Анализ твёрдосмазочных покрытий для автономно работающих механизмов и агрегатов

Многие узлы трения механизмов машин должны функционировать автономно с различных условиях эксплуатации. К ним относятся как узлы агрегатов и машин общего машиностроения, так и специального назначения для условий вакуума, радиации и др.[1,2,3,4]. Для смазки указанных фрикционных сопряжений широко используются твёдосмазочные покрытия (ТСП). Они находят применение в следующих случаях:

1. В автономно работающих узлах трения механизмов различного назначения;
2. в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, радиации, теплового излучения;
3. в узлах трения, работающих при экстремальных нагрузках, соизмеримых с пределами текучести металлов;
4. при малых скоростях скольжения, недостаточных для образования смазочного гидродинамического клина при трении с использованием качестве смазки минеральных и синтетических масел;
5. в широком диапазоне рабочих температур, как отрица­тельных, так и положительных.

ТСП  используются также в качестве основных компонентов самосмазывающихся антифрикционных материалов. К их достоинствам следует отнести малый вес, постоянную смазку в условиях хранения. В отличие от жидких масел при их использовании не требуется специальных уплотнений и систем циркуляции смазки, что значительно упрощает конструкции узлов трения. Применение ТСП исключает необходимость периодического введения смазочного материала, что особенно  в процессе эксплуатации летательных аппаратов. Продукты их изнашивания являются также хорошими антифрикционными смазками.

Основными недостатками являются:

1. определённый ресурс по долговечности для ТСП;
2. определённые границы температурного применения;
3. в большинстве случаев — неработоспособность ТСП в масляной среде (за исключением ряда спецпокрытий, например, фирмы Molykote).

Начало применения МоS₂ относятся к 40-м годам 20 века  и в настоящее время он  является наиболее широко распространенным антифрикцион­ным материалом, в том числе и для узлов трения летательных аппаратов, функционирующих в экстремальных условиях. Применение твердых смазок в опорах скольжения и качения позволили значительно повысить надежность и долговечность узлов сухого трения ЛА, функционирующих в ус­ловиях вакуума и различного вида облучений. Так, по данным аме­риканского научно-исследовательского центра Годдарта в орби­тальной солнечной обсерватории (спутник типа «Тирос») для смазки шарикоподшипников цепного привода в вакууме успешно использовалась паста из МоS₂ [5].  Д. Мур приводит данные, что при температуре -157°С твердая смазка, состоящая из фенольной смо­лы и дисульфида молибдена, обеспечила беспрепятственное выдви­жение регулируемых   опор космического корабля с астронавтами на борту, который совершил посадку на Луну в июле 1969 г.[6].

В настоящее время из всех известных наполнителей ТСП в промышленности наиболее широко применяются дисульфид молибдена, графит и фторопласт. Однако область применения последнего ограничена низкой несущей способностью, механической прочностью, большим коэффициентом линейного расширения, невысокой адгезией. Другие ТСП, относящиеся к слоистым смазочным материалам не нашли столь широкого применения по ряду причин. CdI₂  и BN имеют недостаточно низкий коэффициент трения, дисульфиды воль­фрама и ниобия, диселениды Мо, W и Nb являются весьма дефи­цитными материалами.

Известно большое количество материалов, которые могут быть использованы в качестве твердых смазок. Существует нес­колько классификаций ТСП. Наиболее обоснованной сле­дует признать классификацию, предложенную Кемпбеллом [1]:

I — слоистые твердые смазки — МоS₂, нитрид бора, графит, слюда, тальк и др.;  2 — органические соединения — мыла, воски и жиры; 3 — химически активные покрытия — сульфидные, хлоридные, фосфидные и др.; 4 — мягкие металлы — индий, свинец, олово, цинк, медь, барий; 5 — полимерные пленки; 6 — различные пластичные материалы.

Наибольшее практическое применение нашли материалы первой группы — слоистые твердые смазочные материалы, большинство из которых обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Одна из классификаций твёрдых смазок приведена в табл. 1.

Таблица 1

Классификация и примеры твёрдых смазочных материалов

Виды материалов	Составы
1.     Неорганические вещества: 2.     —  слоистые материалы: —  не слоистые материалы: —  мягкие металлы	графит, МоS2, BN, WS2, MoSe2, CdJ2,CFn; PbO, CaF2; Pb, Sn, In, Au, Ag, Cd, Cu, Zn
3.     Органические вещества: —  жиры, мыла, воски —  полимеры —  термостойкие соединения	животный жир, стеариновая кислота; ПТФЭ, полиимиды; фталоцианины

В настоящее время известны различные методы нанесения ТСП.

1. Натирание (в т.ч. ротапринтным методом)

Осуществляется методами натирания, галтовки, виброгалтовки и др. Прочность сцепления с поверхностью металла невысокая. Поэтому наиболее применим ротапринтный метод, при котором к поверхности постоянно поджимается намазывающий брусок спрессованной твёрдой смазки (брикет).      Этот метод был использован фирмой США «Вестингауз» для смазки тяжело нагруженных шестерён. В подшипниках качения ТСП размещают в сепараторе. В паре зубчатых колёс может использоваться ротапринтная шестерня.

