Механизм формирования вибрационного химико-механического твердосмазочного покрытия (ВиХМТП) дисульфида молибден

В основу изучения механизма формирования вибрационных химико­механических твердосмазочных покрытий была положена методика определения характера расположения, размеров, глубины и формы следов.

При виброволновом воздействии частицы рабочей среды, наносящие удары по обрабатываемой поверхности, обеспечивают сближение поверхности металла в зоне контакта и наносимого покрытия до возникновения сил молекулярного взаимодействия.

На интенсивность взаимодействия влияет не только контакт порошка с обрабатываемой поверхностью, но и процессы, происходящие в зоне непосредственного контакта. Под действием нормальных и тангенциальных сил поверхностный слой металла деформируется за счет воздействия шаров.

В результате циркуляции рабочей среды и деталей образуется сравнительно равномерный слой пластически деформированного активного металла.

Увеличение внутренней энергии поверхностных слоев металла в результате пластической деформации приводит к повышению адсорбционной активности металлических поверхностей. Адсорбция на поверхности деформированного металла протекает на порядок быстрее, чем на поверхностях, находящихся в равновесном состоянии.

Частицы порошка МоВ: состоят из агрегатов кристаллита, связанных между собой. В результате скольжения стальных шаров относительно поверхности обрабатываемой детали происходит механическое дробление и измельчение кристаллитов твердой смазки, сопровождающееся активизацией частиц дисульфида молибдена за счет разрушения связей внутри кристаллической решетки. Следовательно, последовательное нанесение большого числа микроударов частиц рабочей среды при их взаимном соударении и скольжении приводит к повышению адсорбционной активности не только металлической

поверхности, но и частиц дисульфида молибдена.

Рис. 3.7. Характерные следы прямого удара шара, покрытого МоБ2 (х 500).

При скользящем ударе металл из лунки вытесняется в сторону проекции вектора скорости шара и на краю лунки отчетливо виден валик вытесненного металла (рис. 3.8). В результате присутствия порошка дисульфида молибдена в зоне контакта шара с поверхностью обрабатываемой детали на дне следа видны риски.

Рис. 3.8. Характерные следы косого удара шара, покрытого МоБ2 (? 500).

Несмотря на глубокие риски, съем металла в зоне удара не наблюдается. Рентгеноструктурным фазовым анализом порошка Мо32, взятого из рабочей камеры после обработки деталей, не обнаружено наличие металлической стружки. Значит, рассматриваемый процесс сопровождается только упругопластическим деформированием металла. К такому же выводу пришел А.И. Брудный [33], который отмечает, что в повреждении поверхности при трении деталей, покрытых Мо32, основную роль играет не удаление частиц металла, а пластическая деформация поверхностных слоев.

Кроме того, значительное влияние на формирование пленки дисульфида молибдена оказывает микро/наногеометрия контактирующих поверхностей.

Для того чтобы адгезия покрытия к подложке была достаточно велика, площадь действительного контакта тел должна быть максимальной. А хороший контакт в случае соприкосновения двух твердых тел обеспечивается путем приложения внешней нагрузки.

Первоначальный контакт шара, покрытого Мо32, происходит по вершинам микронеровностей поверхностного слоя металла. В процессе обработки увеличивается площадь контакта покрытия с поверхностью в результате закругления радиуса выступов.

В местах контакта образуются участки, покрытые Мо32. На рис. 3.9 показан след скользящего удара на поверхности металла при нанесении покрытия вибрационным химико-механическим методом.

Рис. 3.9. Характерные следы скользящего удара на поверхности металла при нанесении

покрытия вибрационным методом, ? 500

Видны следы скольжения шара, покрытого MυS2, так же, как и на поверхности металла после удаления нанесенного покрытия (рис. 3.10).

Частицы порошка заполняют также впадины микронеровностей, образуя сначала рыхлый слой. На рис. 3.10 показаны частицы дисульфида молибдена при различном масштабе.

107

Рис. 3.10. Порошок дисульфида молибдена: а - масштаб 20 мкм; б - масштаб 2 мкм; в - масштаб 200 нм; г - масштаб 200 нм

Последующий контакт поверхности, покрытой пленкой дисульфида молибдена, с рабочей средой приводит к уплотнению полученного слоя. В свою очередь, уплотнение частиц порошка Мо32 во впадинах приводит к разрушению и дроблению порошка и еще большему заполнению твердой смазкой микро- и нановпадин (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Поверхность микрошлифа стали 45 (HRC55): а - до обработки; б - после нанесения покрытия МоБ2, ? 500; в - полученные на аналитическом автоэмиссионном электронном микроскопе Zeiss SUPRA25

На снимках представлены микрошлифы плоскости, перпендикулярной обработанной поверхности из закаленной стали 45 (HRC 55) до и после обработки. Видно, что профиль поверхности, имеющей высокую твердость, изменяется незначительно, но впадины плотно заполнены порошком МоS2.

При обработке стали 45 твердостью HRC 28 происходит внедрение частиц порошка в поверхность металла, что хорошо видно на рис. 3.12.

Рис.

Изучение следов обработки на поверхности детали проводилось также методом электронно-микроскопических исследований на микроскопе УЭМВ-100 и Zeiss SUPRA25. На рис. 3.13 представлена микрофотография реплики на поверхности образца после обработки, на котором видны частицы M0S2, внедренные в поверхность металла. Этот факт согласуется с данными, полученными Диконом и Гудменом при исследовании на электронном микроскопе.

