Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 12

УДК 621.891:539.2

ЗЕЛЕНАЯ ТРИБОЛОГИЯ: ОРИЕНТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ УЗЛОВ

В СМАЗОЧНЫХ СРЕДАХ (обзор)

¹ Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,

119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, ГСП-1

² Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН,

101990, г. Москва, Харитоньевский пер., д. 4

E-mail: 13121946VNM@gmail.com

Поступила в Редакцию 20 мая 2019 г.

После доработки 4 сентября 2019 г.

Принята к публикации 4 сентября 2019 г.

Представлен мультидисциплинарный концептуальный подход к изучению процессов трения в трущихся

парах с различными поверхностями, их структурой и способами ее организации в тонких слоях, смазы-

вающими средами, нагрузками в зоне контакта и способами регистрации трения скольжения и каче-

ния. Показана возможность управления граничным трением с использованием нанесенных покрытий

и их ориентационным действием на смазочные материалы в трущихся парах. Нанесение углеродных

алмазоподобных покрытий на рабочие поверхности деталей тяжелонагруженных узлов трения (дви-

гателей, зубчатых зацеплений, сопряжений металлообрабатывающий инструмент-обрабатываемая

деталь и т. д.) позволит в значительной степени минимизировать содержание присадок в смазочных

маслах, следовательно, уменьшить расходы смазочных материалов или даже вовсе отказаться от

применения масел, содержащих дорогие и нежелательные по экологическим причинам присадки.

Ключевые слова: коэффициент трения; узел трения; покрытие-ориентант; покрытие углеродом;

легирование поверхности; смазочные среды; смазочная способность

DOI: 10.1134/S0044461819120016

Введение

Уже в конце прошлого века углеродные алмазо-

подобные покрытия (DLC — diamond-like carbon

Открытие новых модификаций углерода, таких

coatings) с успехом использовали в качестве защит-

как фуллерены, графены, нанотрубки, широкое ис-

ных покрытий для магнитных слоев жестких дисков

пользование композиционных материалов на основе

компьютеров для предохранения их от износа и по-

углерода (углерод-полимерных и углерод-углерод-

вреждений [2, 6, 9]. В последнее десятилетие рас-

ных), а также углеродных покрытий на металлах и

пространение углеродных алмазоподобных покры-

полимерных материалах, обладающих рядом уни-

тий (АПП) рабочих поверхностей контактирующих

кальных свойств, открывает широкие возможности

деталей для снижения износа и уменьшения трения

для развития зеленой трибологии и создания принци-

значительно расширилось. Сейчас АПП успешно ис-

пиально новых технологий и конструкций приборов

пользуются в микроэлектромеханических системах,

[1-8].

1499

1500

Левченко В. А. и др.

космических технологиях, в металлообрабатываю-

верхностными слоями трущихся элементов. Одним из

щей промышленности (покрытие режущего инстру-

этапов этого изучения является предлагаемый обзор

мента), в биомедицинской индустрии и др. Возросло

работ в этой области.

количество научных публикаций, в которых показано,

что указанные покрытия могут быть эффективны

Углеродные алмазоподобные покрытия:

для снижения трения и износа деталей фрикцион-

получение и свойства

ных сопряжений в достаточно широком интервале

условий нагружения. Установлено, что эти покрытия

Начало работам по эпитаксиальному наращива-

отличают широкий диапазон коэффициентов трения,

нию алмазного и алмазоподобных покрытий при

высокая износостойкость, малая адгезия к материалу

разложении углеводорода было положено исследо-

контртела и химическая инертность [6-8].

ваниями Дерягина и Спицына [12]. Интерес к этой

В подавляющем большинстве публикаций рас-

проблеме за рубежом появился только после публи-

смотрено трибологическое поведение деталей с угле-

кации в 1981 г. работы [13], в которой обобщены

родными АПП при трении в отсутствие смазочного

результаты исследований отечественных ученых по

материала («сухое» трение) [7, 8]. Тем не менее в ряде

росту алмазной пленки на инородной (не алмазной)

исследований [9-11] убедительно показано, что хоро-

подложке. В качестве химического реагента, который

шие противоизносные и антифрикционные свойства

удалял в процессе роста графитовую компоненту,

углеродных АПП эффективно проявляются также в

авторы использовали атомарный водород. Только

условиях смазывания. Это связано с тем, что:

в 1983 г. десятки научных коллективов в Японии,

— смазочная среда ограждает зону фрикционного

а затем и во всем мире подключились к решению дан-

контакта поверхностей, имеющих углеродные покры-

ной проблемы. При этом использовались различные

тия, от воздействия атмосферных условий, к колеба-

плазменные устройства, позволяющие получать ато-

ниям которых (например, к повышению влажности)

марный водород и активные радикалы углеводородов.

эти покрытия очень чувствительны;

В настоявшее время для получения углеродных

— смазочные среды (в первую очередь смазочные

пленок применяются различные методы осажде-

масла) обеспечивают вынос продуктов износа из зо-

ния: метод физического осаждения из газовой фазы

ны трения, что устраняет твердые частицы, могущие

(PVD), метод химического осаждения из газовой

оказать абразивное действие;

фазы (CVD), плазменного химического осаждения из

— масла и особенно смазочные материалы на

газовой фазы (PACVD), ионно-плазменное осаждение

водной основе обеспечивают охлаждение зоны фрик-

и др. [7, 8, 14]. Трибологические свойства и структу-

ционного контакта, что особенно важно для углерод-

ра покрытий определяются способом их получения

ных покрытий, имеющих относительно невысокую

(триада условия синтеза-структура-свойства), а так-

предельную температуру работоспособности (по-

же наличием или отсутствием водорода в структуре

рядка 220°С).

покрытия [7, 8, 15].

Наконец отметим, что наносить углеродные по-

Широкий спектр структур углеродных пленок об-

крытия экономически целесообразно только на по-

условлен зависимостью их физических свойств от

верхности деталей тяжелонагруженных узлов трения,

соотношения sp²- (графитоподобных) и sp³- (алма-

в то время как остальные детали агрегата могут ну-

зоподобных) углеродных связей. Известно доста-

ждаться в смазочной среде по ряду причин (напри-

точно много видов углерода с sp²-связями, характе-

мер, для обеспечения охлаждения). По этой причине

ризующихся различным уровнем упорядоченности

также возникает необходимость изучения влияния

графита — от монокристаллического графита до

смазочных материалов на эффективность трибологи-

стеклоуглерода. Так называемый аморфный углерод

ческого действия углеродных покрытий.

может представлять собой смесь кластеров с sp²-,

Таким образом, существует необходимость более

sp³- и даже sp-видами гибридизации атомов углерода

масштабного изучения трибологического поведения

[15, 18]. Ключевыми факторами для классификации

углеродных алмазоподобных покрытий при работе

углеродных покрытий являются соотношение фаз с

в смазываемых узлах трения. Особый интерес пред-

видами гибридизации sp³/sp², ориентация кластеров

ставляет изучение трибологического поведения АПП

sp²-фазы, поперечная наноструктура покрытия и на-

в режиме граничной смазки, когда необходимо при-

личие водорода и азота в структуре покрытия.

нимать во внимание не только свойства контактиру-

Наиболее упорядоченные структуры алмазо-

ющих материалов и смазочной среды, но и условия

подобных углеродных покрытий характеризуются

взаимодействия активных компонентов смазки с по-

тетраэдральной структурой (ta-C) c максимальным

Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий...

1501

содержанием С-С sp³-фазы. Следует отметить, что

(схема неподвижный палец/шарик-возвратно-посту-

количество sp³-фазы определяет параметры упру-

пательно движущаяся пластина) [6].

гости покрытия. Однако углеродные пленки при од-

Имеются сведения о трибологических испыта-

ном и том же содержании этой фазы и водорода, но

ниях углеродных АПП при контакте торцами двух

различающиеся кластерами sp²-фазы и поперечной

колец, т. е. по схеме трения плоскость-плоскость.

наноструктурой, обладают различными оптическими

Смазывание осуществлялось в масляной ванне, ли-

и электрическими свойствами. Твердость покрытий

бо образцы предварительно смачивали исследуемой

может варьироваться в достаточно широких преде-

смазочной средой. Испытания в ряде случаев прово-

лах: от нескольких ГПа для покрытий, содержащих

дили в достаточно широком (от 20 до 220°С и более)

водород, до 60 ГПа для покрытий с тетраэдральной

интервале температур и частот вращения/осцилля-

структурой (ta-C), не содержащих водорода [16].

