1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 4, 2019

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 4, стр. 91-99

Влияние состава смазочной среды на структуру поверхностных слоев формирующейся при трении сервовитной пленки

В. Э. Бурлакова 1, Е. Г. Дроган 1, *, А. А. Новикова 1, М. А. Беликова 1

1 Донской государственный технический университет
344000 Ростов-на-Дону, Россия

* E-mail: ekaterina.drogan@gmail.com

Поступила в редакцию 27.03.2018
После доработки 27.06.2018
Принята к публикации 27.06.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучены трибологические характеристики пары трения латунь–сталь в водных растворах карбоновых кислот предельного ряда. Выявлено, что при увеличении длины углевородного радикала в молекуле кислоты, используемой в качестве органического компонента смазочной композиции при трении латуни по стали, снижается коэффициент трения и уменьшается износ. Определено, что в процессе фрикционного взаимодействия на трибосопряженных поверхностях формируется сервовитная пленка. При переходе в ряду одноосновных карбоновых кислот R–COOH (R = СnH2n+ 1, n = 0–5), используемых в качестве смазочной среды, от муравьиной кислоты к капроновой уменьшается шероховатость поверхности пленки и увеличивается ее сплошность. Показано, что сервовитную пленку формируют нанокластеры меди преимущественно эллипсоидальной формы высотой до 40 нм, плотно прилегающие друг к другу и направленные вдоль скольжения контртела.

Ключевые слова: нанокластеры меди, сервовитная пленка, шероховатость поверхности, безызносное трение, избирательный перенос, коэффициент трения, нанотрибология.

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия многочисленные исследования в области машиностроения направлены на изучение процессов трения и изнашивания материалов, а также на возможность управления ими для обеспечения эффективного функционирования машин и механизмов. Особое внимание в процессе фрикционного взаимодействия пары трения уделяется таким факторам, как температура, нагрузка, скорость скольжения, поскольку они оказывают решающее влияние на поведение трибосистемы в целом, а также инициируют трибоэлектрохимические реакции в зоне контакта.

Важно отметить, что уже сейчас внедрены успешные методы контроля износа и снижения коэффициента трения. Однако следует учитывать, что многие из них основаны на формировании защитных пленок на поверхностях трибоконтакта в процессе фрикционного взаимодействия. В связи с этим необходимо рассматривать не только внешние факторы, действующие на систему трения, но и структурные и фазовые превращения, происходящие в поверхностных слоях трения, их морфологию и химический состав.

Таким образом, сопротивление разрушению поверхности вследствие трения и износа может быть повышено путем изменения морфологии поверхности антифрикционных материалов [1–7]. Одним из эффективных подходов снижения силы трения между контактирующими поверхностями, особенно в эпоху развития нанотехнологий и “зеленой” трибологии, является создание текстурированных поверхностей. Ввиду значимости данного подхода как эффективного инструмента для улучшения трибологических характеристик пары трения было бы полезно также учитывать параметры шероховатости поверхности трения [8–10].

Шероховатость поверхности любого антифрикционного металлического покрытия оказывает особое влияние на износ материала в условиях граничной смазки или граничного трения. Кроме того, силы трения в таких системах в основном противодействуют поверхностным силам, таким как адгезия и электростатические силы, которые в значительной степени зависят от геометрии контакта поверхности и ее механических характеристик [11–13].

В связи с этим целью исследования было изучение влияния состава смазочной среды на морфологию и топографию формирующейся в системе “латунь–водный раствор карбоновой кислоты–сталь” сервовитной пленки при избирательном переносе в процессе трения.

МЕТОДИКИ

Трибологические характеристики пары трения латунь–сталь исследовали на машине трения торцевого типа АЕ-5 при осевой нагрузке 98 Н в течение 36000 с. Узел трения представлял собой жестко закрепленный диск из стали 40Х и три подвижных контртела из латуни Л59, расположенных под углом 120° друг относительно друга на окружности диаметром 45 мм. При каждом экспериментальном исследовании площадь трибоконтакта составляла 58.875 мм2. Скорость вращения подвижных образцов 180 об./мин. Перед проведением трибологических испытаний образцы зачищали шлифовальной бумагой, обезжиривали гексаном и высушивали на воздухе при температуре 25°С. Смазочную композицию помещали в рабочую часть машины трения, изготовленную в виде ванны из текстолита, в которую вставляли пару трения из кольцевого стального образца и пальцев из латуни.

