авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |

«Учебно-методический центр «Промагромаш» ОАО «Белкард» «Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития». ...»

-- [ Страница 7 ] --

Основным методом их реализации является механоактивация при смешивании компонентов в смесителе лопастного или якорного типа при регулируемых параметрах воздействия элементов на порошкообразную смесь [2, 5, 11, 13]. Считают, что механическое воздействие на твердофазные частицы заданной интенсивности приводит к формированию особого зарядового состояния с большим временем релаксации, достаточным для осуществления последующих технологических операций с сохранением эффекта модифицирования [2, 5, 11, 13, 14]. Композиты на основе ПТФЭ с механоактивированными компонентами значительно превосходят по показателям прочности и износостойкости материалы аналогичного состава, полученные по традиционной технологии [2, 5, 13-15]. Особую значимость эффект механоактивирования приобретает во фторкомпозитах, содержащих твердо-фазные минеральные частицы: глины, цеолиты, трепел. Очевидно, что механоактивация приводит к увеличению значения нескомпенсированного заряда минеральных частиц естественного происхождения, обусловленного особенностями кристаллохимического строения геосиликатов. Это благоприятно сказывается на проявлении эффекта ориентирующего действия частиц наполнителя на формирование надмолекулярной структуры матрицы ПТФЭ [2, 5]. Поэтому в [2, 5] считают, что определяющим фактором повышения комплекса показателей служебных характеристик фторсодержащих композитов с механоактивированными компонентами является формирование мелкосферолитной надмолекулярной структуры композитов под действием активных частиц минерального наполнителя, выполняющих роль зародышей кристаллизации. При всей значимости достигаемых технических эффектов, обусловливающих расширение нагрузочно-скоростного диапазона применения минералонаполненных композитов на основе ПТФЭ в машиностроении, необходимо подчеркнуть сохранение их достаточно высокого коэффициента трения и абразивного воздействия на металлическое контртело, особенного при эксплуатации без подвода внешней смазки [1-3, 5, 7, 8].

Нашими исследованиями показана высокая эффективность применения механохимических процессов непосредственно при формировании и эксплуатации композитов металополимерных трибосистем [12, 13]. При этом отмечена особая роль контактных взаимодействий, приводящих к формированию продуктов заданного состава, строения и характеристик, выполняющих функцию ингибиторов изнашивания [12, 14].

Разработана методология создания функциональных композитов с повышенными показателями износостойкости, в т. ч. при воздействии электрических и тепловых полей регулируемой мощности, основанная на механохимическом синтезе высокомолекулярных армирующих соединений в процессе активированного смешивания компонентов [11-15].

Очевидно, что направленное использование механохимических взаимодействий на разных стадиях получения композитов и эксплуатации изделий из них, относится к числу наиболее перспективных методов создания малоизнашивающихся трибосистем с применением композитов на полимерных матрицах, в т. ч. политетрафторэтилена.

В технологии композитов на основе ПТФЭ необходимо подчеркнуть возможность инверсии некоторых особенностей структуры полимерной матрицы, неблагоприятно влияющих на показатели износостойкости, технологичности, прочности, в положительный фактор увеличения служебных показателей. К числу таких особенностей необходимо отнести возможность разрушения или передеформирования граничных слоев матрицы ПТФЭ под действием тангенциальных нагрузок с образованием дисперсных фрагментов с большим числом макрорадикальных продуктов. Поэтому один из путей повышения показателей триботехнических и технологических характеристик ПТФЭ композитов может быть реализован при направленном использовании процессов механо- (трибо-)крекинга матричного компонента или модификаторов на различных стадиях процесса формирования материалов и изделий.

Разработан способ формирования изделий (полуфабрикатов) из фторкомпозитов, сущность которого состоит в активации контактных процессов в граничных слоях системы «ПТФЭ-матрица-наполнитель» путем использования различия показателей теплофизических характеристик компонентов [9]. Согласно этому способу обеспечивается эффект комплексного повышения прочностных и триботехнических характеристик. Например, показатель разрушающего напряжения при растяжении р композита на основе ПТФЭ, содержащего 20 мас.% углеволокна, при переработке по разработанной технологии достигает значения 22-35 МПа при аналогичном показателе р=17 МПа для изделия, сформированного по традиционному процессу [7-9]. Эффект упрочнения, вероятно, обусловлен суммарным действием нормальных и тангенциальных напряжений на границе раздела «матрица-наполнитель», приводящим к взаимодействию макрорадикальных продуктов с активными центрами наполнителя и снижению дефектности граничного слоя вследствие заполнения микронеровностей поверхности частиц модификатора из-за механохимического пластифицирования.

Современные технологии формирования изделий из фторкомпозитов представляют собой многостадийный процесс, включающий стадии сушки (150 оС) 1, предварительной термообработки (325 оС) 2, монолитизации (367 оС) 3, высокотемпературного отжига (312 оС) 4, низкотемпературного отжига (150 оС) 5. Суммарный цикл изготовления изделий из фторкомпозита типа «Флубон» [1] представлена на рис. 1.

Для оценки влияния параметров формирования на характеристики изделий из фторкомпозита «Флубон-20»

изготовили модельные образцы при различных технологических схемах (рис. 2).

Результаты испытаний физико-механических (показатель р) и триботехнических (показатель I107) характеристик представлены на рис. 3 и 4.

Анализ приведенных данных свидетельствует о существенном повышении показателя р (с 17,0 МПа до 35 44 МПа) и увеличения износостойкости I107 (с 3,5 до 0,47).

Наиболее оптимальным вариантом формирования образцов являются режимы 3 и 5, характеризующиеся сокращенным циклом по сравнению с традиционным (рис. 2 в, д). При этом необходимо подчеркнуть, что все композиты, сформированные по разработанной технологии, существенно превосходят по служебным характеристикам отечественные и зарубежные аналоги – фторкомпозиты марки «Флубон», «Флубон-ЛО»

(«Флувис-20»), Ф4К20, Ф4К15М15, Ф4Г15 [2, 3, 7, 8].

Рис. 1 Схема режима формирования композиционных материалов типа «Флубон» [1] Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют об определяющей роли контактных процессов на границе раздела «матрица-наполнитель» в механизме монолитизации композитов, формируемых по различным технологическим схемам. Важной особенностью разработанной технологии является возможность достижения высоких показателей служебных характеристик композитов при использовании компонентов без дополнительной модифицирующей обработки – плазмохимической [4, 10], растворной [3, 11], механоактивирующей [2, 5].

Оценка экономических аспектов реализации разработанной технологии свидетельствует о целесообразности ее практического применения на специализированных предприятиях по производству фторкомпозитов.

Рис. 2 Технологические схемы формирования образцов из материала типа «Флубон» по оптимизированному циклу Рис. 3 Физико-механические характеристики композитов типа «Флубон», сформированных по различным технологическим режимам Рис. 4 Износостойкость композитов типа «Флубон», сформированных по различным технологическим режимам Разработанная технология формования триботехнических и герметизирующих изделий из фторкомпозитов реализована на ОАО «Гродненский механический завод» в соответствии с нормативной документацией и защищена серией патентов на изобретения.

Работа выполнена в рамках исследований по заданию «Исследование кинетики релаксации зарядового состояния в расплавах и растворах полимеров» ГКПНИ «Наноматериалы и нанотехнологии».

Заключение. Разработана технология формирования изделий из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена по сокращенному технологическому процессу, обеспечивающая повышение показателей физико механических и триботехнических характеристик.

Литература Сиренко, Т.А. Антифрикционные карбопластики. – К.:

1.

Технiка, 1985. – 195 с.

2. Охлопкова, А.А. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик: Дисс. … д-ра техн. наук. Якутск, 2000. – 269 с.

3. Горбацевич, Г.Н. Структура и технология углеродных герметизирующих материалов для статических и подвижных уплотнений: Дисс. … канд. техн. наук. Гродно, 2002. – 138 с.

4. Серафимович, В.В. Влияние плазмохимической обработки углеродных волокон в среде фторорганических газов на из физико-механические свойства, /Поликомтриб-2007. Тезисы докл. межд. научно-техн. конф. – Гомель: ИММС НАН Б, 2007. – с. 186-187.

5. Петрова, П.Н. Разработка машиностроительных триботехнических материалов на основе политетрафторэтилена и природных цеолитов Якутских месторождений. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. Якутск, 2001. – 18 с.

6. Свойства ПТФЭ, модифицированного терморасширенным графитом /А.А. Охлопкова, С.А. Слепцова, Н.П. Петрова, Т.С.

Стручкова //Материалы, технологии, инструменты). Т. (2007), №3. с. 38-41.

7. ТУ РБ0353279.071-99. Заготовки из фторопластовой композиции «Флувис».

8. ТУ РБ00203832.090-99. Заготовки из фторпластовой композиции «Флубон».

9. Струк, В.А. Способ изготовления изделия из композиционного материала на основе высоковязкого полимера (варианты) /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И.

Кравченко и др. Патент Республики Беларусь на изобретение № 9396, 2007.

10. Гракович, П.Н. Новые материалы суперфлувис и форпласт /С.А. Хатипов и др. //Поликомтриб-2007. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. – Гомель:

ИММС НАН Б, 2007. – с. 27.

11. Полимер-силикатные машиностроительные материалы:

физико-химия, технология, применение. /С.В. Авдейчик и [др.] под ред. В.А. Струка, В.Я. Щербы. – Минск: Тэхналогiя, 2007.

– 431 с.

