Применение тонкослойных покрытий в качестве антифрикционных

Тонкие  твердосмазочные «мягкие» покрытия, обладающие очень низким коэффициентом трения, могут использоваться и самостоятельно для оптимизации режима приработки инструмента. Твердосмазочные покрытия серии STITCHCOAT™ толщиной менее 0,5 мкм в ряде случаев обеспечивают очень хорошую финишную обработку. Данные покрытия обеспечивают эффективное удаление стружки из зоны резания, выполняя на определенном этапе резания одну из функций СОЖ. К двухслойным покрытиям такого типа принадлежит покрытие, у которого внешний слой состоит из оксидов W0₃, V₂0₅ или ТЮ₂, обладающих улучшенными триботехническими характеристиками при более высоких температурах. Фирма Balzers разработала покрытие TiAlN/WC-C, основным преимуществом которого является очень низкая скорость износа в режиме приработки, что приводит к увеличению срока эксплуатации инструмента. Одним из самых перспективных направлений в создании покрытий подобного типа является нанесение наноструктурированных покрытий WC, имеющих высокие триботехническиее характеристики.

 

Результаты  исследований

 

Как следует из оценочных экспериментов, наиболее эффективным покрытием  с точки зрения износостойкости  и минимального коэффициента трения являются композиционные материалы, состоящие  из твердой подложки, воспринимающей нагрузку, и сравнительно мягкого  поверхностного слоя с высокой способностью к передеформированию без разрушения. В качестве такого слоя могут быть использованы пластичные материалы: медь, политетрафторэтилен, полиэтилен, наносимые методами плазмохимической обработки или другими методами, применяющимися, например, в технологии переработки пластических масс.

В настоящем разделе рассмотрены  особенности формирования тонких антифрикционных  и противоизносных слоев композиционных покрытий на основе нитрида титана и из разбавленных растворов фторсодержащих олигомеров во фреоне и хладоне (“Фолеоксы” Ф-1 и Ф-14).

Противоизносные слои наносили окунанием  образца с подслоем в раствор  Ф-1 и Ф-14 с последующим удалением  растворителя путем естественного  испарения.

 

а)	б)	в)
г)	д)	е)

 

Рисунок-15 Морфологические особенности поверхности: тонкая пленка TiN, покрытая “Фолеоксом”  Ф1. Поле сканирования 24,8 х 24,8 мкм: а  – 1 слой, в – 5 слоев, д – 10 слоев. Поле сканирования 5 х 5 мкм:  
б – 1 слой, г – 5 слоев, е – 10 слоев.

а)	б)	в)
г)	д)	е)

 

Рисунок - 16. Морфологические особенности  поверхности: тонкая пленка TiN, покрытая “Фолеоксом” Ф14. Поле сканирования  
24,8 х 24,8 мкм: а – 1 слой, в – 5 слоев, д – 10 слоев. Поле сканирования 5 х 5 мкм: б – 1 слой, г – 5 слоев, е – 10 слоев.

 

Установлено, что строение олигомера  оказывает существенную роль на морфологию формирования антифрикционного и противоизносного слоя (рис. 15-18).

а)	б)	в)
г)	д)	е)

 

Рисунок - 18 Морфологические особенности  поверхности: толстая пленка TiN, покрытая “Фолеоксом” Ф1. Поле сканирования  
24,8 х 24,8 мкм: а – 1 слой, в – 5 слоев, д – 10 слоев. Поле сканирования 5 х 5 мкм: б – 1 слой, г – 5 слоев, е – 10 слоев.

Так, на тонкой подложке из нитрида титана, не содержащей капельной фазы, (“толстая”  пленка ТiN) формируется гладкий сплошной слой олигомера с равномерной морфологией. Увеличение числа слоев олигомера (толщины пленки) не нарушает сплошности слоя. Поверхностные дефекты подложки выравниваются и при 10 слоях Ф-1 практически не проявляются (рис. 15).