Для определения износа пары трения стальной образец и три пальца из латуни взвешивали на аналитических весах ЛВ 210-А с точностью 0.001 г до и после трибологических исследований. Износ определяли по изменению массы всей пары трения.

Для вычисления коэффициента трения в процессе трибологических испытаний непрерывно измеряли окружную силу с помощью датчика силы марки PHYWE Cobra 4 с точностью 2 мН, затем рассчитывали коэффициент трения по формуле [14]:

$f = \frac{{{{F}_{{{\text{п р }}}}}{{l}_{1}}}}{{P{{l}_{2}}}},$
где Fпр – окружная сила [Н]; l1 – расстояние от точки прикрепления пружины датчика силы к рычагу до оси вращения [м]; l2 – расстояние между осью вращения и центрами пальцев [м]; Р – сила прижатия (или осевая нагрузка на пальцы) [Н].

Химические составы образцов стали 40Х и латуни 59 соответствовали ГОСТ 4543-71 и ГОСТ 15527-70, а также подтверждены исследованиями с помощью оптико-эмиссионного анализатора Qantron Magellan (Magellan Q8) фирмы Bruker, позволяющего определить процентное содержание элементов сплавов на основе железа, меди, алюминия с точностью до сотых долей процента (табл. 1). Калибровку установки осуществляли с помощью эталонных образцов различных сталей и бронзы. В качестве органического компонента смазочной композиции использовали одноосновные карбоновые кислоты предельного ряда с общей формулой R–COOH (R = CnH2n+ 1, n = 0–5) c концентрацией 0.1 моль/л.

Таблица 1.  

Элементный состав стали 40Х и латуни 59

Элементный состав стали 40X, мас. %
С Si Mn P S Cr Mo Fe N
0.407 0.255 0.597 <0.001 0.023 1.008 0.029 97.31 <0.001
Ni Al Cu Co Nb Ti W B Sn
0.08 0.026 0.199 0.024 0.0072 <0.001 <0.01 0.00017 0.016
Элементный состав латуни Л59, мас. %
Co Pb Zn P Si Al Ni Cu S
0.020 0.011 41.44 0.049 0.042 0.0065 0.026 58.36 0.014
Sn Mn Cr Fe          
<0.005 <0.01 <0.001 < 0.01          

Для визуализации топографии поверхности и определения размера и формы частиц сервовитной пленки использовали метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) (сканирующий зондовый микроскоп PHYWE Compact). Сканирование проводили в полуконтактном режиме монокристаллическим кремниевым зондом с алюминиевым покрытием.

Особенности морфологии и элементного состава сервовитной пленки исследовали методом растровой электронной микроскопии (микроскоп марки TESCAN MIRA 3 XMU, оснащенный рентгеновским энергодисперсионным микроанализатором AZTECH Advanced Inca Energy 350 с безазотным детектором X-MAX 80). Исследования проводили в режиме вертикального сканирования (тип изображения DEPTH) в условиях высокого вакуума. Содержание элементов определяли с помощью программного обеспечения AZtec 2.1.