12. Гольдаде, В.А. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем. /В.А. Гольдаде, В.А. Струк, С.С.

Песецкий. – М.: Химия, 1993. – 280 с.

13. Авдейчик, С.В. Трибохимические технологии функциональных композиционных материалов: ч. 1, ч. 2. /С.В.

Авдейчик и [др.] под ред. В.А. Струка, Ф.Г. Ловшенко. – Гродно: ГГАУ, 2007, 2008. – 320 с., – 395 с.

14. Овчинников, Е.В. Тонкие пленки фторсодержащих олигомеров: основы синтеза, свойства и применение. /Е.В.

Овчинников, В.А. Струк, В.А. Губанов. – Гродно: ГГАУ, 2007.

– 326 с.

15. Методология формирования и применения функциональных материалов на основе политетрафторэтилена /В.А. Струк, В.И.

Кравченко, Г.Н. Горбацевич и др. // «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». Материалы Седьмой ежегодной международной промышленной конференции.

КЦИТ, К.: 2008. – 118-124 с.

УДК 678.027.3:678. ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ ФТОРКОМПОЗИТЫ ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ Г.Н. Горбацевич, В.А. Струк, Д.В. Лышов УМЦ «Промагромаш», ОАО «Белкард», ОАО «Гродненский механический завод», г. Гродно Рассмотрена методология формирования функциональных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). Предложена классификация наполнителей и модификаторов ПТФЭ, основанная на преимущественном механизме их действия. Проведен анализ составов и технологии триботехнических композитов на фторопластовых матрицах. Предложены эффективные направления повышения показателей эксплуатационных характеристик фторкомпозитов путем введения активных наполнителей и применения новых технологических приемов.

Введение. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена нашли широкое распространение для изготовления триботехнических деталей, применяемых в узлах трения, эксплуатируемых при воздействии перепада температур (от криогенных до 350оС), агрессивных сред, при ограничении или отсутствии смазки, а также при сочетании других неблагоприятных факторов [1]. Особую эффективность такие детали обеспечивают в системах получения и транспортирования сжатых и сжиженных газов благодаря высокой износостойкости в условиях реверсивного движения, способности формировать устойчивые разделительные слои, способствующие локализации физико-химических процессов, обусловливающих триботехнические характеристики сопряжения в зоне фрикционного контакта [2].

Модифицирование базового связующего политетрафторэтилена (ПТФЭ) компонентами различного состава, дисперсности и активности обусловливает снижение показателей неблагоприятных характеристик (текучести под давлением, высокого коэффициента трения при повышенных скоростях, низкой износостойкости) матрицы и формирование комплекса повышенных служебных характеристик, определяющих нагрузочно-скоростной диапазон применения герметизирующих изделий, подшипников скольжения и специального инструмента для обработки высокотвердых материалов [3]. Для модифицирования ПТФЭ традиционно используют дисперсные частицы углеродных, полимерных и стеклянных волокон, порошки металлов и их оксидов, цветных сплавов, порошки природных минералов слоистого, каркасного и цепочечного строения, сухие смазки, в т. ч. природные углеродсодержащие компоненты (кокс, графит) [1-4].

Номенклатура модификаторов различного механизма действия достаточно широка и в последние годы интенсивно развивается.

Совокупность известных модификаторов ПТФЭ может быть классифицирована по механизму действия [1-4]:

- модификаторы, обеспечивающие эффект упрочнения композита;

- функциональные модификаторы, изменяющие кинетику физико-химических и триботехнических процессов в полимерной матрице, в т. ч. процессов формирования надмолекулярной структуры;

- модификаторы, выполняющие функции заполнителя (инертного наполнителя).

Высокий эффект, обусловленный синергическим действием на процессы структурирования ПТФЭ и трибохимические превращения в контактной зоне, достигается при введении низкоразмерных частиц природного, искусственного и синтетического происхождения – сиалонов, углеродных частиц детонационного синтеза (УДА, УДАГ, УДАВ), цеолитов, глин [3]. Характерной особенностью модифицирующего действия наночастиц является проявление синергического эффекта при небольших (допинговых) содержаниях в матрице ПТФЭ, как правило, не превышающих 1,0 мас.% [3, 4]. Механизм действия допинговых наномодификаторов связывают с комплексным действием нескомпенсированного заряда, сформированного у частиц в результате особенностей кристаллохимического строения или специального технологического воздействия (механического, теплового, ионизирующего, лазерного и т. д.) [5].

При наличии достаточно широкой гаммы функциональных композитов на основе фторопластовых матриц особое предпочтение получили материалы, содержащие в качестве основного модификатора дисперсные фрагменты углеграфитовых (углеродных) волокон (УВ) [1, 2]. Такие материалы были промышленно освоены еще в 70-х годах прошлого столетия и выпускаются под торговой маркой «Флубон» [1]. По комплексу служебных характеристик триботехнические композиты «Флубон» заметно превосходили аналоги и обеспечивали заданные эксплуатационные параметры компрессорной техники и трибосистем с повышенными требованиями к надежности и ресурсу [1]. Более поздние разработки триботехнических композитов, выпускаемых под марками «Флувис» и «Суперфлувис», фактически являются аналогами материалов «Флубон», в которых использован углеродный наполнитель, производимый в Беларуси – углеродное волокно «Вискум» производства ОАО «Светлогорское Химволокно» и его модификация «Белум» [6].

Характерной особенностью композита «Флубон» и его аналогов («Флувис» и «Суперфлувис») является существенная зависимость показателей деформационно-прочностных и триботехнических характеристик от технологических режимов подготовки компонентов и формирование полуфабрикатов (изделий) по технологии холодного прессования с последующим спеканием [1, 6]. Учитывая особые реологические характеристики порошкообразного ПТФЭ при температурах, близких к температуре плавления, и отсутствие явно выраженного вязкопластического состояния, характерного для расплава этого термопласта, можно apriori утверждать, что формирование граничного слоя при контакте фрагментов матрицы и углеродного наполнителя зависит от совокупного действия ряда факторов. К числу важнейших факторов относятся зарядовое состояние (величина нескомпенсированного заряда и полярность) частиц полимерной матрицы и углеродного наполнителя, интенсивность адгезионного взаимодействия на границе раздела, активное действие наполнителя на процессы надмолекулярного упорядочения матрицы в периферии, кинетика квазитечения пластифицированной частицы ПТФЭ по поверхности углеродного наполнителя под действием давления формования, кинетика адсорбционного взаимодействия макромолекул частиц ПТФЭ в квазитекучем состоянии с поверхностью частицы углеродного волокна, кинетика монолитизации частиц ПТФЭ.

При этом очевидным является факт определяющего влияния технологической предыстории формирования полуфабриката на указанные факторы, обусловливающей эффективный первоначальный контакт компонентов благодаря пластическому деформированию («холодному течению») частиц ПТФЭ под действием давления формования заготовок полуфабриката, составляющего 35-80 МПа [1].

Процессы холодного течения, характерные для ПТФЭ, обеспечивают уровень адгезионного взаимодействия компонентов, достаточный для длительного сохранения формы отпрессованного полуфабриката и его эффективного спекания в свободном состоянии в атмосфере воздуха или инертных газов для получения показателей характеристик прочности при растяжении в диапазоне 25-30 МПа [1]. Благодаря этой особенности матрицы композиты на основе ПТФЭ перерабатывают в изделия эффективными технологиями экструзии и прессования с последующим спеканием, получая полуфабрикаты с достаточно стабильными показателями деформационно-прочностных и триботехнических характеристик и низким содержанием дефектов в виде пор и трещин [1, 2]. Вместе с тем, характерная инертность политетрафторэтилена в процессах адсорбционного взаимодействия на границе раздела «матрица-наполнитель» и отсутствие стадии вязкотекучего состояния в диапазоне температур переработки композита, препятствуют реализации эффекта упрочнения матрицы при введении армирующих наполнителей и модификаторов различного состава, строения и дисперсности. Анализ показывает, что показатели деформационно-прочностных характеристик (прочность при разрыве, ударная вязкость) наиболее эффективных композитов на основе ПТФЭ, в т. ч. материалов «Флубон», «Флувис» и «Суперфлувис», не достигают аналогичных показателей, характерных для матричного материала [1, 6]. Этот аспект получения функциональных композитов на фторсодержащих матрицах требует системного анализа и служит существенным препятствием для расширения марочного ассортимента триботехнических и герметизирующих материалов.

Сложился материаловедческий парадокс, состоящий в невозможности высокомодульного армирующего модификатора (например, углеродных волокон) реализовать в матрице ПТФЭ хотя бы некоторую долю своих армирующих характеристик, которые на несколько порядков превышают характеристики политетрафторэтилена [1]. В результате обоснованность использования этого дорогостоящего модификатора и эффективность его введения практически не вытекают из условий применения изделий из композитов, наполненных углеграфитовым волокном. Кроме того, фрагменты углеводородных волокон не обладают триботехническими характеристиками, аналогичными характеристикам сухих смазок со слоистой структурой, подобной решетке графита или дисульфида молибдена. Высокие прочностные характеристики высокомодульных углеграфитовых волокон и их повышенная устойчивость к процессам трибо-, термо- механодеструкции обусловливают достаточно высокое абразивное воздействие детали узла трения на сопряженное металлическое контртело, особенно выполненное из материалов пониженной прочности (не термообработанных углеродистых сталей, сплавов на основе алюминия, титана, меди) [1]. Отмеченные обстоятельства нивелируют эффективность применения углеграфитовых волокон по сравнению с другими видами волокнистых модификаторов, например, стеклянных или арамидных, особенно при их модифицировании вискеризацией, ионным травлением, металлизацией.