ций. Некоторые исследователи не ограничивались

Присутствие водорода (связанного или свободного)

лабораторными испытаниями и использовали стенды

в углеродных покрытиях способствует снижению

типа кулачок--толкатель, метчик-обрабатываемый

сухого коэффициента трения до весьма низких зна-

материал и т. д. В наших лабораторных исследова-

чений (менее 0.02) [17, 18].

ниях на дисковой машине применяли схему трения

Как отмечалось выше, одной из существенных

шар по вращающемуся диску (см. рисунок, а); при

функций углеродных покрытий ввиду их низкой хи-

испытаниях в условиях возвратно-поступательного

мической активности может быть предотвращение

движения — схемы трения: неподвижный шар по

адгезионного взаимодействия контактирующих эле-

движущейся пластине (см. рисунок, б) — начальный

ментов. Однако адгезия к контртелу может суще-

точечный контакт и неподвижный ролик по движу-

ственно изменяться в зависимости от условий трения.

щейся пластине (см. рисунок, в) — начальный ли-

Так, при низких значениях коэффициента трения

нейный контакт [19, 20]. Хотя большинство лабо-

(f = 0.02 в сухом азоте) может наблюдаться перенос

раторных трибологических испытаний указанных

углерода на стальное контртело, а при высоких вели-

покрытий проводится по распространенным в трибо-

чинах трения (f = 0.6 в сухом кислороде) — перенос

логии схемам испытаний, нагрузочно-скоростные ре-

стали на углеродную пленку [14].

жимы, а также температуры испытания в доступных

нам публикациях достаточно сильно различаются.

Поэтому обобщение полученных результатов до-

Трибологические свойства

статочно затруднено. Ниже при описании и анализе

углеродных алмазоподобных покрытий

результатов трибологических испытаний АПП в слу-

в смазанных узлах трения

чае необходимости кратко оговариваются условия

Методы испытаний. В большинстве анализируе-

испытаний.

мых работ лабораторные трибологические испытания

Режим смазки углеродных АПП. Как известно,

проводились на машинах трения, работающих по схе-

существуют различные режимы смазки: гидродина-

ме палец (или шарик)-плоскость, причем эта схема

мический, жидкостной, режимы смешанной смазки

реализовывалась как для однонаправленного движе-

и граничной смазки.

ния (схема неподвижный палец/шарик-вращающийся

В режиме граничной смазки (ГС) в определенные

диск), так и для возвратно-поступательного движения

моменты (при пуске-остановке, в «мертвых точках»

Образцы для лабораторных испытаний алмазоподобных покрытий для схем трения: шар-диск (а), шар-пластина (б),

ролик-пластина (в).

1502

Левченко В. А. и др.

механизмов возвратно-поступательного движения и

коэффициент трения [7]. Аналогичную точку зрения

т. д.) или постоянно (при малых скоростях перемеще-

на основании анализа большого объема эксперимен-

ния, высоких удельных нагрузках и температурах или

тальных данных высказал Б. Подгорник. Согласно его

при наличии геометрии, затрудняющей реализацию

исследованиям, АПП заметно снижают коэффициент

режима жидкостной смазки) работают практически

трения в зоне граничной смазки, в меньшей степе-

все тяжелонагруженные узлы трения современных

ни — в области смешанного трения и даже в области

машин и механизмов. При этом если поверхности

эластогидродинамического режима смазки, однако в

трения не разделены сплошным слоем смазочного

области гидродинамической смазки АПП практиче-

материала, а непосредственный контакт рабочих эле-

ски не оказывают влияния на коэффициент трения

ментов узла трения приводит к резкому росту потерь

[14, 24]. В то же время АПП эффективно повышают

на трение, повышенному изнашиванию трущихся тел,

долговечность узлов трения, работающих в услови-

снижению долговечности и надежности узла трения

ях масляного голодания: при трении стали по стали

и в конечном счете к задиру рабочих поверхностей

заедание наступает через 1000 циклов нагружения,

и полной потере работоспособности узла трения, то

при трении АПП a-C:H по a-C:H, — через 1750 ци-

взаимодействие граничных слоев сопряженных тел

клов, при трении a-C:H по стали — более чем через

предотвращает или по крайней мере минимизирует

4000 циклов [25].

процесс трения за счет образования непосредственно-

Режим масляного голодания достаточно часто

го контакта на участках сопряженных тел граничных

встречается при вытекании масла из зоны контакта,

слоев [20-22].

а также в условиях металлообработки. Здесь кри-

Исследование специфики трения и изнашивания

тические нагрузки начала переноса обрабатывае-

углеродных алмазоподобных покрытий при различ-

мого материала (в данном случае — нержавеющей

ных режимах смазки и составах смазочных матери-

стали) на поверхность инструмента с углеродным

алов является весьма актуальной задачей. При этом

АПП существенно выше, чем при использовании

наибольший интерес представляет анализ триболо-

инструментов с традиционными покрытиями (нитрид

гических характеристик углеродных АПП, нанесен-

титана, борид титана или карбид тантала), причем

ных на рабочие поверхности деталей, работающих в

при снижении требований как к чистоте поверхности

режиме граничной смазки.

инструмента, так и к качеству смазочных технологи-

В работе [23] приведена диаграмма Герси-

ческих сред [25, 26].

Штрибека, построенная по результатам сравнитель-

Исходя из вышеизложенного исследование спе-

ных испытаний трех пар трения сталь-сталь и гидро-

цифики трения и изнашивания углеродных алмазо-

генизированное аморфное углеродное АПП-АПП

подобных покрытий при различных режимах смазки

(а-С:Н/а-С:Н) в среде чистых полиальфаолефинов

и составах смазочных материалов является весьма

(ПАО) (кинематическая вязкость соответственно 4.6

актуальной задачей. Однако, как мы отметили вы-

и 8 мм²·c^-1 при 40°С) на установке с возвратно-по-

ше, наиболее эффективны углеродные АПП при

ступательным движением по схеме трения сфера-

нанесении на рабочие поверхности деталей, работа-

плоскость при комнатной температуре. Для испы-

ющих в режиме граничной смазки. Именно поэтому

таний использовали шарикоподшипниковую сталь

в настоящем обзоре в основном рассматриваются

100 Cr6. Показано, что кривая Штрибека для пары

исследования узлов трения, работающих в этом ре-

АПП-АПП существенно отличается от соответству-

жиме.

ющей кривой для пары сталь-сталь. Согласно ре-

Следует иметь в виду, что применение углеродных

зультатам авторов, в зоне граничной смазки для пары

покрытий в смазываемых узлах трения может быть

АПП-АПП наблюдается повышение коэффициента

эффективным как при трении скольжения, так и при

трения с увеличением скорости в отличие от сниже-

качении с проскальзыванием и даже при качении

ния, характерного для трения стали по стали. При

[27-29]. Так, авторы [27] испытали при смазке мас-

этом на всех участках кривой коэффициент трения

лами PVA-3 и SAE 10W40 роликовый подшипник,

в паре АПП-АПП ниже, чем для пары сталь-сталь.

на ролики которого (сталь 100 Cr6) наносили раз-

В зонах смешанной, эластогидродинамической и ги-

личные покрытия толщиной 2.0-2.5 мкм сравнимой

дродинамической смазки обе сравниваемые кривые

твердости (от 17.2 до 15.24 ГПа), включая углерод-

шли симбатно, при этом различие в коэффициен-

содержащие. Наибольшую долговечность показало

тах трения между ними было существенно меньше.

покрытие Cr + W:C:H. Авторы [28] путем испытаний

Более того, при гидродинамической смазке природа

при качении с проскальзыванием по схеме шарик-

поверхностей не оказывает заметного влияния на

диск в четырех смазочных средах ряда углеродных

Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий...

