Технические науки/4. Транспорт

Д.т.н. Леонтьев Л.Б., Леонтьев А.Л., Погодаев А.В.

Дальневосточный федеральный университет, Россия

Влияние состава композиционного покрытия
на топографию поверхности трения

Поверхностный слой деталей трибоузла оказывает существенное влияние на износостойкость. Основные триботехнические характеристики (скорость изнашивания и коэффициент трения) зависят от структурно-механических параметров поверхностного слоя сопряженных деталей, топографии поверхности и условий их работы (величины нагрузки, скорости перемещения, рабочей температуры смазки и др.).

Для определения влияния типа покрытия на топографию поверхностей и параметры их шероховатости, а также выявления взаимосвязи топографии поверхностей и параметров их шероховатости с износостойкостью различных покрытий, были проведены исследования на атомно-силовом микроскопе (АСМ).

Хром обладает высокой износостойкостью, однако для условий трения при наличии абразива в смазке его триботехнические свойства необходимо улучшить. Наиболее перспективный способ повышения триботехнических свойств гальванического хрома – модифицирование минеральными и органоминеральными материалами фрикционным методом, который позволяет получить металлокерамический или металлоорганокерамический слой толщиной около 3 мкм. При этом дефекты на поверхности хрома в виде пор и микротрещин «залечиваются», вследствие чего параметры шероховатости уменьшаются.

Анализ параметров шероховатости и топографии поверхностей трения плунжерных пар и образцов позволил установить значительную анизотропию геометрических характеристик по направлениям (табл. 1 и 2). Исключение составляют гальванические хромовые покрытия вследствие наличия пор и микротрещин на поверхности, которые распределены на поверхности примерно одинаково. Минимальные параметры шероховатости по направлению обработки поверхности получаются после модифицирования гальванического хрома органоминеральными материалами на основе серпентинита. Максимальные параметры шероховатости характерны для хрома, упрочненного природным силикатом, модифицированным полисахаридом и стальной поверхности. Причем для всех поверхностей трения минимальные величины микронеровностей совпадают с направлением механической или упрочняющей обработок.

Таблица 1

Параметры шероховатости образцов из плунжерных пар,
восстановленных нанесением различных износостойких покрытий

Материал поверхностного слоя плунжера	Параметры шероховатости
	Среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм	Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, мкм	Средний шаг неровностей профиля Sm, мкм	Угол наклона неровностей, град
ХВГ	0,068 / 0,119	0,355 / 0,368	2,81 / 0,93	1,0 / 14,4
Хром	0,050 / 0,063	0,290 / 0,364	2,27 / 3,74	3,6 / 14,1
Хром, упрочненный природным силикатом, модифицированным полисахаридом	0,117 / 0,175	0,640 / 0,776	0,39 / 5,45	1,7 / 17,9
Хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% природного силиката, модифицированного полисахаридом	0,026 / 0,147	0,190 / 0,630	7,93 / 10,9	0,3 / 9,4
Хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% природного силиката	0,085 / 0,096	0,308 / 0,580	12,28 / 13,24	0,4 / 10,4
Хром, упрочненный серпентинитом, модифицированным полисахаридом	0,028 / 0,087	0,138 / 0,415	5,60/ 6,80	0,4 / 8,3

Примечание. В числителе приведено значение параметра по направлению обработки поверхности, в знаменателе — перпендикулярно направлению обработки.

Хромовое покрытие после механической обработки (притирки) имеет участки с пирамидальными образованиями (рис. 1, а), имеющими острые вершины, образованные кристаллами хрома, которые вызывают повышенный износ покрытия и сопряженной поверхности в период приработки.

Таблица 2

Профилограммы микронеровностей поверхностей гальванического хрома
с различными типами покрытий

Перпендикулярно направлению обработки	По направлению обработки
Сталь ХВГ
Гальванический хром
Хром, упрочненный природным силикатом, модифицированным полисахаридом
№14 Хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% природного силиката, модифицированного полисахаридом
Хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% природного силиката
Хром, упрочненный серпентинитом, модифицированным полисахаридом

а б

Рис. 1. Топография поверхностей плунжеров ТНВД после хромирования а и
упрочнения композицией 90% серпентинита + 10% природного силиката,
модифицированного природным полисахаридом б

Хромовые покрытия, модифицированные силикатом, содержащим алюминий, характеризуются наличием на поверхности пирамидальных образований, которые отражают внутреннее строение покрытия. Площадь, занятая ими, возрастает по мере увеличения содержания природного силиката в модифицирующей композиции. Образующиеся выступы в виде пирамид на хромовых покрытиях, несмотря на незначительную высоту выступов 20–50 нм, приводят к повышенному изнашиванию сопряженной детали вследствие их более высокой твердости по сравнению с твердостью стали ХВГ (62 HRC). При этом изнашивание металлокерамического практически не происходит.

Оптимальной топографией, обеспечивающей минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля, обладает поверхность хрома после ее упрочнения композициями на основе серпентинита, модифицированного природным полисахаридом (рис. 1, б). Профили микронеровностей, полученные по направлению обработки после упрочнения органоминеральными композициями на основе серпентинита близки практически к ровной линии вследствие заполнения пор и каналов на поверхности хрома органоминеральными и минеральными материалами. Периодические микронеровности, расположенные на поверхности плунжера и не имеющие острых выступов, обеспечивают получение поверхности, обладающей хорошей смазкоудерживающей способностью в условиях трения при граничной смазке, и высокую износостойкость. Благодаря минимальному удельному давлению на сопряженные поверхности и обеспечению наличия смазки уменьшается износ поверхности, сопряженной с композиционным покрытием, а также коэффициент трения и температура в трибоконтакте. Модифицирование хрома органоминеральными материалами на основе серпентинита обеспечивает получение минимальных углов наклона микронеровностей (табл. 1). Наибольшие углы наклона характерны для гальванического хрома, упрочненного природным силикатом, модифицированным полисахаридом (до 17,9º), стали ХВГ (до 14,4º) и гальванического хрома без последующего упрочнения (до 14,1º). Высокая износостойкость хрома после его модификации органоминеральными и минеральными композициями на основе серпентинита объясняется образованием металлокерамического покрытия толщиной до 3 мкм. Благодаря образованию металлокерамического слоя повышаются стабильность, прочность и долговечность покрытия. При модификации природного силиката и серпентинита природным высокомолекулярным полисахаридом полисахарид внедряется в межплоскостное пространство силиката, существенно увеличивая его, вследствие этого уменьшается сила трения на наноуровне между плоскостями, состоящими из двумерного алюмосиликата или гидроокиси кремния.

Таким образом, оптимальной топографией, обеспечивающей минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля, обладает поверхность хромового покрытия после его упрочнения композициями на основе серпентинита, модифицированного природным полисахаридом.