Главным преимуществом углеродных волокон как модификатора ПТФЭ по сравнению с другими видами волокон, является их высокая термостойкость, позволяющая сохранить свои прочностные показатели в процессе длительного высокотемпературного воздействия при переработке композита в изделия, достигающего 10-15 час при температурах 320-370 оС.

Однако это преимущество практически блокируется выраженной инертностью немодифицированных волокон в процессах адсорбционного взаимодействия с полимерной матрицей в сочетании с высокой стоимостью и абразивностью.

Согласно современным технологиям в композитах на основе ПТФЭ углеродные волокна применяют в диспергированном виде при длине фрагмента не более 0,1-2 мм [1]. Это обстоятельство дополнительно снижает эффективность армирующего действия углеграфитовых волокон в матрицах ПТФЭ. Однако при большей длине фрагмента этот наполнитель выполняет функцию структурного дефекта, резко снижающего показатели деформационно-прочностных и триботехнических характеристик [1]. При этом достаточно большая длина фрагмента УВ практически не позволяет ему проявлять функции структурно-активной частицы, формирующей квазикристаллические надмолекулярные граничные слои достаточно больших размеров, оказывающих армирующий эффект на матрицу ПТФЭ подобно дисперсным частицам металлов, оксидов, силикатов, сиалонов и др. [3]. Поэтому армирующие функции дисперсных частиц УВ проявляются, главным образом, благодаря механическому торможению процессов пластического деформирования матрицы ПТФЭ.

Таким образом, совокупность отмеченных негативных факторов, одновременно действующих на матрицу ПТФЭ при введении дисперсных углеграфитовых волокон, резко снижает эффективность их модифицирующего действия и целесообразность использования при создании герметизирующих и триботехнических композитов на основе политетрафторэтилена, применяемых для изготовления изделий общетехнического назначения.

Из литературных источников известны различные подходы к снижению негативных факторов модифицирования ПТФЭ дисперсными УВ [1, 4, 6]. Достаточно высокий эффект обеспечивают методы повышения активности поверхностного слоя углеграфитового фрагмента, основанные на увеличении величины удельной поверхности и числа активных центров.

Углеграфитовые волокна фторируют, подвергают обработке (травлению) потоками высокоэнергетических частиц, модифицированию тонкими пленками ПТФЭ или фторсодержащих продуктов в вакууме, металлизации [1, 4, 7].

Учитывая химическую инертность УВ, существуют определенные технологические трудности в формировании высокоактивного рельефа, подобного образующемуся при вискеризации. Однако особая объемная структура УВ, характеризующаяся наличием множества микро- и нанополостей, образовавшихся в результате процессов карбонизации и графитизации, создает предпосылки для применения газо- и жидкофазных модификаторов, способствующих увеличению адсорбционного взаимодействия на границе раздела «матрица-углеродный наполнитель».

Анализ литературных источников, патентной и коммерческой информации, результатов долголетнего практического опыта создания и применения функциональных композитов на основе матрицы ПТФЭ, свидетельствует о необходимости системного подхода к разработке составов и технологии фторопластовых материалов, учитывающего основные процессы межфазного взаимодействия компонентов и современные технологии их модифицирования с целью повышения активности.

Результаты и обсуждение. При разработке технологии функциональных композитов на основе политетрафторэтилена были реализованы подходы, основанные на управлении адсорбционным взаимодействием на границе раздела «полимерная матрица-углеграфитовый фрагмент». В процессе исследований формировали предпосылки образования граничных слоев заданной структуры, обеспечивающих увеличение показателей деформационно-прочностных и триботехнических характеристик композитов, в т. ч.:

- путем металлизации фрагментов УВ [1, 8, 9];

- формированием углеродных фрагментов карбонизацией частиц наполнителя в процессе спекания полуфабриката [10-11];

- увеличением степени деформации граничного слоя полимерной матрицы в процессе спекания полуфабриката [12, 13];

- повышением термодинамической совместимости компонентов с помощью тонких модифицирующих пленок [14, 15];

- уменьшением интенсивности термоокислительных и термодеструкционных процессов во фрагментах УВ в процессе спекания полуфабриката [12, 13];

- повышением устойчивости перенесенных слоев на поверхностях фрикционного контакта элементов пары трения [8-15];

- увеличением содержания квазикристаллических областей в матрице политетрафторэтилена введением низкоразмерных углеродных частиц с нескомпенсированным зарядом [16-17].

Ниже рассмотрены технологические и методологические принципы реализации различных методов создания функциональных машиностроительных материалов на основе политетрафторэтилена.

Разработан состав для получения композиционного материала на основе политетрафторэтилена [8, 9], который содержит в качестве углеродного модификатора металлизированные углеродные волокна. Нанесение частиц металла на поверхность УВ осуществляли термолизом металлсодержащего прекурсора (формиата и оксалата соответствующего металла) или химическим осаждением из водного раствора соли – источника металла. Металлизация фрагментов УВ способствует развитию удельной поверхности наполнителя, что повышает адгезионное взаимодействие на границе раздела «матрица-наполнитель». Наличие в матрице олигомерных продуктов и макромолекул с активными функциональными группами способствует адсорбционному взаимодействию компонентов в граничных слоях. Олигомерный компонент, введенный дополнительно в состав композита, способствует формированию устойчивого перенесенного слоя на контактных поверхностях, содержащего частицы сухой смазки и металлсодержащие продукты трибохимического взаимодействия, снижающего износ трибосопряжения.

Изделия из разработанных композитов обеспечивают надежную эксплуатацию узла трения при факторе pv=10-15 без смазки и pv=12-20 со смазкой. При этом интенсивность изнашивания полимерного подшипника в диапазоне нагрузок 5 15 МПа не превышает 1,45-5,510-7. Композиционный материал [8, 9] по служебным характеристикам значительно превосходит аналоги – композиты «Ф4К20», «Флубон-20» и др.

Для изготовления изделий триботехнического назначения с повышенными требованиями по износостойкости разработан «Состав для получения композиционного герметизирующего материала» [16, 17], в котором использован принцип многоуровневого модифицирования полимерной матрицы, предложенный в [4]. Реализация данного принципа осуществляется путем введения в ПТФЭ смеси наполнителей различного состава и дисперсности – углеродных волокон и нанодисперсных частиц, выбранных из группы: УДАГ, сиалон, титанат натрия.

Частицы нанодисперсного наполнителя, обладая нескомпенсированным зарядом, обеспечивают эффект упорядочения полимерной матрицы, обусловливающей повышение прочностных и триботехнических характеристик композита. Наличие в составе олигомерного компонента повышает термодинамическую совместимость на границе раздела и способствует пластифицированию граничных слоев ПТФЭ. В результате адгезионное взаимодействие на границе раздела компонентов усиливается, что повышает прочностные характеристики композита до р=25-32 МПа. Наличие в составе сухой смазки и фторсодержащего олигомера обеспечивает формирование устойчивых перенесенных слоев на поверхностях трения. Композит имеет достаточно высокую износостойкость (1,69-3,010-7), низкий коэффициент трения (0,08-0,22) и по совокупности показателей служебных характеристик существенно превосходит аналоги типа материалов «Флубон»

при близком содержании углеродных наполнителей.

Применение в разработанных составах [8-11, 16-17] фторсодержащих олигомеров, имеющих структурную формулу СF3 CF CF2 CF2 O CF2 R f О CF3, где R f ;

- NH2;

- OH;

- CF3 и CF3 C OН молекулярную массу от 500 до 5 000 ед позволяет осуществить модифицирование фрагментов углеродного волокна.

Разбавленные растворы фторсодержащих олигомеров «Фолеокс», «Эпилам» различных марок (Ф-1, Ф-14, Ф-6, Ф-8, СФК-180-20, 6МФК-180), представляющие 0,2-2,0 мас.% растворы перфторкислот в хладоне или фреоне, обеспечивают комплексное модифицирование, как поверхностного слоя, так и объема фрагментов волокна. Это приводит к повышению термодинамической совместимости УВ и матрицы ПТФЭ и изменяет кинетику диспергирования углеродного наполнителя благодаря снижению количества поверхностных и объемных дефектов.

В отличие от процесса фторирования УВ и обработки продуктами диспергирования ПТФЭ высокоэнергетическими потоками или плазмохимической обработкой [1, 6, 7] модифицирование разбавленными растворами фторсодержащих олигомеров обеспечивает комплексный эффект, обусловленный не только повышением термодинамической совместимости компонентов на границе раздела, но и возможностью полярных макромолекул олигомеров хемосорбироваться на поверхностях трения и способствовать формированию устойчивого перенесенного слоя.

На наш взгляд, такой подход более обоснован, чем использованный в [6, 7] при создании триботехнических материалов «Флувис» и «Суперфлувис», т. к. имеет более простую технологию реализации и высокую эффективность.

Разработанная плазмохимическая технология модифицирования УВ политетрафторэтиленом или продуктами полимеризации фторсодержащих соединений, с применением вакуумной техники, по мнению авторов, формирует «лоскутное покрытие», состоящее их статически осажденных участков, которое способствует увеличению смачиваемости наполнителя расплавами полимеров [7].