1503

покрытий толщиной 1.47-3.23 мкм и твердостью

Смазка углеродных алмазоподобных покрытий

от 13.5 до 22.3 ГПа при содержании углерода 17.5-

адсорбционно-активными средами

28.5 ат% и варьировании sp²-связей от 70 до 85%

и эффект суперсмазки

установили, что эти покрытия при трении по стали

Хатсуно и Хосоми [32] исследовали влияние

AISI 52100 имеют меньший коэффициент трения, чем

смазочных композиций, включающих органические

пара сталь-сталь. При испытании в условиях качения

поверхностно-активные присадки, представляю-

с проскальзыванием ряда АПП в среде вазелинового

щие собой производные олеиновой кислоты, при

масла было установлено, что указанные покрытия

температурах 50, 125 и 190°С. В качестве базово-

в условиях смазывания имеют существенно более

го использовали углеводородное масло с кинемати-

высокую износостойкость, чем при сухом трении

ческой вязкостью 1.3 мм²·c^-1 при 40°C. Массовая

[29].

доля присадки составляла 10%. Испытания прово-

дились на трибометре по схеме сфера-плоскость

при возвратно-поступательном движении (скорость

Влияние смазочных материалов

скольжения ν = 10-20 мм·с^-1, нагрузка N = 0.98 Н).

Анализируя процессы смазки деталей с углерод-

Было установлено, что коэффициент трения иссле-

ными АПП, можно предположить, что оптимальные

дуемых смазочных композиций не связан с их кине-

смазочные материалы для этой цели в принципе мо-

матической вязкостью, но во многом определяется

гут заметно отличаться от применяемых в настоящее

молекулярной структурой поверхностно-активного

время смазочных материалов, предназначенных для

компонента (присадки). Максимальный эффект сни-

снижения трения и износа металлических деталей.

жения коэффициента трения оказывает моноолеат

Однако такие смазочные материалы пока не созданы.

глицерина (МОГ), который более активно, чем другие

Поэтому авторы рассмотренных ниже публикаций

исследуемые присадки, адсорбируется поверхностью

используют, как правило, модельные смазочные мате-

углеродного покрытия. Показано, что на усиление

риалы, представляющие собой базовые масла нефтя-

адсорбции влияют гидроксильные группы введенных

ного (например, жидкий парафин или масло SAE 30)

ПАВ.

или синтетического (например, полиальфаолефины)

В работе [33] исследовали влияние ряда смазоч-

происхождения. Для обеспечения антифрикционного,

ных материалов (моторное масло 5W-30, жировое

противоизносного и противозадирного действия в эти

масло PAOES1 и ПАО, содержащий 1% МОГ) на

базовые масла вводят присадки соответствующего

трение углеродных алмазоподобных покрытий по за-

назначения: антифрикционные, традиционно называ-

каленной стали. Испытания проводились на трибоме-

емые модификаторами трения [в частности, жирные

тре, реализующем схему трения вращающийся диск-

кислоты, длинноцепные амиды и другие поверхност-

три неподвижных образца при давлении р = 0.7 ГПа,

но-активные вещества (ПАВ)], химически активные

скорости скольжения v = 0.03-1.0 м·с^-1, температуре

модификаторы трения [прежде всего дитиокарбамат

Т = 80°С. Образцы изготавливали из подшипнико-

молибдена (ДТКМ)], противоизносные [например,

вой стали AISI 52100, диск — из цементированной

диметилдитиофосфат цинка (ДТФЦ), фосфорсодер-

стали SCM415. Исследовали углеродные АПП: CVD

жащая противоизносная присадка — диамин моно-

a-C:H и PVD ta-C, которые наносили на диск. При

гексил и амин дигексилфосфаты], а также серосо-

испытаниях в среде моторного масла 5W-30 (API SG)

держащую противозадирную присадку (осерненный

наибольшая величина коэффициента трения была

полисульфид олефина). Применительно к трению

получена для пары сталь-сталь (f = 0.12), для пары

металлических поверхностей механизм смазочно-

сталь-a-C:H f = 0.1 и для пары сталь-ta-C f = 0.08.

го действия многих из этих присадок достаточно

При смазывании композицией ПАО + 1% МОГ коэф-

хорошо изучен [30, 31]. Масла чистые при трении

фициенты трения для тех же сочетаний материалов

металлических материалов обеспечивают смазочное

составляли соответственно 0.1, 0.08 и 0.02. Таким

действие за счет слоя физически адсорбированных

образом, хотя присутствие водорода (связанного или

молекул поверхностно-активных компонентов этих

свободного) в углеродных покрытиях при сухом тре-

масел. Масла с присадками образуют химически

нии способствует снижению коэффициента трения

модифицированный слой продуктов трибохимиче-

до весьма низких значений [7], авторы [32, 33] пока-

ского взаимодействия поверхностного слоя металла

зали, что для некоторых сочетаний исследованных

с химически активными компонентами смазочных

материалов и смазочной среды, а именно закаленной

материалов.

стали по алмазоподобному покрытию (ta-C), не со-

1504

Левченко В. А. и др.

держащему водорода, при смазывании композицией

Наиболее убедительно высокие антифрикцион-

ПАО + 1% МОГ достигались весьма низкие коэф-

ные свойства сочетаний углеродных покрытий, не

фициенты трения, причем по мере уменьшения со-

содержащих водорода (ta-C), и смазочных сред, со-

держания водорода в покрытии коэффициент трения

держащих спиртовые группы, показаны в работах

снижался.

[35, 36]. На вибротрибометре SRV при перемещении

Наблюдаемые сверхнизкие величины трения авто-

с частотой 50 Гц ролика диаметром 18 мм и длиной

ры объясняют наличием взаимодействия ta-C покры-

22 мм по плоскому диску (направление движения

тия с активным компонентом смазочного материала,

перпендикулярно образующей ролика; амплитуда ос-

содержащим гидроксильные группы, и формирова-

цилляций 3 мм) под нагрузкой 400 Н при температуре

нием на поверхности трения покрытия трибохими-

80°С испытаны три одноименные пары трения [36]:

ческого нанослоя, обладающего низкой прочностью

1) оба образца из термообработанной стали (контакт

на сдвиг.

cталь/сталь), без покрытия; 2) на рабочие поверх-

Мартен и др. [34], прекрасно понимая необходи-

ности обоих образцов нанесено углеродное АПП,

мость снижения потерь энергии в подвижных трибо-

содержащее водород (a-C:H₂/a-C:H₂); 3) на рабочие

сопряжениях с целью экономии топлива, демонстра-

поверхности обоих образцов нанесено покрытие, не

тивно называют свою работу «Towards superlubricity

содержащее водорода (ta-C/ta-C) (табл. 1).

under boundary lubrication» («К обеспечению сверх-

Иначе говоря, «суперсмазка» или сверхнизкое тре-

высокой смазочной способности при граничной смаз-

ние осуществляется в результате взаимодействия ги-

ке»). Под superlubricity (суперсмазкой) они понима-

дроксильной группы, содержащейся как в молекулах

ют обеспечение коэффициента трения 0.01 и ниже,

глицерина, так и в молекулах МОГ [35, 36]. В заклю-

наблюдаемое ранее лишь для смазывания чистым

чение отметим, что при этих испытаниях износ был

дисульфидом молибдена в ультравысоком вакууме,

столь незначителен, что пятно износа не удалось об-

а также при трении некоторых водородсодержащих

наружить с помощью оптического микроскопа. Путем

АПП. Их эксперименты показали, что при трении

анализа поверхностей трения внутри и снаружи пятен

АПП, не содержащих водорода, в некоторых орга-

износа авторы [36, 37] установили, что низкое тре-

нических жидкостях и при определенных условиях

ние имеет место, во-первых, за счет гидроксилации

испытаний также наблюдаются весьма малые коэф-

атомов углерода на поверхностях контакта (прежде

фициенты трения с практическим отсутствием износа

всего гибридизированных sp²-атомов) в начале сдвига

поверхностей. Так, при сравнительном испытании на

и, во-вторых, за счет водородных связей в процессе

машине Камерон-Плинт при контактном давлении

скольжения. Аналогичную точку зрения на механизм

0.7 ГПа в среде ПАО с присадкой 1 мас% МОГ трех

«суперсмазки» высказали авторы [34], отметив также

одноименных пар трения: сталь/сталь, a-C:H₂/ a-C:H₂

возможность графитизации поверхности покрытия.

