Визначення оптимального змісту дисульфіду молібдену в покритті

3.5 Визначення оптимального змісту дисульфіду молібдену в покритті

Для реалізації процесу тертя з мінімальними трибо технічними властивостями була здійснена наступна гетерогенізація багатокомпонентної структури на основі легованого заліза системи Fe-Мn за рахунок додаткового додавання до складу детонаційних покритий диспергированого дисульфіду молібдену (Патент 2000021109, МК ИС23С 14/14, В22. F9/00/. В.І. Колісник, О.І. Щепотьев, М.М. Мусієнко й ін. від 25.02.2000). Визначення оптимального змісту MoS₂ (керована змінна) у легованому порошку заліза щодо інтенсивності зношування, здійснювалося дослідним шляхом (мал.3.19). Виходячи з науково-методологічних положень вивчення процесів тертя й зношування й запропонованої математичної моделі паралельно проводилися виміри адгезійної міцності зчеплення (σсц) і мікротвердості (Hμ) поверхневих шарів детонаційного покриття. У результаті експерименту були отримані залежність і побудована функція відкликання:

Рис. 3.5.1. Залежність інтенсивності зношування покриття від змісту MoS₂.

Рис. 3.5.2. Побудова функції відкликання (Іh) від вибраних факторів.

Мінімальної інтенсивності зношування 3,5 мм3/див2*1000м відповідає зміст дисульфіду молібдену 8%(мас.), показники адгезійної міцності й мікротвердості - 98,2 МПа й 11,46 ГПа. У цьому випадку частки твердого змащення рівномірно розподілені по товщині композиційного покриття і їх кількість виявляється достатнім, щоб забезпечити його високі антифрикційні властивості. При меншій кількості дисульфіду молібдену ефект самозмазування в покритті не досягається. Покриття з більшим змістом Mos2 розпушується, його несуча здатність значно знижується. Була відпрацьована технологія одержання композиційних порошків, які містять у якості одного з компонентів диспергирований дисульфід молібдену. Частки твердого масла, як було експериментально встановлене, винні відповідати фракціям 1-6 мкм (при чистоті до 98%) змішувалися з композиційним порошком легованого заліза "мокрим" способом протягом 1,5 години. Гідності цього способу виробництва композиційної суміші для напилювання полягає колись у більш міцному зчепленні Mos2 із частками основного матеріалу, а також у більш сильному змісті часток твердого змащення в мікрорельєфі поверхні. Суміш сушили при температурі 140-160 °С до повного видалення вологи. Розшарування основного матеріалу із твердим змащенням при цьому не спостерігалося. Приготовлені таким способом композиційні порошкові склади по режимах і методиці, описаної в другому розділі.

3.6 Дослідження триботехнічних характеристик композиційних покрити, що містять MoS₂, у нормальній атмосфері

Випробування на зносостійкість детонаційно-газових покриттів , що містять дисперговані дисульфід молібдену, проводили на установці УМТ-1 (схема контакту " торець-торець") при зміні швидкості ковзання від 0,1 до 1,0 м/с і навантаженню 5 мпа. Залежність інтенсивності зношування від навантаження досліджували при постійній швидкості ковзання - 0,8 м/с. Для дослідження сумісності матеріалів, що в задані на грузочно - швидкісних режимах тертя забезпечують стійкий прояв структурної при торканні, детонаційно-газові покриття з MoS₂ випробували, як в однойменних парах тертя, так і в парах з гартівними сталями 45,ХВГ, 30ХГСА й бронзою Бр ОЦС-6-6-3. Вплив швидкості ковзання на інтенсивність зношування, коефіцієнт тертя й температуру в контактній зоні покрити, що містять тверде змащення, представлену на мал. 3.6.1.

Рис. 3.6.1. Вплив швидкості ковзання на інтенсивність зношування, коефіцієнт тертя й температуру покрити системи Fe-Мn із уведенням Mo2:1 - інтенсивність зношування; 2 - коефіцієнт тертя; 3 - температури.

Як видне, що незважаючи на підвищення температури в зоні тертя, збільшення швидкості ковзання приводить до зниження інтенсивності зношування й коефіцієнта тертя. На всьому діапазоні швидкостей ковзання коефіцієнт тертя перебуває в межах 0,15 - 0,06. Існують багато гіпотез, які пояснюють низьке значення коефіцієнта тертя мастильних матеріалів і, зокрема , Mo₂. У роботі [15] запропонована модель механізму мастильної дії, відповідно до якої антифрикційність твердих ламелярних речовин залежить від енергії зв'язку між площинами, характеру адсорбційної взаємодії, яка визначає зміна поверхневої енергії. Однак виражені припущення недостатні для пояснення всього різноманіття відомих експериментальних фактів (наприклад ефекту "аномально низького" тертя MoS₂). Аналіз існуючих вистав про механізми тертя ламелярних твердих мастильних матеріалів і даних експериментальних досліджень дозволили затверджувати, що поверхнева енергія площин базису (0001) дисульфіду молібдену вкрай мала, а взаємодія між окремими шарами

S-Mo-S дуже слабке. Звідси випливає, що дисульфіду молібдену винний забезпечувати досить низькі значення коефіцієнта тертя без участі адсорбуючих атомів або молекул. Більше того, адсорбція в атмосферних умовах речовин, які вступають у взаємодію із сіркою, а тим більше з атомами опозиційно розташованих шарів сірки, винна стримувати переміщення шарів друг щодо друга. Численні експериментальні дані представляють таку точку зору. Так, відомо, що на відміну від графіту, дисульфіду молібдену володіє у вакуумі вищими антифрикційними властивостями . На нашу думку , є розбіжності в описі основного механізму мастильної дії ламелярних матеріалів не перебувають у протиріччі, а скоріше підтверджують більшу складність розглянутого синергетичного явища. На рис. 3.6.2 представлена залежність мікротвердості покриття від змісту MoS2. Однак, незважаючи на те, що введення диспергованих часток MoS₂ до складу покриття знижує мікротвердість, зносостійкість його суттєво росте. Таким чином, максимальна твердість не завжди відповідає високої зносостійкості. Тому що зносостійкість у переважній більшості випадків виявляє собою інтегральну характеристику складної взаємодії різних факторів у процесі тертя.