Модифицированные фторсодержащими компонентами углеродного волокна (материал углеродный «Белум») рекомендованы в качестве наполнителя политетрафторэтилена при получении триботехнических материалов. Материал «Белум» выпускают согласно ТУВY400084698.177-2006. Практика использования модифицированного УВ в композиционных материалах свидетельствует о сравнительно невысокой эффективности его действия по сравнению с исходным углеродным волокном типа «Вискум-10» (ТУ РБ400031289.170-2001). Данные о показателях физико-механических характеристик материала «Белум», приведенные в нормативной документации, не позволяют оценить целесообразность используемой технологии его модифицирования. Сравнительные триботехнические и физико механические испытания материалов «Флубон-20», «Флувис-20»

и «Суперфлувис» не подтверждают сколь-нибудь заметных преимуществ последних, несмотря на утверждение в литературных источниках о безусловно более высоких показателях износостойкости и прочности при разрыве [6, 18].

По сущности реализованного технического решения, включающего соотношение компонентов, технологию формирования композита и полуфабрикатов (изделий) из него, материалы «Флувис» и «Суперфлувис» являются аналогами композитов серии «Флубон», имеют практически идентичные области применения, а технология модифицирования УВ продуктами диспергирования ПТФЭ известна еще с 80-х годов прошлого столетия [1]. Как ранее отмечалось, в этих композитах не реализуется главное преимущество высокомодульных углеграфитовых волокон как армирующего модификатора ПТФЭ – не обеспечивается в полной мере их армирующий эффект, и прочностные показатели композитов (р) в оптимальных марках не значительно превышают аналогичные показатели базового политетрафторэтилена.

Разработан композиционный термостойкий триботехнический материал на основе политетрафторэтилена, в котором роль армирующего компоненты выполняют углеграфитовые (карбонизованные) частицы термопластичных волокон (полисульфоновых, полипропиленовых, полиакрилонитрильных, полиамидных) [16, 17]. При термической обработке сформированного холодным прессованием полуфабриката в течение 10-16 час в диапазоне температур 280-350оС, обеспечивающей монолитизацию заготовки и достижение заданных параметров ее служебных характеристик, происходят интенсивные термоокислительные процессы в частицах армирующего наполнителя. В результате в объеме композита образуются волокнообразные фрагменты, подобные углеродным волокнам, однако имеющие более высокие триботехнические характеристики. Известно, что глубокая термоокислительная деструкция термопластов в атмосфере воздуха способствует образованию продуктов, обладающих свойствами смазочных материалов [19]. В условиях ограниченного доступа кислорода вследствие капсулирования моночастиц наполнителя полимерной матрицей образование низкомолекулярных продуктов термодеструкции практически не происходит. При этом процессы карбонизации способствуют формированию частиц с прочностью, превышающей прочность матрицы политетрафторэтилена (р=28-32 МПа), а термоокисление приводит к образованию активных полярных групп в поверхностном слое наполнителя, увеличивающих термодинамическую совместимость компонентов. Совокупное действие достигаемых положительных характеристик карбонизированного наполнителя позволяет получить композиты с повышенным сочетанием деформационно прочностных (р=20-35 МПа) и триботехнических (fтр=0,15-0,20;

I=1,3-3,510-7) характеристик. Разработанный композиционный термостойкий материал по комплексу служебных характеристик не уступает материалам «Флубон», «Флувис», однако имеет более низкую стоимость благодаря замене дорогостоящего УВ на крупнотоннажно выпускаемые более дешевые термопластичные волокна, в т. ч. некондиционные.

Практический опыт применения триботехнических композитов на фторопластовых матрицах свидетельствует о целесообразности разработки технологий, основанных на применении традиционного оборудования по переработке термопластов. Благодаря такому подходу сокращается время промышленного освоения новых композитов и снижаются производственные затраты на инновацию.

Разработан способ изготовления композиционного материала на основе термопластичных матриц, сущность которого состоит в модифицировании углеродного наполнителя фторсодержащим олигомером с молекулярной массой 2 000 5 000 ед. [14, 15].

Как уже отмечалось, наличие олигомера на границе раздела компонентов способствует повышению термодинамической совместимости матрицы и наполнителя и увеличению их адгезионного взаимодействия. Кроме того, олигомерный компонент способствует формированию устойчивой пленки переноса, содержащей частицы сухой смазки и продукты диспергирования углеродных волокон. По служебным характеристикам разработанный материал не уступает аналогам и имеет технологию, легко реализуемую на промышленном предприятии, специализирующемся на выпуске полимерных композитов.

Важнейшей характеристикой, обусловливающей заданный уровень деформационно-прочностных и триботехнических характеристик композитов на основе политетрафторэтилена, является прочность адгезионной связи на границе раздела «полимерная матрица-углеродное волокно», представляющая собой результат совокупного действия сил адсорбционного и механического характера. Очевидным является факт, что при формировании такой связи определяющее значение играет усилие и температура контактирования частиц, обеспечивающие определенное значение фактической площади контакта.

При традиционной технологии фторопластовых композитов заготовки формируют при оптимальных давлениях 35-80 МПа [1], а их монолитизацию (спекание) проводят в свободном состоянии. Такая технология предполагает снижение силы адгезионного взаимодействия между компонентами в процессе спекания вследствие релаксации напряжений и действия тепловых деформаций, вызванных различием коэффициентов теплового расширения ПТФЭ и наполнителя.

Вследствие этого изделие формируется в нестационарных технологических условиях, а действие окружающей среды способствует протеканию термоокислительных и термодеструкционных процессов в его приповерхностном слое.

Поэтому наблюдается снижение показателей служебных характеристик заготовок.

Разработан способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе высоковязких полимеров, сущность которого состоит в обеспечении дополнительного давления в процессе спекания заготовок благодаря воздействию элементов технологической оснастки [12, 13]. Формирование изделий в закрытой оснастке обеспечивает необходимый натяг, благоприятно сказывающийся на уплотнении компонентов в режиме спекания, и препятствует протеканию деструкционных процессов в изделии. Изделия из композитов на основе ПТФЭ и углеродных наполнителей, сформированные по разработанной технологии, по показателям прочностных (р=22-33 МПа) и триботехнических (fтр=0,17-0,20;

I=1,5-2,310-7) характеристик превосходят аналоги (материалы «Флубон», «Флувис») близкого состава. Применяемая в технологии оснастка конструктивно проста, позволяет многократное использование и быстро окупается.

Разработанные составы функциональных композитов на фторопластовых матрицах и технологии их изготовления и переработки в изделия позволили расширить номенклатуру машиностроительных материалов для вакуумной и компрессорной техники и обеспечить повышение ее ресурса.

Заключение. При выборе функциональных компонентов машиностроительных материалов на основе политетрафторэтилена необходимо учитывать структурные, физико-химические, технологические и эксплуатационные факторы. Высокодисперсные частицы модификаторов, как правило, обусловливают изменение надмолекулярной организации полимерной матрицы, выступая в роли активных центров кристаллизации. Поэтому их содержание следует ограничивать допинговыми концентрациями, не превышающими 1,52,0 мас.%.

Выбор модификатора для обеспечения заданных функциональных характеристик композита на основе ПТФЭ базируется на установлении определяющего механизма его действия – структурирующего, армирующего на макроуровне, изменяющего кинетику физико-химических, в т. ч.

трибохимических процессов, и т. п. Высокодисперсные частицы модификаторов, в т. ч. наномодификаторов, оказывают преимущественно структурирующее действие на матрицу ПТФЭ, обусловливающее упрочнение и повышение износостойкости композита. Диспергированные волокна органического и неорганического происхождения в исходном состоянии вследствие невысокой активности поверхностного слоя не способны к реализации упрочняющего эффекта, адекватного показателям их физико-механических характеристик. Эффект модифицирующего действия таких волокон усиливается при формировании развитого рельефа поверхности, нанесении функциональных слоев из растворов или газовой фазы, увеличении адгезионного взаимодействия на границе раздела компонентов.

Одним из перспективных направлений создания функциональных композитов на основе ПТФЭ является активация дисперсных компонентов механическим, триботехническим, тепловым, ионизирующим и другим воздействием в процессе их подготовки и совмещения. Особый интерес в этом аспекте представляют методы формирования зарядового состояния у компонентов с большим временем релаксации нескомпенсированного заряда.

Интенсивно развивается направление использования наполнителей нового поколения, сформированных в результате специальных технологических воздействий на органические компоненты. Следует ожидать, что подобные модификаторы обусловят синергический эффект армирования и повышения триботехнических показателей за счет процессов структурирования матрицы подобно дисперсно-упрочненным материалам, полученными методами РМЛ [20].

Перспективным направлением формирования функциональных композитов на основе ПТФЭ является использование полимер-олигомерных матриц [8-17], способствующих монолитизации композита при более низких температурно-временных режимах и формированию устойчивых разделительных слоев на поверхностях фрикционного контакта.

Современная номенклатура наиболее эффективных функциональных машиностроительных композитов на фторсодержащих матрицах достаточно ограничена и включает материалы с торговыми марками «Флубон», «Флувис», Ф4К20 и др., созданные путем модифицирования матриц дисперсными углеродными волокнами, частицами кокса, низкоразмерными частицами металлов, оксидов, природных силикатов, сиалонов [1-5].

С использованием методологии комплексного модифицирования разработана гамма фторкомпозитов с повышенными показателями деформационно-прочностных и триботехнических характеристик, защищенная патентами на изобретения РФ, РБ, Украины [8-17].

Расширение марочного ассортимента композитов на фторопластовых матрицах возможно при реализации принципа многоуровневого модифицирования [4], оптимизации технологии формирования композитов и изделий, применении модификаторов нового поколения [5].