и ta-C/ta-C — были получены коэффициенты трения

соответственно 0.15, 0.125 и 0.025. При испытании

Смазка алмазоподобных покрытий

на машине палец-диск (те же контактные давления,

химически активными средами

тот же смазочный материал, скорость скольжения

1 м·с^-1, пара трения — сталь по покрытию) для во-

Сравнение влияния присадок — диметилди-

дородсодержащего покрытия коэффициент трения

тиофосфата цинка и дитиокарбамата молибдена к

составил 0.05, для покрытия ta-C — всего 0.006, т. е.

моторному маслу SW-30SAE на трибологические

наблюдалось явление суперсмазки.

характеристики стали с АПП и без покрытия выпол-

Таблица 1

Коэффициенты трения при испытаниях раствора моноолеата глицерина в полиальфаолефине

(МОГ + ПАО) и чистого глицерина при трении одноименных образцов из термообработанной стали

без покрытия и с покрытиями, содержащими водород (a-C:H₂) и не содержащими водорода (ta-C)

Коэффициент трения при испытании в парах трения

Смазочная среда

сталь/сталь

a-C:H₂/a-C:H₂

ta-C/ta-C

МОГ + ПАО

0.15

0.11

0.03

Глицерин

0.125

0.155

>0.01

Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий...

1505

нено в работе [37]. Известно, что указанные присадки

шей степени при трении этого покрытия по стали

формируют на стали в процессе трения достаточно

(а-С:Н/сталь), а также при трении одноименных

толстую пленку продуктов трибохимического вза-

образцов с покрытием водородсодержащим АПП,

имодействия, способствующую снижению износа.

интеркалированным титаном (Ti-C:H/Ti-C:H), в то

Испытания проводились на установке, реализующей

время как для покрытия, не содержащего водорода

схему трения штифт-диск, причем покрытие нано-

(пара а-С/сталь), интенсивность изнашивания при

силось только на диск. Согласно выводам авторов, на

добавления смеси присадок почти не изменяется.

поверхности стального диска с углеродным покрыти-

Механизм улучшения трибологических характери-

ем не наблюдается образования пленки из элементов

стик авторы [39] видят в образовании in situ в про-

исследуемых присадок, что они объясняли химиче-

цессе трения на поверхности как стальных образцов,

ской инертностью покрытия. В то же время следы

так и образцов, покрытых водородсодержащим АПП

трибопленки фиксировались на стальных образцах,

(включая металлсодержащие), пленки, содержащей

трущихся по диску. Таким образом, инициированное

дисульфид молибдена, хотя механизм взаимодействия

трением взаимодействие присадок происходило толь-

элементов присадок с поверхностью углеродного

ко со стальными образцами без покрытия.

покрытия остается неясным.

Результаты исследования трибологических ха-

Интересно отметить, что при трении стальных об-

рактеристик растворов тех же присадок в ПАО в

разцов в среде смазочных композиций, включающих

качестве базовой жидкости приведены в работе [38].

присадки, близкие по составу к ДТКМ (дитиофос-

Углеродные покрытия (гидрогенизированные) нано-

фаты цинка, молибдена и свинца), на поверхностях

сились на поверхности обоих трущихся элементов.

трения образуются модифицированные слои, включа-

Показано, что обе присадки по отдельности обеспе-

ющие железо лишь в очень ограниченном количестве

чивали более низкие значения коэффициента трения

и состоящие в основном из материала, поставляемого

по сравнению с базовой жидкостью. При этом при

самой присадкой [40]. Так, при 20%-ной концентра-

испытании смеси присадок ДТФЦ и ДТКМ наблю-

ции дитиофосфата Мо в модифицированном слое

дался более низкий коэффициент трения, чем для

содержится 64% молибдена, 5% фосфора, 13% серы

ДТКМ. Рентгеновский анализ показал присутствие

и только 18% железа, а при той же концентрации ди-

MoS₂ и MoO₃ на поверхностях трения как для рас-

тиофосфата Pb этот слой содержал 69% свинца, 5%

твора ДТКМ, так и для смешанного раствора обе-

фосфора, 23% серы и только 3% железа. Для сравне-

их присадок в ПАО. При испытании композиции

ния при испытании противоизносной, серо-фосфор-

ПАО + ДТФЦ на поверхностях трения обнаружено

содержащей присадки модифицированный слой со-

присутствие следов фосфора. Исследования морфо-

держал 38% фосфора, 4% серы и 58% железа. Можно

логии поверхности трения при этих испытаниях на

предположить, что при испытаниях со смешанным

атомно-силовом микроскопе показали, что в отличие

раствором ДТКM + ДТФЦ или только с ДТКМ в три-

от стальных поверхностей трибопленки на углерод-

бологическом контакте образуются продукты трибо-

ных покрытиях несплошные, имеют вид отдельных

химического разложения присадки (в частности, сера

полосок, вытянутых в направлении скольжения.

и молибден), которые высаживаются на поверхностях

Наличие водорода в углеродном покрытии оказывает

углеродных АПП и затем в результате вторичных

существенное влияние на механизм его взаимодей-

реакций непосредственно на поверхности покрытия

ствия со смазкой. Тот же вывод сделали авторы [39],

образуют дисульфид молибдена, обеспечивающий

которые исследовали влияние материала трущихся

антифрикционное и противоизносное действие.

тел на способность смеси дитиофосфата цинка и

В работе [41] машина трения, в которой полусфера

дитиокарбамата молибдена повышать трибологиче-

радиусом 40 мм, изготовленная из чугуна твердо-

ские характеристики ПАО. При контактном давлении

стью 5 ГПа, контактировала с возвратно-поступа-

0.6 ГПа, скорости относительного перемещения тру-

тельно движущейся плоской пластиной, на поверх-

щихся образцов 0.2 м·с^-1 и температуре 100°С они

ность которой нанесено углеродное алмазоподобное

показали, что значительное снижение как коэффици-

покрытие, содержащее 30 ат% водорода. Твердость

ента трения, так и интенсивности изнашивания (до

покрытия 14.5 ГПа, толщина 1.0 мкм с промежуточ-

4 раз) при добавлении в ПАО смеси указанных при-

ным покрытием хрома. Средняя скорость перемеще-

садок наблюдается не только при трении стальных

ния пластины 0.015 м·с^-1 при начальном контактном

образцов без покрытия (что, разумеется, вполне ожи-

давлении 0.6 ГПа. В качестве смазочного материала

даемо), но и при трении одноименных образцов с во-

использовался ПАО с присадками противоизнос-

дородсодержащим АПП (т. е. а-С:Н/а-С:Н) и в мень-

ной — вторичный дитиофосфат цинка и двумя ан-

1506

Левченко В. А. и др.

тифрикционными — дитиокарбамат молибдена и

высокоупорядоченного гомеотропно ориентирован-

его «тример». Применение молибденсодержащих

ного граничного слоя, обеспечивающего трибосо-

присадок обеспечивает образование на поверхностях

пряжению высокие антифрикционные свойства в

трения слоя, содержащего дисульфид молибдена,

достаточно широком температурном интервале. Эти

что обеспечивало снижение коэффициента трения

покрытия также обладают достаточно высокой твер-

и в конечном счете экономию топлива. При смазке

достью (60-90 ГПа), хорошей адгезией к подложке

ПАО + ДТФЦ на поверхности АПП обнаруживаются

и удовлетворительной термической стабильностью.

оксид и сульфид цинка, что обеспечивает увеличение

Трибологическое исследование их способности к

долговечности покрытия. Авторы [41] связывают

образованию прочных граничных слоев проводили

отсутствие в поверхностном слое соединений железа

температурным методом (по Р. М. Матвеевскому)

с особенностью трибохимического разложения ди-

на машине трения шарик-диск при ступенчато по-

тиофосфата цинка и его противоизносного действия

вышаемой температуре (нагрев осуществлялся от

при контакте поверхностей, «богатых углеродом».

внешнего источника тепла), скорости относительно-

Исследование поверхностей с помощью оптической

го перемещения 0.1 мм·с^-1 и нагрузке на узел тре-

и сканирующей электронной микроскопии, рентге-

ния 8 Н. Использовали стандартные шары и диски

новской фотоэлектронной спектроскопии позволило

из закаленной стали ШХ-15, на которые наносили

предположить, что разрушение поверхностей трения

покрытие из монокристаллического углерода тол-

происходит в два этапа: на первом — истончение

щиной порядка 2 мкм. Для сравнения испытывали

пленки АПП вследствие износа «полированием», на

такие же диски без покрытия и диски с покрытием

втором этапе — отслаивание покрытия вследствие

из аморфного углерода. В качестве модельных сма-

понижения его несущей способности при истон-

зочных сред использовали жидкости: вазелиновое

чении.