Для установления параметров шероховатости сервовитной пленки, 2D и 3D визуализации ее поверхности использовали оптический профилометр ContourGT-K фирмы Bruker, установленный в РЦКП НОЦ “Материалы”11. Все измерения проводили методом вертикальной сканирующей интерферометрии с использованием двух источников света. Скорость сканирования 0.1 мкм/с при повторяемости среднеквадратичного отклонения 0.01 нм. Для объективной оценки шероховатости пленки в соответствии с ГОСТ [15] на базовой длине 800 мкм рассчитывали параметры шероховатости – среднеарифметическое отклонение профиля (Ra).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При изучении трибологического поведения пары трения латунь–сталь в водных растворах одноосновных карбоновых кислот с общей формулой R–COOH (R = СnH2n+ 1, n = 0–5) обнаружено снижение коэффициента трения до 0.007 в ходе эволюции трибосистемы “латунь–водный раствор капроновой кислоты–сталь”, что свидетельствует о ее переходе в режим безызносного трения (табл. 2) с образованием на поверхности защитной антифрикционной сервовитной пленки. Элементный состав сервовитной пленки определен методом энергодисперсионного анализа. Основной фазой является медь, причем ее содержание на поверхности трения увеличивается до 82 мас. % при изменении смазочной среды – последовательном переходе в ряду одноосновных карбоновых кислот: муравьиная–уксусная–пропионовая–масляная–валериановая–капроновая. Помимо меди в состав сервовитной пленки входят в незначительных количествах углерод, цинк, кремний и марганец, являющиеся компонентами материалов пары трения (табл. 1) и переходящие в смазочную среду в результате трибоэлектрохимического взаимодействия латуни и стали (рис. 1), а затем вновь осаждающиеся, но уже на поверхности сервовитной пленки [16]. Необходимо отметить, что сплошность формирующейся пленки также увеличивается, о чем свидетельствует: во-первых, снижение площади поверхности трения стали, не покрытой пленкой меди, при использовании капроновой кислоты вместо муравьиной; во-вторых, снижение содержание железа на поверхности (рис. 1) (до 4.9 мас. % при трении в растворе капроновой кислоты согласно энергодисперсионному спектру сервовитной пленки) и уменьшение ее пористости [14]. Сервовитная пленка плотно и практически полностью покрывает дорожку трения, обеспечивая безызносное трение.

Таблица 2.  

Результаты трибологических испытаний

Смазочная среда – водный раствор кислоты Коэффициент трения, f ± Δ f Износ пары трения, г
Муравьиная H–COOH 0.27 ± 0.021 0.4452
Уксусная CH3COOH 0.25 ± 0.016 0.5418
Пропионовая CH3CH2COOH 0.07 ± 0.018 0.1168
Масляная CH3(CH2)2COOH 0.03 ± 0.02 0.0646
Валериановая CH3(CH2)3COOH 0.009 ± 0.003 0.0252
Капроновая CH3(CH2)4COOH 0.007 ± 0.002 0.0175
Рис. 1.

Энергодисперсионные спектры сервовитных пленок, полученных на поверхности стальных дисков после трения сплава меди по стали в водных растворах кислот: а – масляной; б – валериановой; в – капроновой.

Необходимо подчеркнуть, что определенное влияние на параметры трения как в наномасштабном диапазоне, так и в макрообъеме оказывает шероховатость трущихся поверхностей [17]. Измерение шероховатости сервовитных пленок, образующихся при трении трибосопряжения латунь–сталь в водных растворах карбоновых кислот, проводили с использованием оптической профилометрии (рис. 2).

Рис. 2.

Результаты оптической профилометрии сервовитных пленок, полученных на поверхности стальных образцов после трения в системе “латунь–водный раствор карбоновой кислоты–сталь” при использовании кислоты: а – муравьиной; б – масляной; в – капроновой.

В результате оптического сканирования сервовитных пленок, формирующихся на поверхности стали при трении пары латунь–сталь в различных смазочных средах, обнаружены существенные различия в шероховатости поверхности по сравнению с исходным стальным образцом, которая снижается при формировании сервовитной пленки в водных растворах валериановой и капроновой кислот до Ra = 91 и 69 нм соответственно. Поперечное сечение изношенных поверхностей характеризуется квазипериодической последовательностью минимумов и максимумов, образующих набор параллельных микроканавок вдоль направления скольжения. Можно заметить, что изношенные поверхности диска и пальчиков очень схожи и дополняют друг друга. При относительном движении двух поверхностей в водных растворах кислот формируется сервовитная пленка с множеством неровностей и пор, которые способны захватывать не только смазку, но и имеющиеся в ней частицы износа, образующие, в свою очередь, на поверхности множество царапин (рис. 3). Полученные результаты свидетельствуют об абразивном износе при трении в водных растворах муравьиной и уксусной кислот.

Рис. 3.