Литература Сиренко, Г.А. Антифрикционные карбопластики. – К.:

1.

Технiка, 1985. – 195 с.

2. Новиков, И.И. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах /И.И. Новиков, В.П. Захаренко, Б.С. Ландо //Л.:

ЛО «Машиностроение», 1981. – 238.

3. Охлопкова, А.А. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик: Дисс. … д-ра техн. наук. Якутия, 2000. - 269 с.

Горбацевич, Г.Н. Структура и технология углеродных 4.

герметизирующих материалов для статических и подвижных уплотнений: Дисс. … канд. техн. наук. Гродно, 2002. – 138 с.

5. Полимер-силикатные машиностроительные материалы:

физико-химия, технология, применение /С.В. Авдейчик [и др.];

под ред. В.А. Струка, В.Я. Щербы. – Мiнск: Тэхналогiя, 2007.

– 431 с.

6. Гракович, П.Н. Новые материалы суперфлувис и форпласт.

/С.А. Хатипов и др. //Поликомтриб-2007. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. – Гомель:

ИММС НАНБ, 2007. – с. 27.

7. Серафимович, В.В. Влияние плазмохимической обработки углеродных волокон в среде фторорганических газов на их физико-механические свойства //Поликомтриб-2007. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. – Гомель: ИММС НАНБ, 2007. – с. 186-187.

8. Струк, В.А. Состав для получения композиционного материала /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, С.В.

Авдейчик, Е.В. Овчинников //Патент на изобретение РФ №2278875, МПК С08L 5/16, С08L 27/8, 2004.

9. Струк, В.А. Состав композиционного герметизирующего материала /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В.

Овчинников, С.В. Авдейчик //Патент РБ на изобретение №9819, МПК 09К 3/10, С08L 27/00.

10. Струк, В.А. Композиционный термостойкий триботехнический материала /В.А. Струк, В.И. Кравченко, Г.А. Костюкович, С.В. Авдейчик, Е.В. Овчинников //Патент РФ на изобретение №2268273, МПК С08I 5/16, С10М 171/06, С10М 107/38, 2004.

11. Струк, В.А. Композиционный термостойкий триботехнический материала /В.А. Струк, В.И. Кравченко, Г.А. Костюкович, С.В. Авдейчик, Е.В. Овчинников //Патент РФ на изобретение №8480, МПК С08I 5/16, С08L 27/8, 2004.

12. Струк, В.А. Способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе полимеров /В.А.

Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В. Овчинников, С.В. Авдейчик, Горбацевич Г.Н. //Патент РФ на изобретение №2266925, МПК С08I 5/00, В29С 43/56, 2004.

13. Струк, В.А. Способ изготовления изделия из композиционного материала на основе высоковязкого полимера /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В.

Овчинников, С.В. Авдейчик, Горбацевич Г.Н. //Патент РБ на изобретение №9396, МПК С08I 5/00, В29С 43/00, 2004.

14. Струк, В.А. Способ изготовления композиционного материала на основе термопластичных матриц /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В. Овчинников, С.В.

Авдейчик, Д.И. Федоров //Патент РФ на изобретение №2266988, МПК Д01Г 11/14, С08I 5/06, 2004.

15. Струк, В.А. Способ изготовления композиционного материала на основе термопластичной матрицы /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В. Овчинников, С.В.

Авдейчик, Д.И. Федоров //Патент РБ на изобретение №8674, МПК С08I 5/06, 2004.

16. Струк, В.А. Состав получения композиционного герметизирующего материала /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В. Овчинников, Г.Н. Горбацевич //Патент РФ на изобретение №2269550, МПК С08L 27/18, С08К 3/10, С08L 27/18, 2004.

17. Струк, В.А. Состав композиционного герметизирующего материала /В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В.

Овчинников, Г.Н. Горбацевич //Патент РБ на изобретение №8497, МПК С09К 3/10, С08L 27/18, 2004.

18. О состоянии и перспективах развития науки в Республике Беларусь по итогам 2006 года: Аналитический доклад /А.Н.

Коршунов [и др.] – Мн.: ГУ «БелИСА», 2007. – 316 с.

19. Гольдаде, В.А. Ингибиторы изнашивания металло полимерных систем /В.А. Гольдаде, В.А. Струк, С.С.

Песецкий. – М.: Химия, 1993. – 240 с.

20. Витязь, П.А., Ловшенко, Ф.Г., Ловшенко, Г.Ф. Механически легированные сплавы на основе алюминия и меди. – Мн.:

Беларуская навука, 1998. – 352 с.

УДК 621.7:621. НАПЛАВЛЕННЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ БОРИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ Е.Ф. Пантелеенко, Г.В. Петришин, П.С. Гурченко УО «Белорусский национальный технический университет», г. Минск В работе проведен анализ требований к используемым в магнитно-электрическом упрочнении материалам. На их основе созданы новые порошковые материалы из диффузионно легированных стали и чугуна, получены гетерогенные покрытия из них.

Введение. Среди всевозможных способов нанесения восстановительно–упрочняющих покрытий в наши дни развиваются и создаются принципиально новые, основанные на сочетании различных активирующих факторов – электрических, магнитных, силовых, химических, температурных.

Сравнительно недавно был предложен способ нанесения покрытий, сочетающий комплекс активирующих факторов – магнитно-электрическое упрочнение (МЭУ). К достоинствам данного способа можно отнести: отсутствие необходимости предварительной обработки обрабатываемой поверхности, высокую производительность и величину адгезии, простота оборудования, незначительную зону термического влияния. По сути метод имеет много общего с технологией электроискрового легирования. Отличительная особенность МЭУ состоит в том, что на наносимый порошок одновременно воздействует электрический ток и внешнее магнитное поле, а также осуществляется механическое воздействие. На настоящий момент наиболее отлажен процесс нанесения покрытий методом МЭУ на детали класса валов [1], ведутся исследования и отладка процессов нанесения МЭУ-покрытий на плоские поверхности [2, 3]. Однако технология МЭУ-покрытий требует комплексного изучения.

Результаты и обсуждение. Известно, что на качество и свойства покрытия непосредственно влияет наносимый на подложку материал. В рассматриваемой технологии в качестве таковых применяются порошки. Сама технология нанесения обусловливает комплекс требований к используемым материалам: 1. температура плавления порошка меньше, чем температура плавления подложки (для стальных деталей 950– 1200 0С);

2. высокая наплавляемость;

3. высокая текучесть порошка;

4. отсутствие или небольшая разница коэффициента линейного расширения наносимого материала и упрочняемой детали;

5. ферромагнитность порошка;

6. возможность получения заданного комплекса эксплуатационных свойств покрытия. Существует широкий спектр применяемых для МЭУ материалов. Оптимальными являются самофлюсующиеся диффузионно-легированные порошки на железной основе.

Кроме соответствия вышеперечисленным требованиям, они обладают еще одним преимуществом: отсутствие необходимости создавать защитную атмосферу в процессе МЭУ во избежание попадания кислорода воздуха в материал покрытия в виде оксидов. Наиболее перспективным методом получения таких материалов является диффузионное легирование, поскольку при получении порошков диспергированием происходит значительный угар бора, вводимого в расплав.

Специально для МЭУ созданы новые порошковые материалы на основе отходов отечественного машиностроения.

Данные материалы отвечают требованиям, предъявляемым к порошкам для МЭУ, и созданы методом диффузионного легирования, что повышает содержание бора в частице.

Диффузионное легирование порошка проводилось в среде карбида бора дисперсностью 50 – 160 мкм в металлическом контейнере из жаростойкой стали под слоем плавкого затвора.

Соотношение насыщаемой и насыщающей сред 1:4. Химико термической обработке подвергали два материала: порошок стали 40Л и белого чугуна. Структура исходных частиц является неравновесной в силу условий их производства (рис. 1). На поверхности некоторых из них присутствует оксидная пленка (Fe2SiO4), что подтверждается результатами микрорентгеноспектрального и фазового рентгеновского анализов. Очевидно, она появилась в процессе получения частиц из расплава при соприкосновении их с атмосферным кислородом или водой.

а б Рис. 1 Структура исходных частиц: а – сталь 40Л (мартенсит);

б белый чугун Борирование проводилось преимущественно для фракций 200–315 мкм и 400–630 мкм (отметим, что для МЭУ пригоден порошок размерами 200–700 мкм) при температурах 850, 900, 950 0С в течение 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 часов.

В процессе ХТО происходит оттеснение углерода вглубь частицы. С увеличением продолжительности борирования для стали 40Л можно наблюдать увеличение числа перлитных зерен в сердцевине (рис. 2 а). В чугунных частицах имеет место процесс графитизации (рис. 2 б).

а б Рис. 2 Борированные частицы (фракция 200-315): а – сталь 40Л (3 часа, 900 0С);

б – белый чугун (4 часа, 900 0С) толщина слоя, мкм 200- 100 100- 400- 0 1 2 3 4 5 время ХТО, часов а 183, толщина борированного слоя, мкм 120 119, БЧ 100 40Л 84, 75, 61 60, 40, 29, 0 0 1 2 3 4 время ХТО, часов б 57, толщина, мкм 35 33, 25 24, 850 870 890 910 930 температура, С в Рис. 3 Зависимости толщин борированного слоя от условий ХТО: а – толщины от времени для различных фракций (БЧ, Т = 900 0С);


б – скорость борирования материалов из стали 40Л и БЧ (Т = 900 0С, фракция 400 – 630 мкм);

в – толщина слоя в белом чугуне при разных температурах, ( t = 2 часа, фракция 200 – 315 мкм) По результатам металлографического анализа полученных материалов определены кинетические зависимости толщины борированного слоя от условий химико-термической обработки, графики которых приводятся ниже.