медицинское масло (ВМ), а также ВМ с присадками

Возможность распространения представленных

жирных кислот — стеариновой (СК) и олеиновой

результатов на другие углеродные АПП (с меньшим

(ОК). Для всех сравниваемых сред минимальные

содержанием водорода или полностью обезводоро-

коэффициенты трения получены при испытании мо-

женные) требует подтверждения.

нокристаллического покрытия: даже ВМ, практиче-

ски не содержащее активных компонентов, показало

достаточно низкие коэффициенты трения (до 0.12)

Влияние структуры алмазоподобных

в интервале температур 20-140°С, а при испытании

покрытий в смазанных узлах трения

ВМ + ОК коэффициент трения снижался от 0.12 до

на коэффициент трения

0.05 при увеличении температуры от 20 до 220°С.

Покрытия-ориентанты. Как известно [21], сма-

Максимальный коэффициент трения в данных экс-

зочное действие граничных слоев адсорбционного

периментах наблюдался при испытании аморфного

происхождения зависит прежде всего от ориентации

покрытия в среде ВМ + ОК в интервале температур

молекул смазочной среды относительно поверхно-

20-120°С; максимальная критическая температу-

стей трения. В настоящее время создание требуемых

ра — 170°С — при испытании монокристаллического

ориентаций достигается путем введения в смазочную

углерода в среде ВМ + СК [42-45].

среду поверхностно-активных присадок, но это не

Характерно, что при трении покрытий-ориентан-

всегда обеспечивает требуемую смазочную способ-

тов в среде инактивного масла коэффициенты трения

ность. Другой путь обеспечения требуемых ориента-

в основном ниже, чем при трении стальных образцов

ций молекул смазочного материала на поверхности

без покрытия в среде того же масла с поверхност-

раздела жидкой и твердой фаз основан на том, что

но-активной присадкой. Инактивное масло с поверх-

твердая поверхность индуцирует в граничный слой

ностно-активными присадками при трении стальных

некоторый потенциал, обеспечивающий необходи-

образцов с монокристаллическим покрытием-ориен-

мую ориентацию молекул на границе раздела фаз.

тантом также обеспечивает большую критическую

На рабочие поверхности трущихся тел методом им-

температуру, чем при трении той же стали без по-

пульсной конденсации углеродной плазмы в соче-

крытия или стали с покрытием аморфного углерода.

тании с облучением ионами аргона предварительно

Эффект повышения смазочной способности ма-

наносят монокристаллические углеродные покрытия,

сел с применением покрытий монокристаллического

имеющие гомеотропно ориентированную двумер-

углерода подтвержден экспериментами на машине

но-упорядоченную линейно-цепочечную структуру,

УМТ-1 в среде масла SAE 30. Испытания прово-

которая обеспечивает образование на поверхности

дились путем трения торцовой стороны втулки из

Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий...

1507

закаленной стали 45, на которую наносились сравни-

ми элементами. Например, в работе [46] изучено

ваемые покрытия из монокристаллического и аморф-

влияние интеркалирования алмазоподобных угле-

ного углерода, по такой же втулке, но без покры-

родных покрытий, не содержащих водорода, такими

тия. Испытания проводили при постоянной осевой

элементами, как Si, Со, Ni, Ce, Ti, на трибологические

нагрузке 110 Н и ступенчатом (продолжительность

характеристики при смазывании как чистым ПАО,

каждой ступени 30 мин) повышении скорости враще-

так и ПАО с добавкой 1% моноолеата глицерина.

ния шпинделя машины до наступления заедания. Для

Показано, что наибольшее снижение коэффициента

образцов без покрытия заедание наступило на 5-й ми-

трения наблюдается для покрытий, интеркалирован-

нуте при 1500 мин^-1, для аморфного покрытия — на

ных кобальтом (f = 0.02), в то время как чистое по-

17-й минуте при 700 мин^-1, для монокристаллическо-

крытие при аналогичных условиях испытания имело

го покрытия — заедание не наблюдалось все 30 мин

коэффициент трения f = 0.10-0.12. Авторы объясняют

испытания при частоте вращения 1500 мин^-1 [42].

снижение трения при интеркалировании покрытия

Использование покрытий монокристаллического

кобальтом взаимодействием последнего с применяе-

углерода позволяет также повысить эффективность

мым смазочным материалом, продукты взаимодей-

обрабатывающего инструмента, работающего в сре-

ствия которого с поверхностями трения образуют

де технологических жидкостей. Так, бесстружечные

в зоне трения нанослои с низким сопротивлением

метчики из стали Р6М5 с нанесенным покрытием из

сдвигу.

монокристаллического углерода при формообразо-

Интересны результаты сравнения эффективности

вании внутренней резьбы в гайках в двух технологи-

при граничной смазке антифрикционного действия

ческих средах — на масляной и на водной основах

углеродных АПП, интеркалированных атомами ря-

оказались работоспособными в более широком интер-

да элементов, и гидрогенизированных углеродных

вале скоростей и обеспечивали меньший крутящий

АПП, не подвергшихся интеркалированию [47].

момент по сравнению с метчиками с традиционным

Исследуемые покрытия наносились на оба трущихся

хромовым покрытием [42-45].

стальных образца. Как видно из данных табл. 2, в

данном случае два варианта гидрогенизированного

углеродного АПП (а-С:Н) обеспечивают меньшее тре-

Повышение эффективности углеродных

ние, чем АПП, интеркалированные атомами титана,

алмазоподобных покрытий путем их

вольфрама или кремния. В качестве смазочной среды

интеркалирования различными элементами

использовали минеральное масло — чистое или со

Несмотря на хорошие трибологические свойства

смесью противозадирной, Extreme-Pressure (ЕР) и

углеродных покрытий, существуют определенные

противоизносной, Anti-Wear (AW) присадок, а также

проблемы в их использовании, связанные как с не-

отдельно с присадкой ЕР.

достаточной адгезией к подложке, так и со смазы-

Авторы [47] утверждают, что при смазывании мас-

ваемостью самих нанесенных покрытий. Одним

лом, содержащим присадки, «чистые» АПП зачастую

из способов улучшения свойств покрытий может

обеспечивают меньшие коэффициенты трения, чем

быть введение в них легирующих компонентов.

интеркалированные различными элементами. По их

Углеродные покрытия представляют собой хорошую

мнению, это объясняется тем, что при трении таких

базу для интеркалирования различными химически-

покрытий в зоне фрикционного контакта образуется

Таблица 2

Установившиеся значения коэффициентов трения стальных образцов без покрытий и с углеродными

покрытиями, как чистыми, так и интеркалированными атомами титана, вольфрама или кремния,

при смазке минеральным маслом и минеральным маслом с присадками (по данным [47])

Коэффициент трения для трущихся материалов и покрытий

Смазочный материал

сталь

a-C:H₁

a-C:H₂

Ti-DLC

W-DLC

Si-DLC

Минеральное масло

0.33

0.18

0.25

0.30

0.31

0.26

Минеральное масло + AW/EP

0.35

0.24

0.26

0.44

0.36

Минеральное масло + ЕР

0.34

0.28

0.30

0.32

0.31

0.32

1508

Левченко В. А. и др.

«третье тело» в виде мягкого аморфного слоя, обе-

сталь-сталь, сталь-АПП и сталь-W-АПП [43] — ми-

спечивающего низкое трения, в то время как между

нимальные износы были получены для пары сталь-

интеркалированными покрытиями такого слоя не

АПП; максимальные — для пары сталь-сталь. Пара

образуется. По-видимому, это объяснение примени-

сталь-W-АПП занимала промежуточное положение,

мо только к конкретным покрытиям и к конкретным

но ближе к паре сталь-сталь. При ранжировании пар

интеркалянтам.

по коэффициенту трения произошла явная инвер-

Отметим также, что при смазывании водой угле-

сия — минимальные коэффициенты трения для всех

родные покрытия, легированные кремнием, обеспе-

масел были получены при трении стали по АПП,

чивают существенно более низкий коэффициент

интеркалированному вольфрамом (0.12-0.15), для

трения (порядка 0.005), что авторы [48] связывают с

пар сталь-АПП и сталь-сталь для большинства масел

образованием граничного слоя, содержащего колло-

несколько выше.

идный кремний.

По мнению автора [11], трибологическое поведе-

От этих результатов заметно отличаются данные,

ние пары трения АПП-АПП мало зависит от смазоч-

полученные в работе Б. Подгорника с соавторами,

ного материала и от типа и концентрации присадки

которые исследовали в режиме граничной смазки

к базовому маслу (исключая сочетание гидрогени-

влияние ПАО как в чистом виде, так и с противоза-

зированный АПП-масло с присадкой ДТКМ, при

дирной (серосодержащей) и противоизносной (фос-

реализации которого в процессе трения на контакти-

форсодержащей) присадками при трении стального

рующих поверхностях образуется дисульфид молиб-

образца по вольфрамсодержащей алмазоподобной

дена, существенно улучшающий трибологические

поверхности [11, 49-51]. Для сравнения приведены

характеристики фрикционного сопряжения). В то же

результаты испытания при смазке трансмиссионным

время для углеродных АПП, легированных вольфра-

маслом типа GL-4 (табл. 3). Минимальные износы

мом, при трении по стали наблюдается частичный

за 8000 циклов нагружения при данных условиях

перенос покрытия на поверхность стали, после чего

испытаний (контактное давление 4 ГПа, скорость

в результате трибохимической реакции выделившей-

относительного перемещения 0.1 м·с^-1) получены

ся при разложении присадки серы с вольфрамом,

для пары трения АПП-сталь. Коэффициенты трения

входящим в состав покрытия, образуется дисульфид

для этой пары минимальны, однако только для обеих

вольфрама, также достаточно эффективный как ан-

модельных композиций.

тифрикционный материал. Влияние концентрации

Заметная разница результатов испытаний для

противоизносной фосфорсодержащей и противо-

одинаковых материалов и одинаковых присадок к

задирной серосодержащей присадок на установив-

исследуемым смазочным композициям в таблицах,

шееся значение коэффициента трения (т. е. после

несомненно, объясняется различием базовых масел

окончания приработки) иллюстрирует табл. 4.

и условий испытаний.

При трении стали по другим металлсодержащим

При испытаниях семи коммерческих масел раз-

АПП тип и концентрация присадки также может ока-

личного назначения и состава для трех пар трения:

зать значительное влияние на результат испытания.

Таблица 3

Коэффициенты трения и суммарный износ образцов из стали и стали с вольфрамсодержащим АПП

(W-DLC) при смазке полиальфаолефином без присадок и с противозадирной (ЕР) и противоизносной (AW)

присадками и маслом типа GL-4

Коэффициент трения

Износ,* 10^-3 мм³

Смазочный

материал

сталь/сталь

АПП/АПП

АПП/сталь

сталь/сталь

АПП/АПП

АПП/сталь

Полиальфаолефины

0.078

0.08

0.72

0.86

0.56

Полиальфаолефины + EP

0.07

0.06

0.05

0.70

0.50

Полиальфаолефины + AW

0.072

0.058

0.051

0.62

0.68

0.53

Масло GL-4 [8]

0.079

0.068

0.07

0.66

0.72

0.57

* Величины износа приведены за 8000 циклов нагружения.

Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий...

1509

Таблица 4

Установившиеся значения коэффициента трения стали по вольфрамсодержащему алмазоподобному

покрытию при смазке полиальфаолефинами без присадок и с противозадирной (ЕР) и противоизносной

(AW) присадками в зависимости от их концентрации (по данным [11])

Условия испытаний: давление 1.5 ГПа, скорость относительного перемещения 0.02 м·с^-1

Коэффициент трения

Концентрация присадки, мас%

присадка противоизносная (AW)

присадка противозадирная (ЕР)

0.130

1.0

0.140

0.090

0.165

0.090

0.175

0.095

Необходимо отметить, что заметный эффект на-

зависимости коэффициента трения в 0.1%-ном рас-

блюдается при интеркалировании упомянутого вы-

творе стеариновой кислоты в том же базовом масле

ше монокристаллического углеродного покрытия-

при нагреве узла трения от внешнего источника тепла

ориентанта азотом [45]. При испытании на машине

в интервале температур 20-180°С. Испытания про-

трения шар-диск (материал образцов — закаленная

водили при трении шара из стали ШХ15 по дискам

шарикоподшипниковая сталь ШХ-15; монокристал-

из хромоникелевой нержавеющей стали 1Х18Н9,

лическое углеродное покрытие толщиной 2 мкм на-

на которые наносили указанные покрытия. Во всем

несено на оба образца) в среде парафинового масла

интервале исследованных температур минимальные

с присадкой 1% олеиновой кислоты при скорости

коэффициенты трения были получены при испыта-

относительного перемещения 0.24 мм и нагрузке на

нии покрытия, интеркалированного азотом, а зави-

узел трения 12 Н покрытие в процессе нанесения

симости коэффициентов трения от температуры для

было интеркалировано ионами азота соответственно

монокристаллического углеродного покрытия и того

от 1 до 5%. Коэффициент трения по мере увеличе-

же покрытия, легированного серебром, практически

ния содержания азота в покрытии линейно снижал-

не различались.

ся от 0.1 при содержании азота 1% до 0.05 при 5%

Таким образом, на основании приведенных дан-

азота. Механизм влияния азота на трибологические

ных трудно однозначно судить, какие элементы явля-

характеристики покрытия монокристаллического

ются оптимальными интеркалятами для углеродных

углерода пока до конца не ясен. Предполагается, что

покрытий. С одной стороны, это прежде всего кар-

он связан с появлением дополнительных адсорбцион-

бидообразующие элементы (вольфрам, кремний), с

ных центров на поверхности покрытия и тем самым

другой — азот. При этом анализируются углеродные

увеличением прочности и уровня упорядоченности

покрытия, имеющие различную структуру и нанесен-

граничного слоя.

ные на различные стали. По-видимому, ответ на этот

В работе [49] исследовалось влияние интеркалиро-

вопрос дадут результаты дальнейших исследований.

вания монокристаллических и поликристаллических

покрытий-ориентантов серебром на их трибологиче-

Заключение

ские характеристики. Оценивали зависимости коэф-

фициентов трения от нагрузки для трения шаров из

Нанесение углеродных алмазоподобных покрытий

стали ШХ-15 по дискам из закаленной стали ШХ-15,

на рабочие поверхности трущихся деталей смазы-

на которые были нанесены монокристаллические

ваемых фрикционных сопряжений (трущихся пар)

углеродные покрытия, легированные соответствен-

обеспечивает этим сопряжениям увеличение про-

но азотом и серебром, при смазывании их 1.0%-ным

должительности функционирования в условиях мас-

раствором олеиновой кислоты в парафиновом масле.

ляного голодания в 2-5 раз; позволяет при меньших

В интервале нагрузок 4-12 Н минимальные коэффи-

значениях числа Герси перейти от граничного режима

циенты трения были получены для покрытия, легиро-

смазки к смешанному режиму, а затем и к более мяг-

ванного азотом, а максимальные (выше, чем для не-

ким, практически без износа контактирующих тел, —

покрытой стали ШХ-15) — для АПП, легированного

эластогидродинамическому и гидродинамическому

серебром. Кроме того, были оценены температурные

режимам смазки.

1510

Левченко В. А. и др.

Углеродные алмазоподобные покрытия снижают

активной серосодержащей присадкой на поверхно-

коэффициент трения и уменьшают износ трущихся

стях трения стали с перенесенным с ответной детали

пар прежде всего в режиме граничной смазки, в

покрытием образуется дисульфид вольфрама, осу-

меньшей степени — в режиме смешанной смазки,

ществляющий эффективное смазочное действие, при-

но практически не влияют на трение и изнашивание

чем увеличение концентрации присадки ведет к уве-

в режиме гидродинамической смазки.

личению толщины образующегося антифрикционного

Структура покрытия, наличие или отсутствие в

слоя и к улучшению (до определенной концентрации,

ней водорода, а также сочетание материалов элемен-

после превышения которой начинается ухудшение)

тов пары трения и смазочной композиции оказывают

эффективности его антифрикционного действия.