2. ТСП со связующим

Наносится с помощью пневмо — или электропистолетов в виде  суспензий смеси твёрдой смазки со связующим  органических, неорганических и др. типов смол с последующим отверждением и термообработкой. ТСП представляют собой композиции антифрикционного напол­нителя (например, МоS₂) в лёгком растворителе в присутствии плёнкообразующих веществ (полимеров). Антифрикционный наполни­тель обусловливает низкий коэффициент трения; плёнкообразователь обеспечивает высокую адгезию покрытия к поверхности и связывает частицы МоS₂ в сплошную плёнку; растворитель предназначен для перевода плёнкообразователя в состояние, пригодное для нанесения на поверх­ность. До нанесения эти покрытия хранятся в виде суспензий, состоящих из перечисленных выше компонентов. После нанесения на предварительно обработанную и очищенную поверхность и по­следующего отверждения получаются плёночные покрытия, по внеш­нему виду напоминающие лакокрасочные.  Данные покрытия могут ра­ботать без специальной подпитки в течение всего срока службы.

Проведённые [4] сравнительные испытания на износостойкость различных типов ТСП показали, что наибольшей долговечностью при низком f_тр. обладает ТСП ВНИИ НП 212 и ВАП-2 (табл.2).

Таблица 2

Сравнительные износостойкость и антифрикционные свойства различных типов ТСП (машина трения СМТ-1, пара ШХ15-ШХ15, N=980 Н; V=0,5м/с)

Тип ТСП	Наполнитель	Связка	t, мин.	fтр.
				приработка	установ. режим
ВНИИ НП 212	МоS2	мочевиноформальдегидная смола	406	0,163	0,056
ВАП-2	МоS2	эпоксидная смола	383	0,078	0,044
ЦВСП-3	графит С-1 + CdO	кремнийорганическая смола	61,8	0,090	0,063
Электрофоретическое покрытие	графит С-1	эмаль	34	0,076	0,076

    3.Химико-термическая обработка поверхности

Плёнки твёрдых смазок слоистой структуры получают на поверхности металлов при химическом взаимодействии с газом (например, на молибдене после обработки сероводородом (толщиной до 100мкм).

Достоинством метода является прочное сцепление смазочного слоя с металлом подложки, т.к. в этом случае действуют химические связи с металлом. Основные марки ТСП этого типа и их характеристики приведены в табл.3.

Таблица 3

Основные характеристики ТСП химико-термического типа

Покрытие	Состав	Толщина, мкм	Микротвёрдость	Примечание
Димолит-1 (М-801)	Жаропрочная молибденовая основа (подложка – Мо) + МоS2	5-120	600-900	DТ = от –196 до +850оС. Т синтеза = 550 — 700оС. Хорошо проявил себя в условиях возвратно-вращательного движения.
Димолит-2 (М-802)	МоS2 + Pb (подложка – Мо)	10-80	900-1000	Т синтеза =650 — 750оС. DТ = до +900 (1000)оС. Обеспечивает более высокую несущую способность и износостойкость, чем Димолит-1.
Димолит-3 (М-803)	Твёрдый раствор ZnS в МоS2	10-80	3500-5000	Т синтеза =900оС. Т до +350(450)оС Более высокая твёрдость и износостойкость, но повышенная хрупкость. Получают на стальных и титановых деталях предварительным нанесением молибденового слоя + сульфидирование.
Димолит-4 (М-804)	МоS2 с сульфидами Fe, Cr, Ni (основа – высокохромистая сталь)	10-250	1000-2500	На высокохромистых сталях (например, 20Х13). Т синтеза = 500, 600оС. Основа —  МоS2 , легированный сульфидами основных элементов стальной основы (Fe, Cr, Ni).Получил наибольшее распространение (DТ=от криогенных до 400-600оС)
Димолит-10 (М-810)	МоS2 + PbS (на ниобии)			Спечённый материал Значительно более высокая несущая способность. Эффективны в высокоскоростных подшипниках скольжения
Димолит-12 (М-812)	МоS2 + PbS  и  FeMo			—————- « ——————

4. Катодное распыление (вакуумное ионно-плазменное напыление)

Применяется для нанесения МоS₂ на поверхности сложной формы с предварительной очисткой в вакууме. Оптимальная толщина составляет d=0,2-0,3 мкм. По зарубежным данным долговечность ТСП в этом случае существенно превышает долговечность ТСП, полученных традиционными способами (рис. 1).

Дополнительно было показано, что при нанесении ТСП на подслой предварительно нанесённого твёрдого слоя (Cr₃Si₂) долговечность ТСП намного повышается.

	Рис.1. Долговечность покрытий МоS2, полученных различными способами: а – натирание; б – ТСП со связующим; в – плазменное напыление с источником постоянного тока  (разрушение не  произошло)

В работе  [2] отмечается большое количество исследований, проводимых в этом направлении.  Подчёркивается широкое использование магнетронного способа нанесения, оптимальная толщина покрытий составляет 1 мкм.