Имея данные зависимости можно регулировать параметры ХТО, чтобы получить определенное содержание бора в частицах, а, следовательно, и в дальнейшем в покрытиях.

Таким образом, регулируя химический и фазовый состав, можно регулировать механические и эксплуатационные параметры упрочняемых поверхностей.

Фазовый рентгеновский анализ показал, что при малой продолжительности ХТО (1, 1,5 часа) диффузионный слой является однофазным, и состоит преимущественно из низкобористого соединения Fe2B. При увеличении продолжительности диффузионного легирования слой становится двухфазным – присутствует Fe2B и FeB.

Из полученных материалов методом МЭУ созданы гетерогенные износостойкие покрытия. Структура покрытия состоит из твердых боридов и карбоборидов в металлической матрице (рис. 4).

Проведенные испытания на износостойкость в условиях трения скольжения без смазки показали следующие результаты, отраженные на рис. 5 [4].

Рис. 4 Структура гетерогенного покрытия, полученного из самофлюсующегося диффузионно-легированного порошка на основе стали 40Л Рис. 5 Кинетика изнашивания образцов, упрочненных МЭУ при испытании в условиях трения скольжения без смазки по методу Шкода-Савина: 1 – ФБ-17;

2 – СЧЛ (серый чугун, легированный B, Si, Cr, Ni, Mn);

3 – ПР-Х4Г2С2ФЮД;

4 – борированный порошок №1 на основе стали 40Л (1 час 9500С );

5 – порошок №2 на основе стали 40Л (3 час 9500С );

6 – порошок №3 на основе стали 40Л (5 часов 950 0С );

– эталон - образец из стали 45, закаленный и отпущенный до НRCэ 45… Разработанные материалы обладают высокой износостойкостью, особенно порошок №3 на основе стали 40Л, борированный в течение 5 часов при 9500С. Очевидно, что чем больше продолжительность ХТО (и чем больше толщина борированного слоя), тем выше износостойкость, т.к.

содержание в покрытии мелкодисперсных боридов и карбоборидов выше.

Заключение. Разработано два новых материала для создания износостойких покрытий методом МЭУ. Исследованы структура и свойства покрытий из порошков на основе стали 40Л. Ведется исследование покрытий из ДЛСП на основе белого чугуна.

Литература 1. Технологические основы обработки изделий в магнитном поле/ П.И.Ящерицын [и др.];

НАН Беларуси, Физико технический ин-т;

под общ ред.П.И.Ящерицына. – Минск, 1997. – 416 с.

2. Петришин ГВ. Износостойкие гетерогенные покрытия из борированных наплавочных материалов на основе отходов стальной дроби, нанесенные магнитно-электрическим методом: дисс.... канд.техн.наук: 05.02.01/ Г.В.Петришин. – Гомель, 2006. – 178 л.

3. Люцко В.А. Технология и установки магнитно-электрического упрочнения плоских поверхностей деталей 4. Петришин Г.В. Диффузионно-легированный стальной порошок для магнитно-электрического упрочнения./ Г.В.Петришин, Е.Ф.Пантелеенко, А.Ф.Пантелеенко// Упрочняющие технологии и покрытия. Серия Машиностроение. 2006. - №4. – с. 26 – 31.

УДК 621.7:621. ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ, ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И ПАР ТРЕНИЯ Н.М. Чекан ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси», НИЦ «Плазмотег», г. Минск Рассмотрены состояние и перспективы применения плазменных технологий для формирования композиционных функциональных покрытий на элементы деталей технологической оснастки и узлов трения. Представлены результаты практического применения композиционных покрытий в машиностроении.

Введение. С развитием промышленности и увеличением выпуска продукции все актуальной становится проблема с экономией эффективным использованием энергии и материальных ресурсов. В последние годы отчетливо прослеживается тенденция роста цен на основные конструкционные материалы. Достаточно сказать, что стоимость холоднокатанной стали только за последний год возросла на 13% и по прогнозам американcких экономистов к концу текущего года составит 610 долларов США за тонну [1]. В этой связи становиться актуальной задача экономии конструкционных материалов, внедрения ресурсосберегающих технологий.

Одним из эффективных путей увеличения срока службы деталей машин и инструментов является применение износостойких покрытий. В конце 70-х годов с применением плазменных технологий были разработаны весьма эффективные нитридтитановые а несколько позже – нитридциркониевые покрытия и покрытия карбонитридов различных металлов. Они и сегодня остаются доминирующими среди вакуумных покрытий на металлообрабатывающем инструменте. Ведущие зарубежные фирмы практически полностью перешли на выпуск такого инструмента только с упрочняющими покрытиями.

Плазменные технологии оказались весьма эффективным инструментом для получения совершенного нового материала – алмазоподобного углерода, выращиваемого в виде тонких пленок от нескольких десятком нанометром до нескольких микрометров. Материал является аморфным с преобладающим типом четвертных валентных -связей между атомами углерода, характерных для структуры алмаза. Благодаря этому материал обладает рядом уникальных механико-физических свойств близким к свойствам природного алмаза. Если учесть, что процесс получения покрытий алмазоподобного углерода требует существенно более низких энергозатрат по сравнению с TiN или ZrN покрытиями, а также более низкую стоимость исходного сырья – графита, то становиться ясным, что такого рода покрытия технически оправданы и экономически выгодны. Тем не менее, алмазоподобные углеродные (АПУ) покрытия не получили широкого применения в силу ряда причин. Основная из них чрезвычайно высокие внутренние напряжения. В латеральном направлении они эквивалентны давлению в 100 атмосфер, что предъявляет слишком высокие требования к адгезии пленки к покрываемой детали и не позволяет наносить достаточно толстые для технических приложений покрытия.

Часто их рассматривают необходимым атрибутом формирования алмазоподобной фазы углерода [2]. Возникают также проблемы с термостойкостью АПУ покрытий на режущих инструментах – их температурный предел не превышает 400 оС.

Высокие температуры и контакт с железосодержащими материалами приводит к их растворению.

В настоящее время большие усилия уделяются разработке методов и технологий получения АПУ покрытий, позволяющих в той или иной мере преодолеть указанные трудности. В Научном инженерном центре Физико-технического института НАН Беларуси уделяется большое внимание технологиям получения АПУ покрытий на основе импульсного катодно дугового метода, как в вакууме, так и в разряженной атмосфере газа углеводородов для различного рода приложений.

Метод и вакуумное оборудование для получения АПУ покрытий. Качество АПУ пленок сильно зависит как от методов их получения, так и режимов каждого конкретного метода. Подавляющее большинство алмазоподобных материалов получают, используя празмостимулированное осаждение фрагментов углеводородов на горячую подложку (т. н. «PHCVD метод»). Он позволяет достаточно быстро и с минимальными затратами осаждать АПУ пленки. Однако, содержание водорода, приводящее к появлению фрагментов полимерных цепей, не позволяет достичь высокой твердости. Ее значения обычно не превышают 15–20 ГПа. Наиболее твердые безводородные пленки с высоким содержанием sp3 связей получаются при использовании вакуумных дуговых методов.

Осаждение пленки происходит из углеродной плазмы, формируемой из графитового катода в результате дуговой эрозии. Серьезной проблемой при этом является довольно низкая энергия частиц плазмы, не долее 30 эВ и требуется дополнительное ускоряющее электрическое поле между источником плазмы и подложкой, что не приемлемо для диэлектрических подложек, а в случае получения достаточно толстых качественных АПУ материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением. Проблемы с использованием потенциала смещения ("опорного" напряжения) возникают также при нанесении покрытий на детали сложной геометрической формы, имеющих острые кромки, выступы. В этом случае покрытия осаждается с большим разбросом по толщине и зачастую отслаивается в этих местах из-за его излишней толщины или перегрева. Второй проблемой стационарных методов является появление в потоке плазмы значительного числа макрочастиц материала катода из-за высоких термических напряжений в области катодного пятна, превышающих предел прочности материала катода.

Применением криволинейных сильноточных магнитных сепараторов удается предотвратить попадание макрочастиц на подложку, однако это достигается за счет резкого уменьшения скорости роста пленок – стационарные сепараторы в лучшем случае могут обеспечить транспортировку только 15-25 % плазмы, инжектируемой катодом [3].

Наиболее эффективным на наш взгляд является использование не стационарных, а импульсных катодно-дуговых источников плазмы, которые лишены многих вышеупомянутых недостатков.

В НИЦ "Плазмотег" Физико-технического института НАН Беларуси уделяется большое внимание развитию плазменных методов получения алмазоподобных углеродных покрытий. При этом, разрабатываются как технологии тонкопленочных сверхтвердых покрытий, так и проектируются и изготавливаются устройства для реализации таких технологий.

Внешний вид одного из импульсных катодно-дуговых источников плазмы приведен на рис. 1. В его центре расположен цилиндрический графитовый катод, который подаваться по мере расходывания посредством специального электропривода с ручным управлением. Второй электропривод использован для вращения одного из электродов системы инициирования импульсного разряда (поджига) во избежание привязки места поджига и односторонней эрозии катода [4].