2D и 3D визуализация сервовитных пленок, полученных на поверхности стальных образцов после трения в системе “латунь–водный раствор карбоновой кислоты–сталь” при использовании кислоты: а – муравьиной; б – масляной; в – капроновой.

В условиях испытаний в водных растворах валериановой и капроновой кислот изношенные поверхности представляют собой наноканавки, расположенные параллельно направлению скольжения, что свидетельствует об уже значительно меньшем износе [18]. Гауссовский тип топографических функций (рис. 2) указывает на уменьшение разброса неровностей по поверхности (рис. 3) при трении пары латунь–сталь в водном растворе валериановой и капроновой кислот. Кроме того, наноразмерные неровности способствуют уменьшению площади контакта и увеличению гидрофобности поверхности [19], что приводит к уменьшению сил сцепления при трении и снижению коэффициента трения.

Проведение методом АСМ сравнительного анализа поверхности образцов после трения в водных растворах муравьиной и капроновой кислот дает возможность наблюдать модификацию тонкого приповерхностного слоя вследствие массопереноса элементов контактирующих тел. Стальная поверхность после фрикционного взаимодействия трибосопряжения латунь–сталь в водном растворе капроновой кислоты покрыта кластерами меди (рис. 4). Слой, сформированный на поверхности, достаточно плотный, с малым разбросом частиц по размеру. Аналогичные результаты были получены при сканировании поверхности, сформированной при трении в системе “латунь–водный раствор валериановой кислоты–сталь”. Благодаря визуализации стальной поверхности после трения в водном растворе муравьиной кислоты выявлено множество впадин и борозд в виде макроскопических темных полос, соответствующих областям интенсивного фрикционного напряжения с абразивным износом трибопары. Поверхность трения, модифицированная при трении в водном растворе уксусной кислоты, также неструктурированная, с большим количеством неровностей. Характерные темные области в зоне сканирования указывают на неполное покрытие стального диска медными кластерами. На поверхностях фрикционного взаимодействия в виде сервовитных пленок, образовавшихся в водных растворах пропионовой и масляной кислот, наблюдается хаотичное распределение нанокластеров меди (частиц, состоящих из десятков или сотен атомов) с большим разбросом топографической высоты.

Рис. 4.

Данные АСМ для поверхности образца стального диска до (а) и после (б) трения пары латунь–сталь в течение 10 ч в водном растворе капроновой кислоты.

Уменьшение области сканирования поверхности трения (рис. 5) позволяет судить о размерах и форме нанокластеров меди, осаждающихся на поверхности трения. Так, сервовитные пленки, формирующиеся при длительном фрикционном взаимодействии в водных растворах муравьиной и уксусной кислот, характеризуются небольшой однородностью нанокластеров меди с частицами размером до 100 нм. Степень их агрегации велика. В результате поверхность трения формируют неупорядоченные структуры с сильно развитой поверхностью и формой, близкой к сферической, при разбросе топографических высот более 100 нм. В режиме граничного трения увеличение топографических высот трущихся поверхностей приводит к свободному перемещению смазочного материала, что способствует выводу нанокластеров меди, формирующих защитную пленку, из зоны трения в объем смазочной композиции.

Рис. 5.

2D, 3D визуализация и профиль сканирования поверхности сервовитных пленок, полученных на поверхности стальных образцов после трения в системе “латунь–водный раствор кислоты–сталь” при использовании кислоты: а – муравьиной; б – уксусной; в – пропионовой; г – масляной; д – валериановой; е – капроновой.

При трении пары латунь–сталь в водном растворе пропионовой кислоты сервовитную пленку образуют сферические частицы меди с четко выраженными границами. Такая форма частиц затрудняет создание плотной упаковки, в результате между кластерами меди возникают пустоты и неровности. В водном растворе масляной кислоты медную пленку формируют наночастицы смешанного типа – эллипсоидальной и сферической формы. Из рис. 5 видно, что в водных растворах валериановой и капроновой кислот сервовитные пленки формируются только за счет кластеров эллипсоидальной формы, расположенных в направлении трения и плотно прилегающих друг к другу при разбросе топографических высот 40 и 27 нм соответственно. Коэффициент трения резко снижается до значений, характерных для систем, работающих в режиме безызносного трения.