В последнее время ТСП, наносимые этим методом, стали широко использоваться для нанесения на задние кромки резцов и трущиеся поверхности других режущих и деформирующих инструментов [2].

5. Электрофоретическое нанесение ТСП

Процесс заключается в осаждении из водного раствора смол и водной суспензии твёрдых смазочных компонентов (графита, МоS₂ и пр.) под действием постоянного тока плёнок, в которых равномерно по всей толщине слоя распределены частицы смазочного компонента. При температурах до 650^оС  достаточно высокие антифрикционные свойства могут быть получены на никелевых сплавах типа ВЖЛ-2 с покрытием графитом С-1.

6. Магнитный метод

Порошковые антифрикционные материалы в комбинации с ферромагнитными частицами подаются в зону трения при помощи наложенных магнитных полей.

Для осуществления метода необходимо:

• придать диамагнитным сухим смазкам магнитные свойства путём введения в них некоторого количества ферромагнитных веществ;
• детали трения изготовить из магнитных материалов;
• разместить узел трения в постоянном магнитном поле;
• рабочие детали, смазка, магнит должны располагаться таким образом, чтобы они образовывали единый магнитный контур.

7. Другие методы нанесения

Помимо указанных выше в литературе имеются сведения о детонационном методе нанесения частиц ТСП.

Качество ТСП, нанесенного на детали узлов трения, опреде­ляется в основном долговечностью работы сопряжения, антифрикционными свойствами (fтр. ) и температурной стойкостью в зави­симости от большого числа факторов, касающихся как вопросов тех­нологической подготовки поверхности трения и нанесения ТСП, так и воздействия эксплуатационных факторов (нагрузка в контакте, скорость скольжения и др.) и влияния внешней среды.

Область применение ТСП распространяется на следующие отрасли промышленности [1]: автомобильная, подшипниковые материалы, резьбовые соединения, атомные реакторы, разделяющие антифрикционные покрытия, подшипники скольжения, автономно работающие узлы  в конструкции летательных аппаратов и двигателей, в том числе космического назначения.

В работе [7] отмечается, что в условиях космоса происходит мгновенная сублимация смазки, приводящая к «холодной сварке» трущихся поверхностей, в связи с чем жидкая смазка не применяется. Консистентная смазка в передачах и опорах может использоваться при сроках службы 1-1,5 года. Наиболее широкое применение для этих условий получили ТСП на основе МоS₂ типа ВНИИ НП 214, 209, 213 и др.

В работе [8] отмечается широкое применение для предотвращение фреттинг — коррозии в зоне контакта металлических сопряжений фторопластовых покрытий и дисульфида молибдена (ТСП ВАП-2,3).

         Таким образом, в результате проведённых исследований показано, что:

1. Для условий автономной работы узлов трения, функционирующих как в условиях нормальной атмосферы, так и вакуума, при нагрузках вплоть до предела текучести материала основы одним из наиболее перспективных смазочных материалов являются твёрдосмазочные покрытия.
2. Из числа исследованных ТСП суспензионного типа наибольшей долговечностью при низких значениях коэффициента трения (fтр. =0,44 — 0,56) обладают ТСП типа ВНИИ НП 212 и ВАП-2.
3. К числу перспективных методов нанесения следует отнести методы вакуумного ионно — плазменного, в частности магнетронного нанесения тонкослойных покрытий (порядка 1 мкм) МоS₂ и других смазочных компонентов.

Литература

1. Брейуэйт Е.Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М., Химия, 1967, 320с.
2. Ковалёв Е.П., Игнатьев М.Б., Семёнов А.П. и др. Твёрдосмазочные покрытия для машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях. Трение и изнс. 2004, т.25, №3, с.316-336.
3. Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов. Балт. Гос. Техн. Ун-т, СПб., 2007, с.
4. Хопин П.Н. Комплексная оценка работоспособности пар трения с твёрдосмазочными покрытиями в различных условиях функционирования. М., МАТИ, 2012, 256с.
5. Тёмкин И.В. Применение графита и дисульфида молиб­дена в качестве твёрдых смазок. М., 1966, 28с.
6. Мур Д. Основы и применения трибоники. Пер. с англ. М., Мир, 1978, 488с.
7. Диняева Н.С. Конструирование механизмов антенн. М., МАИ,
8. Завалов О.А. Конструкция вертолётов. М., МАИ, 2004, 316с.[schema type=»book» name=»Анализ твёрдосмазочных покрытий для автономно работающих механизмов и агрегатов» description=»Многие узлы трения механизмов машин должны функционировать автономно с различных условиях эксплуатации. К ним относятся как узлы агрегатов и машин общего машиностроения, так и специального назначения для условий вакуума, радиации и др.[» author=»Хопин П.Н., Пак Хоссейн» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-14″ edition=»euroasia-science_6(27)_23.06.2016″ ebook=»yes» ]