Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

1 1 1 1
1 Far Eastern Federal University

В настоящее время повышение надежности трибосопряжений в машинах, механизмах и оборудовании, определяющих ресурс и безопасность их работы представляет собой актуальную проблему. Актуальность обусловлена экономическими факторами. Известно, что на обеспечение работоспособности трибосопряжений технически развитые страны расходуют до 3–5% годовых бюджетных средств.

Проведенные сравнительные исследования различных препаратов, применяемых для модифицирования поверхностей трения позволили установить, что наиболее перспективным направлением повышения технической эффективности и надежности машин, механизмов и оборудования является использование наноструктуированных композитов на основе металлосилоксана и алюмосиликата для формирования металлокерамических покрытий на поверхностях трения, обладающих минимальными коэффициентом трения и температурой в зоне трения, а также высокими износо- и задиростойкостью, при этом повышается ресурс трибосопряжения и снижаются эксплуатационные расходы.

Композиты на основе металлосилоксана обладают высокой адгезией к металлам, а так как дополнительно содержат минерал (алюмосиликат), атомы у которых в одной плоскости имеют сильные ковалентные связи , а между параллельными слоями слабые связи, благодаря этому обеспечивается низкий коэффициент трения, а повышенная твердость слоистых силикатов обеспечивает высокую износостойкость. Легирование композита медью позволяет управлять триботехническими свойствами. Наноструктуированные композиты на основе металлосилоксана могут использоваться в качестве присадок к моторным маслам, твердым смазкам, а также в качества модифицирования поверхностей трения при изготовлении или восстановлении деталей для повышения их долговечности.

Формирование износостойкого металлокерамического покрытия производили фрикционно-механическим методом. Для определения характеристик образующегося тонкопленочного покрытия проводили следующие исследования: механические свойства определяли методом наноиндентирования на ультрамикротестере для динамических испытаний твердости материалов DUH-211S фирмы Shimadzu (Япония), топографию поверхности – с помощью сканирующего зондового (атомно-силового) микроскопа SPM-9600 фирмы Shimadzu (Япония) с высоким пространственным разрешением, триботехнические испытания – на универсальной машине трения модели УМТВК производства ООО НПФ «Сигма» (Россия).

Триботехнические испытания проводили по схеме "ролик – колодка" в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,628 м/с. Образцы изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость была 212±10 НВ, часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения величин твердости 44±1 HRC и 54±1 HRC. В качестве неподвижного образца использовалась колодка, изготовленная из вкладышей подшипников судовых среднеоборотных дизелей типа «Rillenlager» («Miba» 33).

Триботехнические испытания композиций на основе металлосилоксана и алюмосиликата позволил установить, что они обладают более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению исходными материалами (металлосилоксан и алюмосиликат) или серпентинитом.

Анализ результатов триботехнических испытаний пары трения «шейка вала – вкладыш подшипника» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала позволил установить:

– применение модифицирования шеек вала материалами на основе металлосилоксана и алюмосиликата вне зависимости от ее исходной твердости позволяет повысить как ее износостойкость так и трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» не менее чем в 2 раза;

– эффективность от модифицирования шеек вала материалами на основе металлосилоксана и алюмосиликата возрастает по мере снижения твердости шеек вала;

– наиболее высокие триботехнические характеристики достигаются при применении композиции: алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном, которая позволяет повысить износостойкость трибосопряжения от 8 до 10 раз (для незакаленной стали) в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в 2 раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира;

– композиции на основе алюмосиликата и металлосилоксана позволяют управлять триботехническими характеристиками в зависимости от условий эксплуатации трибосопряжения и открывают широкие возможности дальнейших исследований в данном направлении для повышения эффективности тонкопленочных покрытий и долговечности пар трения;

– перспективным материалом для включения его в композиции для модифицирования стальных поверхностей трения и повышения их износостойкости и трибосопряжения в является медь.

Исследование композиционных покрытий с помощью рентгено-электронной спектроскопии позволило установить состав тонкопленочного покрытия на поверхности и на глубине до 100 нм. В зависимости от применяемого материала для модифицирования стали поверхностный слой имеет следующий состав (в атомных процентах):

1) при упрочнении серпентинитом после трибоиспытаний: O = 42.4, C = 40.3, Fe = 9.4, Al = 2.4, Si = 2.2, N = 1.6, Ca = 1.1, Sn = 0.4, Pb = 0.3; после травления поверхности аргоном при напряжении 1000 В/см на глубине 100 нм: Fe = 80.8, O = 12.1, C = 3.8%, Al = 1.5, Si = 0.7, Ca = 0.6, Sn = 0.1, N = 0.1, Pb = 0.2;

2) при упрочнении металлосилоксановым полимером после трибоиспытаний: O = 46.6, C = 40.6, Fe = 9.3, Si = 2.0, N = 1.2, Ca = 0.4; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: Fe = 34.2, O = 49.9, C = 14.6, N = 0.6, Ca = 0.7;

3) при упрочнении алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном, после трибоиспытаний: O = 43.2, C = 39.8, Al = 7.2, Fe = 4.5, Si = 2.4, N = 1.6, Ca = 1.0, Sn = 0.3, Pb = 0.1; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: O = 45.5, Fe = 21.1, Al = 18.6, C = 10.6, Si = 2.9, Ca = 1.1, N = 0.5, Sn = 0.3, Pb = 0.1.

Модифицирование стали алюмосиликатом, модифицированым металлосилоксаном, позволяет получить топографию поверхности, близкую к идеальной (Ra = 0,016–0,041 мкм), которая обеспечивает высокую фактическую площадь контакта и минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля при хорошей маслоудерживающей способности благодаря большому количеству микровпадин с плавными краями и, соответственно, высокую износостойкость сопряжения.

На механические свойства тонкопленочного покрытия существенное влияние оказывают состав модифицирующего материала и технология его формирования. Механические свойства покрытий, полученные в результате модифицирования стали:

– алюмосиликатом: модуль упругости Е = 1,7×105 Н/мм2, нанотвердость – 694 HV;

– металлосилоксаном Е = 18,1×105 Н/мм2, нанотвердость – 739 HV;

– алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном: Е = 1,7×105 Н/мм2, нанотвердость – 578 HV.

Следует отметить высокий модуль упругости покрытия, сформированного металлосилоксаном.