существенное влияние на фрикционное поведение

Повышение нагрузки в трибологическом контакте,

покрытий.

как и повышение температуры при трении вольфрам-

Если при трении без смазки наличие водорода

содержащих углеродных АПП, ведет к увеличению

в покрытии [свободного и (или) связанного] спо-

скорости образования антифрикционного слоя (воз-

собствует снижению коэффициента трения, то при

можно, вследствие ускорения образования дисульфи-

трении в режиме граничной смазки влияние водорода

да вольфрама), в то время как увеличение скорости

неоднозначно и зависит от смазочной среды. В боль-

относительного перемещения образцов, наоборот,

шинстве случаев коэффициенты трения для углерод-

замедляет этот процесс.

ных покрытий, не содержащих водород, меньше, чем

Применение алмазоподобных покрытий-ориен-

для водородсодержащих.

тантов монокристаллического углерода является пер-

Пары трения сталь-АПП прирабатываются бы-

спективным в повышении антифрикционных свойств

стрее и более качественно (лучшее выглаживание

масел и расширении температурного диапазона их

поверхностей), чем сопряжения АПП-АПП. Кроме

работоспособности в режиме граничной смазки.

того, детали пары АПП-АПП могут быть сильнее

изношены в процессе более длительной приработки

Финансирование работы

твердых поверхностей.

В парах трения сталь-АПП в начальный период

Работа выполнена при поддержке Российского

изнашивания наблюдается перенос материала покры-

фонда фундаментальных исследований № 18-08-

тия на поверхность стали, что обеспечивает опреде-

00591.

ленное смазочное действие вследствие графитизации

поверхности стали.

Конфликт интересов

Механизм смазочного действия пар трения сталь-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

АПП при трении в химически активных средах свя-

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

зан с образованием на стальных поверхностях хи-

мически модифицированных слоев, имеющих малое

Информация об авторах

сопротивление сдвигу, и переносом этих слоев на

ответную поверхность АПП.

Матвеенко Владимир Николаевич, д.х.н., проф.

Поверхностно-активные среды (например, раство-

МГУ им. М. В. Ломоносова, ORCID: https://orcid.

ры высших жирных кислот, особенно непредельных,

org/0000-0002-6142-5710

например, олеиновой, а также ее производные, мас-

Буяновский Илья Александрович, д.т.н., заведую-

ла растительного происхождения, в состав которых

щий лабораторией ИМАШ РАН, ORCID: https://orcid.

входит большое количество полярных групп, и т. д.)

org/0000-0003-0691-5095

существенно повышают эффективность применения

Большаков Андрей Николаевич, младший науч-

углеродных АПП в узлах трения.

ный сотрудник ИМАШ РАН, ORCID: https://orcid.

При трении одноименных образцов некоторых ги-

org/0000-0003-4222-788X

дрогенизированных углеродных АПП в среде раство-

Левченко Владимир Анатольевич, к.ф-м.н., стар-

ра дитиокарбамата молибдена (более эффективно — в

ший научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносова,

смеси диалкилдитиофосфата цинка и дитиокарбамата

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4443-7813

молибдена) на поверхностях фрикционного контакта

образуется дисульфид молибдена, что обеспечивает

Список литературы

заметный трибологический эффект.

При трении углеродного АПП, легированного

[1] Miyoshi K. New diamond frontier carbon // Technology.

вольфрамом, по стали со смазкой маслом с химически

1999. V. 9. 1999. P. 381-394.

Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий...

1511

[2] Buyanovsky I., Levchenko V., Bolshakov A., Samusen-

[14] Grill A., Patel V. Tribological properties of diamond-

ko V. A molybdenum-containing carbon coating

like carbon and related materials // Diamond and

for tribotechnical use and antifriction properties

Related Mater. 1993. V. 2. P. 597-605.

of oils under boundary lubrication // J. Machinery

https://doi.org/10.1016/0925-9635(93)90190-D

Manufacture and Reliability. 2019. V. 48. N 1. P. 73-

[15] Ferrari A. C. Nondestructive characterization of

78. https://doi.org/10.3103/S105261881901005

carbon films // Tribology of diamond like carbon

[3] Levchenko V. A., Matveenko V. N. Carbon polymer —

films. Fundamentals and applications / Eds C. Donnet,

new promising material for medical application //

A. Erdemir. V. A. New York: Springer, 2006. P. 25-82.

J. Mater. Sci. Eng. A. 2014. V. 3. N 3. P. 133-138.

https://doi.org/10.1007/978-0-387-49891-1_2

https://doi.org/10.4172/2169-0022.S1.014

[16] Fontaine J., Donnet C., Erdemir A. Fundamental

[4] Буяновский И. А., Левченко В. А., Игнатьева З. В.,

phenomena in tribology of DLC: how to reduce

Матвеенко В. Н., Большаков А. Н. Методы повы-

friction and wear // World Tribology Congress 2009.

шения долговечности деталей машин за счет мо-

Kyoto, Japan, September 6-11, 2009. P. 407.

дифицирования их поверхностей. М.: КРАСАНД,

[17] Donnet C., Fontaine J., Grill A., Le Mogne T. The role

2013. С. 294-327.

of hydrogen on the friction mechanism of diamond-

[5] Buyanovskii I. A., Bartko R. V., Levchenko V. A.,

like films // Tribol. Lett. 2001. V. 9. N 3-4. P. 137-

Bol′shakov A. N., Samusenko V. D., Zelenskaya M. N.,

142. https://doi.org/10.1023/A:1018800719806

Matveenko V. N. Wear of the counterbody at the

[18] Erdemir A., Fryilmaz O. On the intrinsic and extrinsic

research friction on carbon coating — orientant in

hydrogen lubrication mechanism of various carbon

lubricant environments // J. Machinery Manufacture

films: an imaging TOF-SIMS study // World tribology

and Reliability. 2018. V. 47. N 3. P. 266-270.

Congress 2009. Kyoto, Japan, September 6-11, 2009.

https://doi.org/10.3103/S1052618818030044

P. 15. B1-121.

[6] Erdemir A., Donnet C. Tribology of diamond-like

[19] Bol′shakov A. N., Buyanovskii I. A., Levchenko V. A.,

carbon films: recent progress and future prospects //

Ignatieva Z. V., Matveenko V. N. Laboratory tribotests

J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V.39. P. 311-327.

of thin carbon coatings in lubricants // J. Inorganic

https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/18/R01

Mater. 2012. V. 48. N 15. P. 1359-1363.

[7] Левченко В. А., Буяновский И. А., Дроздов Ю. Н.

https://doi.org/10.1134/S0020168512140051

Современная трибология: результаты и перспективы

[20] Большаков А. Н., Буяновский И. А., Игнатьева З. В.,

// Современная трибология. Достижения и перспек-

Левченко В. А., Матвеенко В. Н. Лабораторные

трибологические испытания тонких углерод-

тивы / Ред. К. В. Фролов. М.: ЛКИ. 2008. С. 287-292.

ных покрытий в смазочных средах // Завод. лаб.

[8] Семенов А. П. Трибологические свойства и ва-

Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 11. С. 27-31.

куумно-плазменные методы получения алмазных и

[21] Drozdov Yu. N., Buyanovskii I. A., Levchenko V. A.,

алмазоподобных покрытий // Трение и износ. 2009.

Bol′shakov A. N., Sipatrov A. G.,. Zelenskaya M. N.,

Т. 30. № 1. С. 83-102.

Bartko R. V., Matveenko V. N. Hard carbon coatings

[9] Ronkainen H., Varjus S., Holmberg K. Friction and

and boundary lubrication of steel parts // J. Machinery

wear properties in dry, water- and oil-lubricated DLC

Manufacture and Reliability. 2014. V. 43. N 4. P. 298-

against alumina and DLC against steel contacts //

305. https://doi.org/10.3103/S1052618814040049

Wear. 1998. V. 222. P. 120-128.

[22] Левченко В. А., Буяновский И. А., Игнатьева З. В.,

https://doi.org/10.1016/S0043-1648(98)00314-7

Хрущов М. М., Матвеенко В. Н. Исследование

[10] Kalin M., Vizintin J. The tribological performance of

специфики разрушения алмазоподобных покры-

DLC-coated gears lubricated with biodegradable oil

тий при трении // Трение и смазка в машинах и

in various pinion/gear material combinations // Wear.