Рис. 3.6.2. Залежність мікротвердості покриття від змісту MoS₂.

Утвір плівки MoS2 у процесі тертя супроводжується заповненням нерівностей, завдяки чому збільшується загальна контактна поверхня. Металографічне вивчення зовнішнього вигляду поверхні тертя показало, що при цьому формується шар мастильної плівки MoS2, у самих тонких поверхневих шарах, які відбувається інтенсивна й спрямована пластична деформація. На далі, внаслідок комплексу скороминучих динамічних процесів контактної взаємодії, під впливом локальних температур і лещат утворюється гетерогенна структура. Вона складається з м'якої плівки дисульфіду молібдену й твердих фаз складених окислів металів, які входять до складу покриття (Cr₂O₃, Al₂O₃, Fe₃O₄). Таким чином, частки окислів, втілюючись до м'якої ламелярної структури MoS2, викликають різке припинення й запобігають їхній пластичній деформації. Що, у свою чергу, обумовлює стрімке зниження рівня енергії трибоактивації. Мікрофотографія розподілу MoS2, знята в рентгенівських променях на мікроаналізаторі "Самека" моделі МS-46, наведена на мал. 4.6. Частки твердого масла розподіл достатній рівномірно. Стабільність здійснення ефекту самозмазування в процесі тертя досягається внаслідок поновлення шару тертя масла за рахунок Mos2, який вході до складу матеріалу покриття. Дослідження показали, що локалізація пластичної деформації в процесі тертя йде в самих тонких поверхневих шарах плівок і виявляє собою структури на зразок "луска" з товщиною 2-5 мкм. Відповідно до принципів термодинаміки, взаємодії під час тертя йдуть у мінімальних обсягах, у цьому випадку - тонких плівках зі структурою типу "луска", які здатні до свого руйнування поглинати максимальну енергію. Рис. 3.25. Мікро рентгеноструктурний аналіз покриття в рентгенівському характеристичному випромінюванні Mos2Kб (x650). Стан, характер і властивості робочого шару, який виникає безпосередньо в процесі тертя, обумовлюється процесами диспергировання, механіко-хімічного насичення частинами окислів, інтерметалідів, їх змішумання з матеріалами твердого масла й утвором нових фаз, з характеристиками й структурою, яка аналогічна зміцненим-дисперсно-укріпленим матеріалам. Таким чином, у період постійного процесу механіко-хімічного тертя, який характеризується мінімальними коефіцієнтами тертя й зносу. Поверхневий шар, який розділяє трибоповерхню , складається із дрібнодисперсної суміші окислів металів, інтерметалідів розподілених тонкому шару твердого масла.

У роботах є спроба альтернативного пояснення механізму мастильної дії ламелярних твердих масел, у якій зниження коефіцієнта тертя зі збільшенням навантаження пояснюється тим, що підвищення навантаження полегшує умови для найбільш сприятливої орієнтації часток MoS₂. Дана залежність, обумовлена силами міжмолекулярної взаємодії: збільшення навантаження тягне зближення молекул MoS₂, що веде до росту сил відштовхування й, як наслідок цього, до зниження опору при зрушенні. У дослідженні навпаки, констатується, що при підвищенні навантаження коефіцієнт тертя по твердій плівці MoS₂ небагато збільшується. Більша працездатність вивчаємих композиційних покриттів з MoS₂, досягається завдяки зменшенню рівня структурної активації поверхневих шарів, внаслідок регуляції властивостей у вторинних структур, що обладнаною затримкою знаходження кисню до поверхні, яка пластично деформується, високим ступенем орієнтації часток дисульфіду молібдену в процесі тертя. А також, особливістю структури покриттів і, як наслідок, високої локалізації пластичної деформації в надтонких шарах твердого масла. На мал. 3.27 наведена електронна світлина вторинної структури на покритті з легованого заліза з MoS2. Вторинна структура гетерогенна, характер розподілу дисперсних включень сорочечний і має орієнтацію в напрямку вектора швидкості ковзання. Ця обставина є підтвердженням того, що при формуванні вторинних структур вирішальну роль відіграють процеси структурної активації. По своїй будові дана структура близька до структури дисперсно-зміцненого композиційного матеріалу. Як відомо, такі матеріали мають унікальне з'єднання високої пластичності, міцності й мають високу стабільність характеристик в умовах експлуатації.

Таким чином, введення диспергованого дисульфіду молібдену до складу композиційного покриття з легованого заліза забезпечує ефективне змащення поверхонь у контакті. На трибоповерхнях утворюється захисна плівка на основі MoS2, які в процесі тертя постійно відновляється й обновляється. Наявність поділяючий плівки твердого масла забезпечує мінімізацію триботехнічних параметрів і належний рівень антифрикційних характеристик покриттів, які досліджувалися.