Рис. 3.13. Электронная фотография реплики, с поверхности образца стали 45 (HRC 28)

(?10000)

Дальнейшее увеличение толщины покрытия происходит путем дробления кристаллитов дисульфида молибдена в зоне контакта шара и образовавшегося граничного слоя, уплотнения частиц порошка, заполнения микро- и

наночастицами пор и вакантных центров металла с образованием сплошного слоя смазки (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Микрофотография толщины пленки дисульфида молибдена; а - увеличение х 2000 крат; б - масштаб 100 мкм

Адсорбированные частицы твердой смазки не имеют определенной ориентации, но в зоне контакта, благодаря сближению и скользящим ударам шаров, частицы ориентируются базовыми плоскостями параллельно обрабатываемой поверхности, хорошо видимые на изображении (рис. 3.15). Надо отметить, что поверхность покрытия имеет как микрочастицы дисульфида молибдена, так и наночастицы.

Рис. 3.15. Морфология поверхности ВиХМТП дисульфид молибдена с различным разрешением на микро/наноуровне: а -1 мкм; б -200 нм.; в -200 нм

Для сравнения представлено изображение покрытия дисульфида молибдена, нанесенное кистью. Данный метод широко применяется на предприятиях машиностроения и авиастроения для деталей, входящих в пары трения.

анализе изображения поверхности, покрытой дисульфидом молибдена (рис. 3.16), становятся очевидными недостатки этого способа:

- над поверхностью покрытия возвышаются пластины дисульфида молибдена, следовательно, усилий, прилагаемых кистью, не достаточно для формирования уплотненного равномерного покрытия;

- дисульфид молибдена не измельчен, а следовательно, внедрение его в микро/нанопрофиль поверхности металла невозможно. В связи с этим снижается адгезионная способность покрытия и как следствие долговечность.

Рис. 3.16. Морфология поверхности пленки Мо8 2, нанесенной кистью (масштаб 10 мкм)

Увеличение масштаба до 100 мкм показало, что образцы покрыты неоднородно, на поверхности металла видны участки без дисульфида молибдена длиной 300 мкм и шириной 50-100 мкм (рис. 3.17).

111

Рис. 3.17. Морфология поверхности пленки M0S2, нанесенного кистью (масштаб 100 мкм)

После приработки на машине трения МТУ-1 вибрационное химико­механическое покрытие дисульфида молибдена имеет следующий вид (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Морфология поверхности пленки ВиХМТП МоS2: а - после нанесения; б - после приработки на машине трения

Анализируя результаты сравнительных испытаний, можно сделать вывод, что при нанесении покрытия кистью, то есть без приложения нагрузки, кристаллиты порошка МоБ2 имеют беспорядочную ориентацию и некоторые пластины дисульфида молибдена занимают вертикальное положение, а после приработки ориентируются параллельно плоскости скольжения.

Пленка МоБ2, нанесенная различными способами, имеет в начальный период скольжения высокий коэффициент трения, который через определенный

период времени уменьшается и стабилизируется. Установление минимального момента трения совпадает с появлением основного металла, что служит признаком ориентации кристаллитов Мо32 базовыми плоскостями параллельно плоскости скольжения.

Рис. 3.19. Морфология поверхности ВиХМТП МоБ2 с различным разрешением на микро/наноуровне: а - масштаб 200 мкм; б - масштаб 10 мкм; в - масштаб 1 мкм; г - масштаб 200 нм; д - масштаб 100 нм; ж - масштаб 20 нм

Поверхностный слой вибрационного химико-механического покрытия после приработки не меняется, что видно на рис. 3.19.

Результаты определения коэффициента трения этого покрытия показали, что минимальный момент трения устанавливается в начальный период работы, то есть периода приработки практически нет. Приработка покрытия, формирование пленки с хорошими антифрикционными свойствами осуществляется непосредственно в процессе нанесения покрытия.

Подводя итог проведенных исследований, можно заключить, что ВиХМТП дисульфид молибдена позволяет совместить три этапа нанесения твердосмазочного покрытия:

- подготовку поверхности под покрытие - активизацию поверхностного слоя металла в результате пластического деформирования и увеличения плотности дислокаций поверхностных слоев, создание определенного микрорельефа, увеличение площади контакта, разрушение окисных пленок, образование ювенильных поверхностей;

- формирование ВиХМТП;

- приработку поверхностного слоя покрытия.

Механизмы формирования ВиХМП представляют интерес в значительной степени из-за сложности и многообразия кинетических, физических и химических процессов, протекающих в замкнутом объеме рабочей камеры.

Каждая группа покрытий имеет свои физико-химические и эксплуатационные свойства и формируется по законам, присущим данной группе.

Одни покрытия формируются путем механического сближения поверхности металла с покрываемым материалом и удерживаются на поверхности металла силами Ван-дер-Ваальса. Другие формируются в условиях химических реакций или, при наличии в граничном слое электростатических сил, процесс усложняется с образованием двойного электрического слоя гидратацией, диффузией и др.

Знание основ виброволнового воздействия и закономерностей формирования покрытий позволяет рационально выбирать параметры и формировать модельные представления. Схематично они показывают этапы прохождения роста покрытий от начальной фазы до сформировавшегося покрытия с учетом всех факторов системы, отвечающих за этот процесс. При этом, независимо от сложности химических реакций, механическая составляющая при формировании ВиХМП неизменно остается доминирующей, несмотря на некоторое смещение энергетического баланса в сторону химической составляющей.

Анализ процессов нанесения покрытий позволяет представить обобщенную модель ВиХМП, состоящей из пяти основных этапов.

3.7.