механизмах. 2013. № 7. С. 43-47.

2005. V. 259. P. 1270-1280.

https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.02.028

[23] Kalin M., Velkavrh I., Vizintin J., Ožbolt L. Review

[11] Podgornik B. Tribological behavior of DLC films in

of boundary lubrication mechanisms of DLC coating

various lubrication regimes // Tribology of diamond-like

used in mechanical applications // Meccanica.

films. Fundamentals and applications / Eds C. Donet,

2008. V. 43. N 6. P. 623-637.

A. Erdemir. New York: Springer, 2008. P. 410-455.

https://doi.org/10.1007/s11012-008-9149-z

https://doi.org/10.1007/978-0-387-49891-1_16

[24] Podgornik B., Hren D., Vizintin J., Jacobson S.,

[12] Дерягин Б. В., Спицын Б. В. Химическая кристал-

Syavlid N., Hogmark S. Combination of DLC coatings

лизация алмаза // Рост кристаллов. Ереван: Ереван.

and EP additives for improved tribological behavior

гос. ун-т, 1977. Т. 12. С. 28-32.

of boundary lubricated surfaces // Wear. 2006. V. 261.

[13] Spitsyn B. V., Bouilov L. L.,. Deryaguin B. V. Vapor

P. 32-40. https://doi.org/10,1016 / j.wear.2005.09.007

growth of diamond on diamond and other surfaces //

[25] Podgornik B., Hogmark S., Sandberg O. Influence

J. Crystal Growth. 1981. V. 52. P. 219-221.

of surface roughness and coating type on galling

1512

Левченко В. А. и др.

properties of coating forming tool steel // Surface

Science + Business Media, LLG, 2008. P. 588-619.

and Coating Technol. 2004. V. 184. P. 338-348.

https://doi.org/10,1007 / 978-0-387-49891-1_23

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.11.002

[37]

Kano M., Yashuda Y., Ye J. The effect of ZDDP and

[26] Podgornik B., Vizintin J., Jacobson S., Hogmark S.

MoDTC additives on friction properties of DLC-

Tribological behavior of WC/C coatings operating

coated and steel cam follower // Lubrication Sci. 2004.

under different lubrication regimes // Surface and

V. 17. N 1. P. 95-103.

Coatings Technol. 2004. V. 177-178. P. 558-565.

https://doi.org/10.1002/ls.3010170108

https://doi.org/10.1016/S0257-8972(03)00927-7

[38]

Topolovec-Miklozsic K. Observing boundary

[27] Jonekura D., Chittenden R. J., Dearley P. A. Wear

lubricating additives at the nanoscale // 3rd Vienna

mechanism of steel roller bearings protected by thin,

Int. Conf. NANOTECHNOLOGY — VIENNANO′09.

hard and low friction coatings // Wear. 2005. V. 259.

March 19-20. 2009. Vienna. P. 41-45.

P. 779-788. https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.12.008

[39]

De Barros-Bouchet M. I., Martin J. M., Le Mogne T.,

[28] Renondeau H., Rapke B.L., Pozedanchuk M.,

Vacher B. Boundary lubrication mechanisms of carbon

Parthasarathy P. Tribological properties os diamond-

coatings by MoDTC and ZDDP additives // Tribology

like carbon coatings in lubricated automotive

Int. 2005. V. 38. P. 257-264.

applications // Proc. Instn. Mech. Eng. J. J. Eng.

https://doi.org/10,1016 / j.triboint.2004.08.009

Tribol. 2009. V. 223. N 3. P. 405-412.

[40]

Uetz H., Khosrawi M. A., Fohl J. Mechanism of

https://doi.org/10.1243/13506501JET548

reaction layer formation in boundary lubrication //

[29] Klaffke D., Santer E., Spaltmann D., Woydt M.

Wear. 1984. V. 100. P. 301-313.

Influence on the tribological behavior of slip-rolling

https://doi.org/10.1016/0043-1648(84)90018-8

DLC coatings // Wear. 2005. V. 259. P. 752-758.

[41]

Haque T., Morina A., Neville A., Kapadia R. Effect

https://doi.org/10,1016 / j.wear.2005.01.008

of additives on the durability on hydrogenated DLC

[30] Заславский Ю. С. Трибология смазочных материа-

coating under boundary lubrication conditions // Wear.

лов. М.: Химия, 1991. C. 221-238.

2009. V. 266. P. 147-157.

[31] Parenago О. Р., Lozovoi Yu. A., Zaimovskaya T. A.,

https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.06.011

Kuzmina G. N. Chemical modification of the friction

[42]

Levchenko V. A., Buyanovsky I. A., Bolshakov A. N.,

surfaces and its evaluation based on the carryover

Zelensky M. N., Ignatieva Z. V., Matveenko V. N.

effect measurements // Tribol. Int. 2000. V. 33. P. 689-

Influence of structure and structure of carbon coatings

695.

on lubricant properties of synthetic oil // Friction and

https://doi.org/10.1016 / S0301-679X(00)00101-8

Wear. 2013. V. 34. N 5. P. 470-474.

[32] Hatsuno K., Hosomi Y. Effect of oiliness agents

https://doi.org/10.3103/S1068366613050048

on lubricity of DLC coating // Japan Soc. Tribol.

[43]

Matveenko V. N., Levchenko V. A., Buyanovskii I. A.,

Tribology online. 2008. V. 3. N 6. 333-336.

Bolshakov A. N., Zakharov K. A. New generation

https://doi.org/10.2474/trol.3.333

superhard carbon coating or a new approach to

[33] Kano M., Yashuda Y., Ye J., Konishi S. Super low

improving oil lubricity // J. Mater. Sci. Eng. A. 2014.

friction property of DLC lubricated with ester-

V. 3. N 3. P. 183-185.

containing oil // Proceedings of WTC2005: World

https://doi.org/10.4172/2169-0022.S1.015

Tribology Congress III. September 12-16, 2005,

[44]

Buyanovskii I. A., Bolshakov A. N., Levchenko V. A.,

Washington, D.C., USA. WTC2005-63920.

Matveenko V. N. Effect of lubricating oils on friction

https://doi.org/10.1115/WTC2005-63920

of steel over ceramics + monocrystalline carbon

[34] Martin J. M., De Barros Bouchet M. I., Le Mogne T.,

composite coating // J. Friction and Wear. 2014. V. 35.

Kano M. Towards superlubrisity under boundary

N 2. P. 129-132.

lubrication // Proceedings of WTC2005: World

https://doi.org/10.3103/S1068366614020032

Tribology Congress III. September 12-16, 2005,

[45]

Levchenko V. A., Buyanovsky I. A., Bolshakov A. N.,

Washington, D.C., USA. WTC2005-63953.

Matveenko V. N. Green tribology: influence of

https://doi.org/10.1115/WTC2005-63953

new DLC coatings-orientants and amorphous on

[35] De Barros Bouchet M. I., Matta C., LeMogne T.,

antifriction properties of lubricants // J. Electrical Eng.

Martin J. M. Superlubrisity mechanism of diamond-

David Publ. Comp., USA, 2014. V. 2. N 1. P. 39-48.

like carbon with glycerol. Coupling of experimental

[46]

Miyaki S., Mitsuyoshi K., Kurosaka W., Saito Y.,

and simulations studies // J. Phys: Conference Ser.

Yasuda Y., Okamoto Y. Boundary lubrication

2007. V. 89. P. 1-14.

characteristic of metal-containing diamond-like

https://doi.org/10.1088/1742-6596/89/1/012003

carbon(DLC) films with polyalphaolefin lubricant

[36] De Barros Bouchet M. I., Martin J. M. New trends in

// Japan Soc. Tribol. Tribol. online. 2008. V. 3. N 5.

boundary lubrication of DLC coatings // Tribology of

P. 310-315. https://doi.org/10.2474/trol.3.310

diamond-like films. Fundamentals and applications

[47]

Kalin V., Vizantin J., Barrega J., Vercammenc K., van

/ Eds C. Donet, A. Erdemir. New York: Springer

Ackerc K., Arnsek A. The effect of doping elements