Фолеокс Ф-14 на “тонкой” подложке из нитрида титана вначале заполняет микронеровности, уменьшая количество поверхностных дефектов (рис.16), а затем формирует собственную структуру, в которой в роли центров кристаллизации выступают поверхностные дефекты подложки.

На поверхности образца образуются достаточно крупные сфероподобные образования размерами до 10-15 мкм.

Количество таких образований  и их размеры зависят от толщины  пленки олигомера. Сформировавшиеся структуры  достаточно устойчивы, однако способны деформироваться без разрушения. На поверхности сканирования обнаружены следы взаимодействия олигомерных  фрагментов с зондом АСМ. Очевидно, Ф-14 при достаточно большой толщине  слоя (10 окунаний) формирует структуру с крупными упорядоченными образованиями, имеющими неоднородную высоту. Такая структура достаточно прочна и способна без разрушения выдерживать многократные воздействия микроиндентора без разрушения.

 

а)	б)	в)
г)	д)	е)

 

Рисунок-19 Морфологические  особенности поверхности: толстая  пленка TiN, покрытая “Фолеоксом” Ф14. Поле сканирования  
24,8 х 24,8 мкм: а – 1 слой, в – 5 слоев, д – 10 слоев. Поле сканирования 5 х 5 мкм: б – 1 слой, г – 5 слоев, е – 10 слоев.

 

При увеличении толщины подслоя из нитрида титана (толстая пленка) характер морфологии антифрикционного и противоизносного слоя также зависит от строения молекулы фторсодержащего олигомера (рис. 17, 18). Однократное нанесение “Фолеокса” Ф-1 на поверхность образца приводит к формированию равномерного слоя гомогенного строения. Микронеровности подложки заполняются олигомером и их месторасположение проявляется в виде размытых очертаний размером 3-5 мкм (рис. 17). С увеличением числа обработок количество неоднородностей на поверхности возрастает, что очевидно обусловлено ориентирующим действием капельных частиц покрытия из нитрида титана в процессах формирования упорядоченных структур в олигомере (рис. 17(в)).

Отдельные глобулоподобные фрагменты на поверхности соединены сплошной однородной пленкой олигомера. Десятикратная обработка поверхности образца принципиально не изменяет топографии и морфологии антифрикционного слоя (рис. 18(д)). Олигомер марки Ф-14 как и в случае тонкой подложки формирует на поверхности образца упорядоченные агрегаты размером 3-4 мкм. Расположение этих агрегатов произвольно и, очевидно, связано с микронеровностями, сформированными на подслое (рис. 18). Увеличение толщины олигомерного слоя принципиально не меняет характера геометрии рабочей поверхности, а только приводит к увеличению размеров глобулоподобных олигомерных фрагментов (рис. 18 а-е).

Методом атомно-силовой микроскопии  изучали морфологию поверхности  хромалмазного покрытия до и после обработки фторсодержащими олигомерами, а также после термической обработки. Исходная поверхность хромалмазного покрытия довольно развитая, наблюдаются глобулярные образования. Также наблюдается формирование «чешуйчатых» структур с латеральным размером около 4-6 мкм. На трехмерном изображении поверхности хромалмазного покрытия можно увидеть вкрапления пирамидального типа в «чешуйчатую» структуру. По-видимому, данные вкрапления соответствуют агрегатам ультрадисперсных кластеров синтетического углерода (рис. 20).

Размер вкраплений составляет 0,01 мкм. Таким образом, можно сказать, что  сформированное покрытие имеет специфическое  строение с явно выраженными кластерами, внедренными в структуру композиционного  материала.

Однократная обработка в растворе фторсодержащего  олигомера приводит к сглаживанию  исходного рельефа поверхности (рис.17б). Дальнейшее нанесение фторсодержащих олигомеров полностью закрывает  исходный рельеф подложки электролитического хрома, образуя свой пологий рельеф (рис. 19в-г).