Рис. 1. Внешний вид импульсного катодно-дугового источника плазмы с цилиндрическим водоохлаждаемым графитовым катодом Основные технические характеристики источника следующие:

Диаметр катода, мм Напряжение основного разряда, В 200... Частота разрядных импульсов, Гц 1... Потребляемая мощность, Вт Скорость осаждения покрытия, мкм/час 1, Вес, кг Схема такого устройства и его подключения к источникам питания приведена на рис. 2. Источник плазмы состоит из трех основных узлов: катод, анод, и система поджига. Центральный электрод, являющийся катодом, изготавливается из плазмообразующего материала, испаряющегося в процессе сильноточного дугового импульсного разряда. Этот разряд между анодом и катодом возбуждается с помощью специального инициирующего устройства, которое обеспечивает испарение возобновляемой от импульса к импульсу на кольцевом керамическом изоляторе углеродной пленки в результате разряда конденсатора С4 при подаче на тиристор управляющего сигнала. Появившаяся проводящая среда вызывает дуговой разряд между вспомогательным анодом и катодом, который поддерживается конденсатором С3. Этот разряд в свою очередь провоцирует второй вспомогательный разряд за счет энергии, накопленной конденсатором С2.

Рис. 2. Схема источника плазмы импульсного катодно-дугового разряда В результате инжекции плазмы в катодно-анодный промежуток происходит основной дуговой разряд, который поддерживается конденсатором большой емкости С1, приводящий к испарению центрального электрода, созданию плазменного сгустка, переносу и конденсации последнего на подложке.

Наиболее сложным и ответственным узлом импульсного источника плазмы является узел поджига. Оно должно обеспечивать стабильный поджиг основного разряда, иметь длительный ресурс работы и задаваемую частоту повторения инициирующих импульсов. Надежность его работы определяет ресурс плазменного устройства в целом.

Характеристика импульсного разряда. На рис. 3.

приведена характерная осциллограмма разрядного тока. Его амплитуда достигает значений 3 кА и длительность составляет порядка 300 мкс. Столь высокий ток дуги приводит к распаду катодного пятна на множество катодных пятен, как показано на рис. 3. В результате существенно возрастает площадь эрозии, уменьшаются градиенты термических напряжений, снижается инжекция макрочастиц в плазму, степень ионизации паров углерода достигает 98 % [5]. Для катодно-дугового разряда коэффициент эрозии является высоким и составляет величину порядка 65 мкг/К, в то время как для стационарной дуги его величина составляет 17 мкг/К [6].

Рис. 3 Осциллограмма тока основного разряда для начального напряжения 300 В на основной батарее конденсаторов емкостью 2400 мкФ Особенностью импульсного разряда является нарушение квазинейтральности плазмы – более быстрые электроны ускоренного плазменного потока достигают поверхности подложки раньше ионов. В результате, как показали зондовые измерения, в течение всего времени разряда подложка находится под ускоряющим ионы плавающим потенциалом –(1535) В.

При этом значение потенциала подложки практически не зависит от энергии основного разряда.

Качественный анализ эмиссионных спектров свечения плазмы (рис. 3) показал, что основными излучающими компонентами плазмы являются линии атомов и ионов первой и второй кратности углерода (СI, СII, СIII). В спектрах присутствуют также линии атомов водорода Н ( = 656,28 нм) и Н ( = 486,13 нм) с энергиями возбуждения 12,09 и 12,75 эВ, слабые линии атомов кислорода (ОI) и молекулярные полосы СН и СN. Зарегистрированы хорошо развитые молекулярные полосы C2 системы Свана с фиолетовым оттенением (электронно-колебательно-вращательный переход 3 – 3).

Рис. 3 Фотография катодных пятен импульсного разряда большой мощности По относительной интенсивности линий СII 283,7 и 299,3 нм с разницей энергий возбуждения 6 эВ. то можно оценить температуру электронов (Те), исходя из того, что заселение верхних уровней происходит вследствие электронного удара. Результаты измерений для трех значений напряжения на конденсаторной батарее основного разряда U=250, 300 и 350 В дают значения Те = 2,87;

2,09 и 1,72 эВ, соответственно.

Температура нейтральной компоненты молекулярной плазмы находилась через вращательную температуру молекул.

Вращательная температура характеризует распределение возбужденных молекул по вращательным уровням верхнего возбужденного состояния рассматриваемого электронно колебательного перехода.

Рис. 4. Спектр свечения углеродной плазмы катодно-дугового разряда Детальный анализ зарегистрированных спектров излучения плазмы позволил выбрать в качестве пирометрической полосу молекулы углерода С2, принадлежащую системе Свана с длиной волны = 516,5 нм. На основании расчетных и экспериментальных данных установлено, что значение газокинетической температуры плазмы составляет Тg 650 К.

Основы технологии получения углеродных покрытий.

Базовыми установками для получения алмазоподобных углеродных покрытий является УВНИПА-1-001 или УВНИПА 1-002, выпускаемые Калининградским заводом "Кварц". Они укомплектованы стационарными источниками плазмы металлов и импульсными источниками плазмы углерода, а также газовыми ионными источниками. Установка УВНИПА-1- приведена на рис. 5.

Ее внутрикамерное оборудование изображено на рис. 6 и отмечены его основные компоненты: источник плазмы металлов, как правило, титана, источник углеродной плазмы и газовый ионный источник. Там же показано расположение детали литейной формы с нанесенными АПУ покрытиями.

Рис. 5. Вакуумная установка УВНИПА -1-001 для получения алмазоподобных углеродных пленок Источн Источ ик ник углеро ионов дной аргона плазм Источн ы ик титано вой плазмы Рис. 6. Вид вакуумной камеры установки УВНИПА 01-001 с размещенными в ней деталями наборной формы для изготовления деталей из пластмасс Однако для рентабельного нанесения покрытий на партии изделий возможностей данной установки недостаточно. Для этих целей больше подходит установка УВНИПА-1-002, оборудованная вакуумной камерой объемом 330 дм3, двумя источниками плазмы металлов и двумя источниками углеродной плазмы, четырьмя источниками ионов технологических газов.

Типовой технологический процесс получения АПУ пленок включает ультразвуковую промывку подложки в этилоовм спирте или растворе моющего средства, откачку вакуумной камеры до давления не ниже 10-4 торр, ионную очистку поверхности подложки от остатков органических загрязнений и окислов в течение 20-30 мин. при подаче напряжения на подложку 1-1,5 кВ.

Нанесения АПУ покрытий на детали, помещенные на вращающуюся карусель, при частоте следования импульсов разряда 3 Гц длится 30-50 мин. При осуществлении процесса нанесений покрытий в атмосфере углеводородов длительность процесса может быть в несколько раз уменьшена [7].

Структура, механические и трибологические свойства АПУ покрытий. Благодаря импульсному характеру поступления вещества на подложку создается высокое пересыщение, приводящее к образованию множества центров (зародыше) роста пленки. Этому способствует также низкая температура подложки. В результате формируется однородная сплошная пленка при весьма малых толщинах порядка нескольких десятков нанометров. По этой же причине она имеет однородный рельеф поверхности. На рис. 7 приведена морфология поверхности пленки, полученной в вакууме на полированном кремнии при напряжении разряда 300 В. Пленка является очень гладкой - параметры шероховатости Ra и Rq не превышают 0,2 нм и 0,4 нм, соответственно. Параметр Rz=2,17 нм. Пленки даже несколько улучшают качество поверхности исходного кремния, для которого Ra=0,28 нм.

Элементный состав, структура и тип химических связей АПУ покрытий исследовался методами комбинационного рассеяния света, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии РФЭС. На рис. 7 приведен обзорный РФЭС спектр, полученный от АПУ пленки (а) и катода, сделанного из графита марки МПГ 6 (б).

Как можно видеть из рис. 7 единственной заметной примесью АПУ пленок является кислород. Его содержание в верхнем слое пленки может доходить до 6 ат. %. Как можно видеть из сравнения спектров, основным источником кислорода является катод, который изготавливается из графита МПГ-6.

Kinetic energy, eV 1200 1000 800 600 14000 C1s Survey spectrum Sample 3. E [eV] : E=50 eV Step 0, Scans number Intensity, arb. units O1s O-Auger C-Auger 0 0 200 400 600 800 Binding energy, eV Kinetic energy, eV 1200 1000 800 600 C1s Survey spectrum Graphite E [eV] : E=50 eV Step 0,25 Scans number Intensity, arb. units O1s C-Auger O-Auger 0 200 400 600 800 Binding energy, eV Рис. 7. Обзорный РФЭС спектр пленки (а) и графитового катода (б) Углерод является уникальным химическим элементом, способным образовывать различные типы гибридизованных атомных химических связей. Формирования структуры алмаза и алмазоподобных материалов происходит путем установления атомами углерода четырех -связей с ближайшими соседними атомами посредством расходящихся под углами 109.5o четырех гибридизированных орбиталей, создаваемых в результате "слияния" трех p-орбиталей и одной s- орбитальи (sp3 – гибридизация).

Для определения типов химических связей атомов углерода в АПУ пленках используется методика деконволюции спектра остовного уровня углерода С1s после вычитания фона [8]. На рис. 8 приведен такого рода спектр, полученный от углеродной пленки, осажденной в вакууме при напряжении основного разряда 300 В. Выполненный стандартный анализ спектра позволил установить, что в АПУ пленке присутствуют как sp3 так и sp2 связи, отвечающих за алмазоподобную и графитоподобную фазу соответственно.

