СТРУКТУРА И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА, ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ, СФОРМИРОВАННЫХ ИЗ АКТИВНОЙ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Попов А.Н., Казаченко В.П., А.В. Рогачев

sws@gut.belpak.gomel.by

Белорусский государственный университет транспорта

Рассмотрены технологические особенности нанесения тонкопленочных слоев состоящих из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и ультрадисперсных частиц наноалмазов (НА). Слои толщиной 0.1-0.5 мкм формировались из активной газовой фазы получаемой электронно-лучевым диспергированием исходного композиционного материала в вакууме. Скорости нанесения составляют величины от 1.2 до 21 нм/с в зависимости от плотности мощности электронного луча.

При увеличении процентного содержания НА в композиционном материале в интервале 0.3-30 % и одинаковой плотности мощности электронного луча массовая скорость устойчивого формирования покрытия уменьшается в два раза. Начальный период при 30% концентрации НА в исходном материале характеризуется резким возрастанием скорости нанесения и сопровождается появлением в покрытии конгломератов НА размером от 0.3 до 8 мкм. Такие же образования были обнаружены с помощью атомно-силовой микроскопии и при жестких режимах формирования, в случае 10% концентрации НА в исходном композиционном материале. Конгломераты представляют собой структурные образования размером 0.3-2 мкм, которые в свою очередь состоят из упорядоченных структур величиной 0.2-0.3 мкм.

Изучение морфологии покрытий ПТФЭ и покрытии ПТФЭ с 10% содержанием НА показало, что ультрадисперсные частицы алмаза (средний размер 3-4 нм) вызывают появление молекулярных структур в покрытии размером 0.2-0.3 мкм.

Триботехнические свойства покрытий наполненных НА существенно отличаются от триботехнических характеристик ПТФЭ покрытий. Испытания проводились по схеме шар - плоскость с покрытием, при возвратно-поступательном движении без смазки. Покрытия формировались на поверхности образцов из закаленной стали ШХ15 с R_a=0.16 мкм. В качестве контртела выступал шар из стали ШХ15 диаметром 6 мм.

Были проведены исследования влияния процентного содержания НА на триботехнические характеристики твердосмазочных покрытий (толщина покрытия 0.35 мкм). Минимальное значение коэффициента трения и интенсивности изнашивания контртела получены при формировании покрытия из композиционного материала содержащего 10% НА. Результаты испытаний таких покрытий при различных значениях нагрузки представлены в таблице .

Таблица

Материал покрытия	Нагрузка N, Н	Количество циклов иcтирания	Диаметр зоны износа d, мм	Давление в зоне износа P, МПа	Линей ный износ, мкм	Интенсивность изнашивания, 10^-8
ПТФЭ ПТФЭ+НА	0.5 0.5	1400 2000	0,26 0,24	9,42 11,05	1,4 1,2	4,16 2,3
ПТФЭ ПТФЭ+НА	1 1	760 760	0,35 0,25	10,4 20,38	2,49 1,33	9,13 4,86
ПТФЭ+НА	1.5	1000	0,38	13,22	3	18,7

Отметим, что в случае композиционных покрытий коэффициент трения, интенсивность изнашивания контртела почти в два раза меньше, а их работоспособность существенно выше (рис.1)

Рис.1. Зависимость коэффициента трения от числа циклов истирания для образцов с покрытиями ПТФЭ и ПТФЭ + 10% НА при нагрузке 0.5 Н.

Приведем возможное объяснение обнаруженного поведения триботехнических характеристик композиционных покрытий. Важными факторами влияющими на концентрационную зависимость триботехнические свойств являются малые размеры, большая удельная поверхность и высокое значение поверхностной энергии частиц НА. Благодаря этому они могут образовывать конгломераты и выступать центрами структурообразования в композиционном покрытии (исследования с помощью атомно- силовой микроскопии подтверждают эти утверждения).

В процессе выхода на стационарный режим трения конгломераты дробятся и наночастицы скапливаются во впадинах микронеровностей, упрочняя поверхностный слой материала. Они удерживаются там благодаря высокой поверхностной энергии. Модификации подвергается также и поверхность контртела из-за переноса материала покрытия.. В следствие этого имеющее место снижение коэффициента трения связано со сглаживанием поверхности ,т.е. уменьшением исходной шероховатости и в частности ,со снижении деформационной составляющей силы трения.

Увеличение процентного содержания НА выше оптимального может приводить к усиления абразивного изнашивания. Действительно, дорожка трения покрытия полученное из материала с 30 % - ным содержанием НА изобилует продуктами износа.

Следует отметить, что данное представление является попыткой указать на один из возможных механизмов и тем самым приблизиться к объяснению обнаруженного эффекта снижения коэффициента трения и износа контртела, увеличения работоспособности композиционного твердосмазочного покрытия дисперсноупрочненного наноалмазами .

В заключении отметим перспективность использование композиционных покрытий содержащие ПТФЭ и НА в качестве твердосмазочных в прецизионных узлах трения и необходимость дальнейшего изучения их триботехнического поведения.