Таким образом, модифицирование хромалмазных покрытий фторсодержащими олигомерами приводит к сглаживанию рельефа поверхности в результате заполнения микроповерхностей тонких фрагментных пленок. При этом в результате хемосорбционного взаимодействия происходит «залечивание» микродефектов поверхности, являющихся источниками коррозионно-механического изнашивания

 

а)	б)	в)
г)	д)	е)
ж)	з)	и)
к)	л)	м)

Рисунок-20. Морфология композиционного  покрытия на базе хромалмазной подложки и фторсодержащих олигомеров. а) хромалмазная подложка, б) хромалмазная подложка + 1 обработка в растворе Ф-АК1, в) хромалмазная подложка + 3 обработки в растворе Ф-АК1, г) хромалмазная подложка + 5 обработок в растворе Ф-АК1, д) термообработка композиционного покрытия при Т = 373 К, е) термообработка композиционного покрытия при Т = 473 К, ж) термообработка композиционного покрытия при Т = 523 К. (поле сканирования 24 х 24 мкм).

 

Согласно современным представлениям нанесение поверхностно-активных веществ  на поверхность поликристалла приводит к понижению прочности. Эффект понижения  прочности (имеется в виду внешний  адсорбционный эффект, когда не протекает  объемная диффузия и коррозионные явления) вызывается облегчением выхода дислокации на поверхность деформационного  кристалла в результате снижения поверхностной энергии твердого тела при адсорбции ПАВ . Однако в ряде случаев при обработке кристаллов поверхностно-активными веществами на базе фторсодержащих олигомеров наблюдается эффект увеличения микротвердости и прочности металлов.

На рис. 21 представлена зависимость  микротвердости стальной подложки, обработанной различными марками фторсодержащих олигомеров, в зависимости от режима термообработки.

Нанесение фторсодержащих олигомеров во всех случаях приводит к увеличению значений микротвердости. Это можно объяснить процессом хемосорбции полярных молекул на поверхности стальной подложки в результате чего, происходит залечивание микродефектов в поверхностных слоях поликристаллов, увеличением свободной энергии поверхностных слоев металла, в результате чего затрудняется выход дислокации на поверхность. Хемосорбция данных марок фолеоксов на поверхность металла подтверждается появлением полосы поглощения в ИК-спектре в области 1610-1690 см^-1, которая идентифицируются как полоса поглощения, принадлежащая солям металла (СОО)₂Me, Ме(NH₂), Me(NH₃).

Оптическая плотность полосы поглощения зависит от марки применяемого фолеокса, т.е. от его строения. Проведение термообработки приводит к дальнейшему увеличению значений микротвердости.

 

 

Рисунок - 21. Зависимость микротвердости стали 45, обработанной фторсодержащими олигомерами, от режима термообработки: 1 – сталь 45 (исходная), 2 – сталь 45+В1, 3 – сталь 45+ФАК-2, 4 – сталь 45+Ф14.

 

В результате энергетического воздействия  в тонкослойных композиционных покрытиях  протекают кристаллизационные процессы (рис. 21), что может объяснять эффект повышения значений микротвердости. В области температур Т ~ 523 К в пленках фторсодержащих олигомеров протекают деструкционные процессы, в результате чего наблюдается десорбция пленки с поверхности металла и, как следствие, снижение значений микротвердости. Нанесение фторсодержащих олигомеров на алюминиевую подложку в ряде случаев приводит к уменьшению значений микротвердости (рис. 22).

Проведенные исследования структуры  пленок фторсодержащих олигомеров методами ИК-спектроскопии показало, что при нанесении ФСО не происходит образование хемосорбционных связей, которые обуславливают эффект Ребиндера. Проведение термообработки приводит к протеканию кристаллизационных процессов в тонких пленках фторсодержащих олигомеров.

а)		б)		в)
г)		д)		е)
ж)		з)		и)
к)