Рис. 8. РФЭС спектр остовного уровня углерода и его разрожение на составляющие: пик 284,4 эВ – sp3 связи, пик 285,3 – sp2 связи, пик 286,59 – C-O связи Близость свойств АПУ покрытий к алмазу определяется процентным содержанием sp3-связей. В случае углеродных пленок, полученных импульсным катодно-дуговым методом, содержание sp3-связей составляет, как это следует из приведенного типичного спектра C1s, составляет 47,4 %, sp2 44,3 %, C-O - 8,2 %. Алмазного типа связи являются преобладающими в АПУ пленках. Если принять во внимание, что сигнал РФЭС можно получить от слоев пленки, лежащих от поверхности не более 10 нм, и учесть, что поверхность алмазоподобной пленки обогащена графитоподобной фазой [9], то следует ожидать, что материал в большей степени состоит из алмазоподобной фазы.

Это подтверждают исследования, выполнение с использованием метода комбинационного рассеяния (КР) света.

На рис. 9 приведен спектр КР и выполненное его разложение на D- и G– составляющие. Вторая их них соответствует рассеянию лазерного излучения ( = 514,5 нм) на фононах, порождаемых колебаниями sp2 связанных соседних атомов, вторая – с групповыми колебаниями углеродных атомов в отдельных или образующих малые кластеры ароматических кольцах [10]. По отношению интегральной интенсивности D-пика и G-пика можно судить о степени графитизации алмазоподобной пленки – с ее ростом возрастает интенсивность D-пика, которая отражает увеличения количества графитовых колец в пленке.

Рис. 9 Спектр комбинационного рассеяния света АПУ пленкой на длине возбуждающего лазерного излучения 514,5 нм Для АПУ пленок, полученных методами химического осаждения из паров углеводородов (CVD метод) ID/IG составляет 60-150 % [11]. В случае импульсного катодно-дугового осаждения, как это можно получить из данных, приведенных на рис. 9, оно составляет всего лишь 12 %. Это означает, что количество sp3 связанных атомов углерода в АПУ пленке составляет не менее 80 % один из самых высоких показателей для алмазоподобных материалов. Такие материалы обладают необычайно высокой твердостью и их константы упругости близки к константам упругости природного алмаза. Это подтверждают данные по определению механических свойств методами наноиндентирования. Результаты измерений нанотвердости H и модуля Юнга E в зависимости от губины индентирования h приведены на рис. 10. Для проведения исследований нанотвердости АПУ пленки были нанесены на полированные твердосплавные пластины WC-Co, с которыми образуется наиболее прочная адгезионная связь, и благодаря этому представляется возможным получать пленки достаточно толстыми для корректного определения твердости АПУ материала. В данном случае их толщины составляли 1000 1200 нм. Из рис. 10 можно видеть, что материал пленки не является однородным – ее верхний слой толщиной порядка 30 нм более мягкий по сравнению с более глубоко лежащими слоями.

При прохождении индентором этого слоя твердость стабилизируется, и только при индентировании на глубину более 150 нм (12% толщины пленки) она несколько уменьшается. Максимальная измеренная твердость материала пленки составляет около 85 ГПа. Столь высокой твердостью не обладает ни один из искусственно получаемых материалов, за исключением синтетических алмазов. Для сравнения: твердость хорошо известных упрочняющих покрытий (ГПа), Al2O3 – 21, TiN – 23-25, TiCxN1-x – 26-30, кубического нитрида бора – 40 55. Модуль Юнга также как и твердость зависит от глубины индентирования и эта зависимость также указывает на существование менее упругого переходного слоя на поверхности пленки. Его максимальное значение составило около 1 000 ГПа.

Приблизительно такое же значение модуля Юнга имеет алмаз. В отличие от графика зависимости H(h) график зависимости E(h) практически не имеет плато – почти сразу после достижения максимального значения при h=30 нм модуль упругости уменьшается по мере увеличения глубины индентирования, что может быть объяснено значительно большей протяженностью полей упругой деформации по сравнению с пластической деформацией, которая связана с определением твердости. Для корректного отределения упругих констант АПУ пленок методами наноиндентирования необходимо использовать довольно толстые пленки более 2 мкм чтобы избежать влияния материала подложки. Поэтому можно предположить, что полученное значения E для АПУ пленок, получаемых импульсным катодно-дуговым методом, будет превосходить 1 000 ГПа.

Трибологические свойства АПУ пленок исследовались на трибометре, работающему по схеме «палец-диск». В качестве конттела использовался шарик из стали ШХ15 диаметром 5,51 мм. Нагрузка на индентор составляла 0,4 H, скорость вращения 120 об./мин. обеспечивала линейную скорость движения индентора 7,16 м/мин. На рис. 10 приведена зависимость коэффициента трения k от времени для АПУ пленки, полученной в атмосфере ацетилена при давлении Па.

Обращает на себя внимание наличие весьма высокого коэффициента трения в период формирования трибослоя, длящийся порядка 1 часа. После этого значение k медленно уменьшается в течение 4 часов и стабиризируется на уровне 0,06. Столь низкие коэффициенты сухого трения имеют лиши твердые слоистые лубрикаты на основе дисульфида молибдена.

Без покрытия коэффициент трения стального шарика по кремниевой пластине составляет 1,3. Анализ дорожек трения методами сканирующей электронной микроскопии показал весьма незначительный абразивный износ АПУ покрытия после 7 часов испытаний (рис. 11 а). Однако, для АПУ покрытий, полученных в вакууме, наблюдается иная картина износа:

наряду с абразивным износом наблюдается усталостный износ покрытия, выражающийся в фрагментальном отслаивании покрытия от подложки (рис. 11 а), при этом ширина дорожки увеличивается за счет сильного абразивного износа контртела на остающихся фрагментах пленки. Анализ элементного состава дорожек трения, полученного из электронного микрозондового анализа, показал, что на поверхности пленки, полученной в атмосфере ацетилена, отсутствуют абразивные частицы контртела, тогда как на пленке, полученной в вакууме фиксируются железо и кислород в приблизительном атомарном соотношении 1:3, что, вероятно, указывает на образовании бурого гидроксида железа Fe(OH)3.

0, 0, 0, Коэффициент трения 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 50 100 150 200 250 300 350 Время, мин Рис. 10 Зависимость коэффициента сухого трения от времени для АПУ пленки, полученной при давлении паров ацетилена 1 Па а б Рис. 11. Дорожки трения после 7 часов испытаний на АПУ покрытии, полученном в атмосфере ацетилена (а) и вакууме (б) На рис. 12 показана оптическая фотография (600) пятна износа стального шарика при трении с АПУ пленкой, нанесенной на полированную кремниевую пластину. Видно, что в обрасти контакта с дорожкой трения образуются окисная пленка. Шероховатость поверхности контакта существенно более низкая по сравнению с остальной поверхностью шарика – происходит полировка его поверхности до зеркального блеска.

Рис. 12. Фотография (600) поверхности износа стального шарика при сухом трении с АПУ пленкой на кремниевой пластине Из рис. 12 можно видеть, что область износа шарика четко очерчена и не составляет труда определить ее диаметр, составляющий 400 мкм. Учитывая, что износ АПУ пленки незначителен по сравнению с износом стального шарика, можно считать, что поверхность износа представляет собой плоскость.

В этом случае по величине площади поверхности износа представляется возможным определить износостойкость стали ШХ15 в паре трения с АПУ покрытием.

Объем изношенной части шарика определяется по формуле:

V 2 R 3 1 1 1 2 1 2 1 R 3 4, 3 2 где R – радиус стального шарика, r – радиус изношенного шарового сегмента, r/R. Упрощенное выражение формулы приведено для малых значений. Расчеты дают V = 6,210-7 мм3.

Удельный износ рассчитывается по формуле:

V, w F S где F – сила нагрузки на шарик, S – пройденный путь.

Его величина составляет 5,410-10 мм3/Нм для данных условий эксперимента. Столь ничтожный износ может гарантировать длительную работу различных пар трения, на одну из поверхностей которых нанесено алмазоподобное углеродное покрытие, полученное по комбинированной PVD CVD технологии.

Применение алмазоподобных углеродных покрытий.

Важнейшее качество АПУ материалов – сверхвысокая твердость предполагает использовать их в качестве упрочняющих покрытий в инструментальной промышленности. Однако здесь необходимо учитывать два важных аспекта. Область термостабильности АПУ материалов не велика. При нагревании на воздухе до 350–400 оС происходит необратимый процесс их графитизации. Длительный контакт с ферритовыми металлами в условиях повышенных температур может приводить к растворению углеродных покрытий. Важно также учитывать и большое различие в коэффициентах температурного расширения АПУ материала и покрываемых ими металлов, могущее приводить к отслаиванию покрытий.

Наиболее эффективным оказалось применение покрытий для твердосплавных инструментов на основе WC-Co. Во-первых, с карбидом вольфрама достигается высокая адгезия АПУ покрытий, исключается растворение углерода в них, и КТР материала основы и покрытия не сильно различаются. В этом случае удается наносить покрытия толщиной несколько микрометров. Надо отметить, что для АПУ покрытий толщина обычно не превышает нескольких сотен нанометров.

На рис. 12. приведены фотографии карбид-вольфрамовых микрофрез диаметром 0,6 мкм с нанесенным на их режущие кромки АПУ покрытием. Такие сверла широко применяются в изготовлении печатных плат на основе армированных пластмасс. Испытания сверл в условиях производства тайванских фирмы Cosmos Technology Ltd. и Taiwan Jei Wei Electron (Kunshan) Ltd. показали увеличение срока службы таких сверл в 2-2,5 раза. Вторым очень важным эффектом использования покрытий является улучшение качества обрабатываемой поверхности.



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.