Наблюдаемую тенденцию к модификации поверхности при переходе в ряду одноосновных карбоновых кислот от муравьиной к капроновой можно объяснить тем, что рост тонких пленок является неравновесным процессом. Конечный рельеф поверхности определяется сложным сочетанием таких факторов, как скорость образования нанокластеров меди и скорость их диффузии [20], которая, видимо, увеличивается в случае капроновой кислоты. В водных растворах валериановой и капроновой кислот время, необходимое для образования антифрикционной пленки [21–23], уменьшается, а нанонеровности пленки улавливают и оставляют смазочный материал непосредственно в зоне трения [24]. Кроме того, на формирование антифрикционной пленки и ее рельефа оказывает влияние прикладываемая нормальная нагрузка, уменьшающая зазор между трибосопряженными поверхностями, а также смазочный материал, заключенный между двумя поверхностями. Они инициируют трибоэлектрохимические реакции в зоне трения, характеризующиеся изменениями равновесия трибологической системы и силы взаимодействия [20, 25, 26]. Пленка становится структурированной и способна поддерживать как большие нормальные нагрузки, так и низкое сопротивление сдвигу [27, 28]. Наконец, изменения топографии поверхности сервовитной пленки влияют на износ материалов: чем глаже поверхность трения, тем ниже износ (табл. 1) [29–33]. Сервовитные пленки, формирующиеся при трении в водных растворах валериановой и капроновой кислот, имеют плотную структуру. Количество пор в них минимальное, что приводит к резкому снижению коэффициента трения (табл. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, при трении пары латунь–сталь в водных растворах карбоновых кислот на трибосопряженных поверхностях формируется антифрикционная сервовитная пленка, способствующая резкому снижению коэффициента трения.

Состав смазочной среды оказывает существенное влияние на параметры сервовитной пленки: при использовании капроновой кислоты вместо муравьиной при фрикционном трибосопряжении латунь–сталь шероховатость поверхности трения снижается в 4 раза.

Сервовитную пленку формируют нанокластеры меди преимущественно эллипсоидальной формы высотой до 40 нм, плотно прилегающие друг к другу и направленные вдоль скольжения контртела.

Список литературы

  1. Etsion I. // J. Tribol. 2005. V. 127. № 1. P. 248. doi 10.1115/1.1828070

  2. Etsion I. // Tribol. Lett. 2004. V. 17. № 4. P. 733. doi 10.1007/s11249-004-8081-1

  3. Uehara Y., Wakuda M., Yamauchi Y. et al. // J. Eur. Ceram.Soc. 2004. V. 24. № 2. P. 369. doi 10.1016/S0955-2219(03)00220-6

  4. Бурлакова В.Э., Косогова Ю.П., Дроган Е.Г. // Вестн. Донского гос. тех. ун-та. 2015. Т. 15. № 2(81). С. 41. doi 10.12737/11590

  5. Dziedzic K., Pashechko M., Barszcz M. et al. // Adv. Sci. Tech. Res. J. 2017. V. 11. № 3. P. 253. doi 10.12913/22998624/76583

  6. Vettegren V.I., Ponomarev A.V., Sobolev G.A. et al. // Phys. Solid State. 2018. V. 60. № 1. P. 129. doi 10.1134/S1063783418010286

  7. Бурлакова В.Э., Новикова А.А., Дроган Е.Г. и др. // Вестн. Донского гос. тех. ун-та. 2015. Т. 15. № 4(83). С. 63. doi 10.12737/16067

  8. Sundararajan S., Bhushan B. // J. Appl. Phys. 2000. V. 88. № 8. P. 4825. doi 10.1063/1.1310187

  9. Peña-Parás L., Gao H., Maldonado-Cortés D. et al. // Tribol. Intern. 2018. V. 119. P. 88. doi 10.1016/j.triboint.2017.09.009

