Научные основы обеспечения трибологической надежности топокомпозитов

В последние годы были проведены системные исследования несущей способности (контактной прочности) поверхностей трения, упрочняемых тонкими твердыми керамическими покрытиями, обеспечивающими высокую работоспособность поверхностей трения по критерию износостойкости.

Для повышения работоспособности поверхностей трения деталей машин, приборов и инструмента в настоящее время широко используются различные покрытия и модифицированные поверхностные слои. Толщина поверхностного слоя может варьироваться от нескольких миллиметров для наплавляемых покрытий до нескольких микрометров для вакуумных ионно-плазменных   и газофазных   покрытий.

Если толщина покрытия (модифицированного поверхностного слоя) невелика (сравнима или меньше размеров контактной области), а соотношение физико-механических характеристик материалов компонентов слоистой системы (основы и покрытия) таково, что  внешние воздействия воспринимаются и локализуются не только в материале покрытия, но и в материале основы, то такой приповерхностный слой представляет из себя поверхностно слоистый композиционный материал. Композиционный приповерхностный слой с покрытием определенной толщины, обеспечивающий поверхности и детали в ряде случаев такую техническую эффективность и экономическую целесообразность, какую не дают элементы слоистой системы  в отдельности, стал называться топокомпозитом.

Научные основы трибологической надежности топокомпозитов включают в себя систему знаний, методологий и методик, обеспечивающих назначение эффективной технологии создания поверхностного слоя, выбор оптимального материала (материалов) покрытия и рациональной конструкции (строения) приповерхностного слоя, возможность расчета контактной прочности (несущей способности),  триботехнических и механических характеристик   приповерхностного и поверхностного слоя, ресурса работы изделия из топокомпозита, а также  прогноз и мониторинг  его качества с момента проектирования до и в период эксплуатации.

Для получения топокомпозитов триботехнического назначения широкое применение получили методы, основанные на воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии и вещества, и в частности  вакуумные ионно-плазменные методы, развиваемые в ИМАШ РАН (рис. 1 и рис. 2).

Рис. 1. Фотография технологической установки для нанесения покрытий электродуговым распылением (метод КИБ) – ННВ 6.6-И1.	Рис. 2. Фотографии образцов с ионно-плазменными покрытиями триботехнического назначения.

Для экспресс-оценки триботехнических свойств и несущей способности объемных материалов, покрытий и модифицированных поверхностных слоев (топокомпозитов) в ИМАШ РАН создан современный  компьютеризированный экспериментальный стенд ТС1 и разработаны методики испытаний  при трении перекрещивающихся цилиндрических образцов (рис. 3). Обеспечена возможность проведения испытаний при скольжении, качении с проскальзыванием и качении в условиях постепенного изменения в процессе испытаний нагрузки (от 0 до заданной конечной величины). В ходе эксперимента фиксируются значение силы трения на обеих площадках контакта образцов, ведется видеозапись дорожки трения и регистрация акустической эмиссии. Результатом обработки зарегистрированных данных являются графики зависимостей суммарной (средней) силы трения и коэффициента трения от времени и величины нагрузки; скорость относительного перемещения образцов, вид поверхности трения, характер повреждаемости и разрушения образцов, критические нагрузки, и т.д.

Рис. 3. Общий вид трибологического стенда ТС-1.	Рис. 4. На графике - зависимость несущей способности топокомпозита от толщины покрытия  (теоретический расчет). I  - область повышенной пластичности; II – область повышенной прочности. На фото - характерный вид разрушения покрытия TiN при трении с абразивом в области повышенной пластичности топокомпозита.

В результате экспериментальных исследований на трибологическом стенде ТС1 различных вауумных ионно-плазменных покрытий  были установлены виды контактного взаимодействия, критические нагрузки, приводящие к повреждениям поверхности и потери несущей способности. Зафиксированы и объяснены наблюдаемые на поверхности покрытия  по следу трения и за пределами трещины различного вида и нарушения сплошности.

В результате рассмотрения механики упругого и упруго-пластического контактного взаимодействия сферического жесткого индентора с поверхностно слоистым твердым телом  были получены  аналитические зависимости для определения эффективной упругости (жесткости), эффективного предела пластичности, эфеективной твердости , а также несущей способности  слоистой среды по критерию наступления пластической деформации. Исследован характер влияния на указанные характеристики толщины и соотношения  упругих и механических характеристик материалов основы и покрытия.

Теоретическими и экспериментальными  исследованиями   топокомпозитов было показано  наличие двух  диапазонов толщин  покрытий, для которых отмечены  аномальные значения  несущей способности (рис. 4). Получен количественный критерий, определяющий отнесение поверхностно-слоистых твердых тел к классу топокомпозитов. Получены инженерные аналитические зависимости, связывающие эффективные  характеристики топокомпозитов (куда входит и несущая способность) с толщиной и  механическими свойствами компонентов топокомпозита.  Результаты исследований позволяют научно обоснованно  на этапе проектирования узлов трения  новой техники выбирать  метод упрочняющей обработки, материал покрытия и основы, назначать рациональную толщину покрытия, с высокой точностью рассчитывать ресурс работы упрочненных деталей узлов трения.  Авторы разработки:  д.т.н. Воронин Н.А., д.т.н., проф. Семенов А.П., к.т.н. Кацура А.А.