя из механических характеристик только стальной основы и нитрида кремния.
Из представленных на рис. 3 фрагментов трибограмм (зависимости силы трения от длительности испытаний) отчетливо видно начало разрушения покрытия, которое сопровождается резким увеличением силы трения и ее осцилляций вокруг среднего значения. Чем больше нормальная нагрузка, тем раньше наступает разрушение покрытия, причем при нагрузках 0,02Н и 0,05Н никаких признаков разрушения на базе испытаний 6000 циклов не обнаружено.
1249
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
0,02 Н 0,05 Н 0,10 Н
0,15 Н 0,20 Н
Рис. 3. Фрагменты трибограмм пары трения «сталь 95Х18 с покрытием a - C:H:Si:Mo - сфера из нитрида кремния» при различных нагрузках на индентор (показаны начальные участки трибограмм, соответствующие продолжительности испытаний < 2000 циклов).
Аналогичные трибограммы получены и для других исследуемых пар трения. Коэффициенты трения всех материалов уменьшаются с увеличением нагрузки на индентор (рис. 4, а, б). На подложке из стали 95Х18 покрытия, легированные молибденом и кремнием, имеют гораздо меньший коэффициентом трения, чем покрытия, легированные только кремнием (рис. 4,а). Для покрытий на стали ХН35ВТ соотношение коэффициентов трения покрытий зависит от нагрузки на индентор (рис.4,б). Во всех случаях коэффициенты трения покрытий выше, чем материала основы.
Несмотря на то, что нанесенные на сталь 95Х18 легированные кремнием покрытия имеют самый высокий коэффициент трения, их долговечность выше остальных покрытий и стали ХН35ВТ (рис. 5).
N, циклов
Рис. 5. Зависимость числа циклов до разрушения от нагрузки для: 1 - покрытия a-C:H:Si на стали ХН35ВТ; 2 - покрытия a-C:H:Si:Mo на ХН35ВТ; 3 - покрытия a-C:H:Si на 95Х18; 4 - покрытия a-C:H:Si:Mo на 95Х18; 5 -стали ХН35ВТ.
Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от нагрузки на индентор: а) сталь 95Х18, б) сталь ХН35ВТ (1 - покрытие a-C:H:Si; 2 -покрытие a-C:H:Si:Mo; 3 - стальная подложка).
Полученные результаты подтверждают имеющиеся в литературных данных сведения о зависимости трибологических свойств алмазоподобных покрытий от множества факторов, включая материал подложки и контртела и давление на контакте. При сухом трении некоторые из них, в частности, легированное кремнием покрытие на стали 95Х18, работоспособны без смазки при давлениях на контакте < 390 МПа и числе циклов до разрушения более 6000. Использование смазки и, соответственно,
значительное снижение коэффициента трения может значительно улучшить их трибологические свойства. Особенно заметным это улучшение может быть, если покрытие окажется способно оказывать ориентирующее действие на молекулы смазочных слоёв [9].
В заключение следует отметить, что для максимальной реализации функциональных характеристик алмазоподобных покрытий следует разрабатывать их применительно к конкретным узлам трения,
1250
Механика и машиностроение
с учетом всех факторов, влияющих на их структуру и свойства.
Авторы глубоко признательны Г.Г.Кирпиленко и его сотрудникам, предоставившим образцы легированных алмазоподобных покрытий.
Работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00802).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Семенов А.П. Трибологические свойства и вакуумные ионно-плазменные методы получения алмазных и алмазоподобных покрытий // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 1. С.83-102.
2. Erdemir A., Donnet C. Tribology of diamond-like carbon films: Recent progress and future prospects // J. Phys. D. 2006. V.39. P.R311-R327.
3. Knotek O., Atzor M., Prengel H.G. On reactively sputtered Ti-Al-V carbonitrides // Surf. Coat. Technol. 1988. V.36. No 1-2. P.265-273.
4. Jehn H.A. Multicomponent and multiphase hard ratings for tribological applications // Surf. Coat. Technol. 2000. V.131. No 1-3. P.433-440.
5. Donnet C., Erdemir A. Historical developments and new trends in tribological and solid lubricant coatings // Surf. Coat. Technol. 2004. V.180-181. P.76-84.
6. Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. М.: Машиностроение, 2008. 384 с.
7. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин. М.: Изд. Стандартов. 1979. 100 с.
8. Буяновский И.А., Игнатьева З.В., Левченко В.А., Матве-енко В.Н. Нанопокрытия-ориентанты и их влияние на смазочную способность масел // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. № 4. С.3-9.
TRIBOLOGICAL PARAMETERS OF MOLYBDENUM AND SILICON-DOPED DIAMOND-LIKE COATINGS
© 2011 M.M. Khrushchov, E.A. Marchenko, A.P.Semenov
A.A. Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow
1251