  10. Khaemba D.N., Jarnias F., Thiebaut B et al. // J. Phys. D. 2017. V. 50. № 8. P. 085302. doi 10.1088/1361-6463/aa5905

  11. Lu W., Zhang P., Liu X. et al. // Tribol. Intern. 2017. V. 109. P. 367. doi 10.1016/j.triboint.2017.01.001

  12. Wakuda M., Yamauchi Y., Kanzaki S. et al. // Wear. 2003. V. 254. № 3. P. 356. doi 10.1016/S0043-1648(03)00004-8

  13. Бурлакова В.Э., Дроган Е.Г., Тюрин А.И. и др. // Вестн. Донского гос. тех. ун-та. 2018. Т. 18. № 3. С. 280. doi 10.23947/1992-5980-2018-18-3-280-288

  14. Burlakova V.E., Milov A.A., Drogan E.G. et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2018. V. 12. № 6. P. 1108. doi 10.1134/S1027451018050427

  15. Шероховатость поверхности параметры, характеристики и обозначения. ГОСТ 2789-73. Введ. 1975–01–01. М.: Изд-во стандартов, 2006. 8 с.

  16. Бурлакова В.Э. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности. Изд. центр ДГТУ, 2005. 211 с.

  17. Wolff C., Pawelski O., Rasp W. // Proceed. 8th Intern. Conf. on Metal Forming, Krakow, 2000. P. 91.

  18. Gerberich W.W., Mook W.M., Perrey C.R. et al. // J. Mech. Phys. Solids. 2003. V. 51. № 6. P. 979. doi 10.1016/S0022-5096(03)00018-8

  19. Choi C.H., Kim J., Kim C.J. // Proceed. ASME 3rd Integrated Nanosystems Conf. Pasadena, California, USA, 2004. P. 47.

  20. Das D., Singh R.N. // Intern. Mater. Rev. 2007. V. 52. № 1. P. 29. doi 10.1179/174328007X160245

  21. Persson B.N. // Surf. Sci. Rep. 2006. V. 61. № 4. P. 201. doi 10.1016/j.surfrep.2006.04.001

  22. Chang W.R. // Appl. Ergonomics. 2001. V. 32. № 2. P. 173. doi 10.1016/S0003-6870(00)00054-5

  23. Burton Z., Bhushan B. // Ultramicroscopy. 2006. V. 106. № 8. P. 709. doi 10.1016/j.ultramic.2005.10.007

  24. Jonasson M., Wihlborg A., Gunnarsson L. // Intern. J. Machine Tools Manufacture. 1998. V. 38. № 5–6. P. 459. doi 10.1016/S0890-6955(97)00090-4

  25. Israelachvili J., Maeda N., Rosenberg K.J. et al. // J. Mater. Res. 2005. V. 20. № 8. P. 1952. doi 10.1557/JMR.2005.0255

  26. Dhinojwala A. // Mater. Sci. Tech. 2003. V. 19. № 9. P. 1170. doi 10.1179/026708303225004747

  27. Jabbarzadeh A., Harrowell P., Tanner R.I. // Tribol. Intern. 2007. V. 40. № 10. P. 1574. doi 10.1016/j.triboint.2006.11.003

  28. Stevens M.J., Mondello M., Grest G.S. et al. // J. Chem. Phys. 1997. V. 106. № 17. P. 7303. doi 10.1063/1.473692

  29. Keller J., Fridrici V., Kapsa P. et al. // Tribol. Intern. 2009. V. 42. № 6. P. 1011. doi 10.1016/j.triboint.2009.02.008

  30. Дроган Е.Г. // Сб. науч. тр. XIII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых “Перспективы развития фундаментальных наук”. Томск, 2016. С. 148.

  31. Podgornik B., Hogmark S., Sandberg O. // Surf. Coat. Tech. 2004. V. 184. № 2. P. 338. doi 10.1016/j.surfcoat.2003.11.002

  32. Kovalchenko A., Ajayi O., Erdemir A. et al. // Trib. Intern. 2005. V. 38. № 3. P. 219. doi 10.1016/j.triboint.2004.08.004

  33. Persson B.N.J. // Tribol. Lett. 2015. V. 58. № 1. P. 11. doi 10.1007/s11249-015-0498-1

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал