Алмазоподобное антифрикционное покрытие

Полезная модель относится к области машиностроения, и может быть использовано для создания поверхностей трения, в частности, подшипников скольжения и качения. Антифрикционное покрытие содержит алмазоподобную монокристаллическую пленку 1 (Фиг.1), скрепленную с основой 2 посредством подложки 3. В качестве материала основы 2 используется, например, сталь, а в качестве подложки 3, например, нитрид титана. Основа 2 представляет собой, например, обойму или вкладыш подшипника. Пленка 1 имеет монокристаллическую структуру, в которой интеркалированны атомы азота (на рисунке не обозначены). Композиционная структура способна к активному взаимодействию с молекулами граничного слоя смазки 4, что приводит к структурной упорядоченности и формированию гомеотропно ориентированного эпитропно-жидкокристаллического слоя смазки.

Область техники

Полезная модель относится к области машиностроения, и может быть использована для создания поверхностей трения, в частности, подшипников скольжения и качения.

Предшествующий уровень техники

Известно, что проблема увеличения износостойкости и уменьшения коэффициента трения является одной из наиболее актуальных задач в машиностроении. Указанная проблема решается путем различной (конструкционной или технологической) модификации трущихся поверхностей.

Известна конструкция вкладыша подшипника скольжения, состоящая из стальной подложки, на которую методами центробежного или кокильного литья наносится слой оловяннисто-свинцовистой бронзы или баббита (ОСТ 24.067.40-84). Вкладыш коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей. А.В.Вентцель. Прогрессивная технология изготовления вкладышей подшипников (ЛДНТП Л. 1967)

Известен, способ получения поверхности трения (А.св. СССР N 1684549), заключающийся в создании на металлической поверхности регулярно расположенных углублений и внесения в них твердосмазочного материала вакуумным ионно-плазменным методом, при котором после нанесения твердосмазочного материала последний подвергают пластическому деформированию до перехода в пластическое состояние и до ориентации кристаллитов твердосмазочного материала базисными плоскостями скольжения параллельно поверхности трения.

Известен также способ формирования антифрикционной поверхности трения в парах трения (патент РФ N2093718), при котором на поверхности трения выполняют канавки глубиной 0,1-1000 мкм, при этом канавки заполняют антифрикционным материалом, содержащим интерметаллиды цветных металлов, армированные ультрамелкодисперсными алмазами.

Известен также способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенных стальных вкладышах опор скольжения (патент РФ N2076960), включающий нанесение смеси порошков и термического соединения смеси порошков с поверхностью вкладыша методом послойного газотермического напыления с последующей электроконтактной обработкой роликом слоев напыляемого металла.

Известно покрытие на основе алмазоподобного материала с аморфной структурой, который содержит включения алмазной фазы и представляет собой чистый углерод (заявка РФ N96110601).

Известно также многослойное износостойкое покрытие (патент РФ N2061090) с высокой адгезией между основным материалом и покрытием, причем, перед нанесением слоев покрытия дополнительно наносят металлический подслой из циркония.

Известен также подшипник скольжения на основе углерода (патент РФ N2006706), содержащий цилиндрическую втулку, закрепленную в опорном кольце, причем, одна из сопрягаемых деталей выполнена металлической, а опорное кольцо выполнено из углеродного композиционного материала с наполнителем в виде прошитого углеродной нитью пакета углеродной ткани.

Известен также подшипник качения (заявка РФ N2000109596), содержащий внутреннее и наружное кольцо и тела качения, при этом на тела качения и/или на дорожку качения нанесено покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом, содержащее чередующиеся слои.

Известен подшипник скольжения (Европатент ЕР N1070207), содержащий слой из серебра или серебряного сплава и покрытие, выполненное порошковой формовкой из спеченного карбида кремния и содержащее кристаллический графитовый слой на поверхности и слой из алмазных частиц.

Известен также способ формирования антифрикционных и противоизносных покрытий на трущихся поверхностях элементов пар трения (патент РФ N2139456), включающий нанесение слоя эпилама из растворов на основе перфторполиоксиалкиленкарбоновых кислот, при котором на трущиеся поверхности элементов пар трения наносят стекловидную пленку двуокиси кремния.

Известно также антифрикционное покрытие (патент РФ N2057973), содержащее стальное основание с нанесенным на него антифрикционным слоем из порошка бронзы методом плазменного напыления.

Известен роликовый подшипник (патент США N6234679), в котором одна из обойм или ролики снабжены поверхностным покрытием, содержащим наружный углеродный азотированный слой и подложку, расположенную между наружным слоем и основанием. Подложка содержит нитрид бора

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является антифрикционное покрытие, содержащее пленку, скрепленную с основой и взаимодействующую со смазкой, отличающееся тем, что пленка выполнена с монокристаллической структурой, в которой расположены адсорбционные центры, при этом адсорбционные центры связаны с химическими группами элементов, взаимодействующих, как между собой, так и с молекулами смазки, что приводит к структурной упорядоченности и формированию энитропного жидкокристаллического слоя смазки (прототип Патент РФ №2230238).

Недостатками известных покрытий являются:

- недостаточно высокая износостойкость;

- высокие коэффициенты трения;

- недостаточная задиростойкость;

Раскрытие полезной модели

Целью полезной модели является повышение износостойкости и задиростойкости покрытия.

Указанная цель достигается тем, что в алмазоподобном антифрикционном покрытии, представляющем собой монокристаллическую пленку, пленка выполнена из углерода с интеркалированными в него атомами азота.

Указанная цель достигается также тем, что структура пленки формирует гомеотропный тип ориентации эпитропного жидкокристаллического граничного слоя смазки.

Указанная цель достигается также тем, что граничная смазка представляет собой высокоупорядоченную углеводородную композицию.

Указанная цель достигается также тем, что пленка скреплена с основой.

Указанная цель достигается также тем, что пленка скреплена с основой посредством подложки, расположенной между основой и пленкой.

Краткое описание фигур чертежей

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 показано антифрикционное покрытие, взаимодействующее со смазкой.

Антифрикционное покрытие содержит алмазоподобную монокристаллическую пленку 1 (Фиг.1), скрепленную с основой 2 посредством подложки 3. В качестве материала основы 2 используется, например, сталь, а в качестве подложки 3, например, нитрид титана. Основа 2 представляет собой, например, обойму или вкладыш подшипника. Пленка 1 имеет монокристаллическую структуру, в которой интеркалированны атомы азота (на рисунке не обозначены). Композиционная структура способна к активному взаимодействию с молекулами граничного слоя смазки 4, что приводит к структурной упорядоченности и формированию гомеотропно ориентированного эпитропно-жидкокристаллического (ЭЖК) слоя смазки. В качестве смазки используют, например, вазелиновое масло + 0,1% стеариновой или 1% олеиновой кислоты.

Антифрикционное покрытие содержит также монокристаллическую пленку 1 (Фиг.2), скрепленную напрямую с основой 2. В качестве материала основы 2 используется, например, кремнийорганический полимер.

Варианты осуществления полезной модели

Одной из актуальных задач трибологии является обеспечение заданной величины коэффициента трения в трибосопряжениях - от минимально возможного в подшипниках (для уменьшения энергетических затрат) до достаточно высокого и устойчивого для вариаторов, фрикционных муфт и т.д.

Модификация поверхностных слоев контактирующих деталей с помощью высоких технологий инженерии поверхности, в частности, нанотехнологии, может рассматриваться в качестве одного из перспективных путей решения этой задачи. Действительно, современные нанотехнологий позволяют формировать покрытия с уникальным сочетанием свойств, принципиально отличающихся от материалов, обработанных традиционными методами. В таблице 1 приведены некоторые методы получения наноматериалов.

Одним из эффективных методов модификации поверхности является нанесение покрытий (покрытий-ориентантов), обеспечивающих необходимую гомеотропную ориентацию и структурную упорядоченность (ЭЖК-структуру) граничного слоя смазки, и, соответственно, повышение смазочной способности масел, так как структура пленки поверхности ориентатнта 1 (Фиг.1) создает себе подобную молекулярную структуру в граничном слое смазки 4.

Для обеспечения высокой структурной упорядоченности ЭЖК граничного слоя смазки создано антифрикционное пленочное углеродное покрытие-ориентант, имеющее монокристаллическую структуру. Пленку 1 (Фиг.1) получают, например, методом импульсной конденсации углеродной плазмы в сочетании с дополнительным облучением ионами Аr или методом нанотехнологической молекулярной сборки и скрепляют с подложкой 3, которая нанесена на основу 2. Пленка 1 имеет хорошую адгезию и может быть нанесена на различного типа подложки (металлы, диэлектрики, керамика и др.). При работе машин и механизмов в режиме граничного трения между трущимися парами с покрытиями-ориентантами формируются молекулярные эпитропные жидкокристаллические слои в граничных слоях молекул смазки 4, нормально ориентированные к поверхности трения. Межмолекулярное анизотропное ввзаимодействие происходит как между поверхностью пленки 1 с молекулами смазки 4, так и молекул смазки 4 в самом смазочном материале. У предлагаемого антифрикционного покрытия образуется структурно-упорядоченный ЭЖК слой смазки у трущихся поверхностей. Взаимодействие с поверхностью пленки 1 приводит к большей температурной стабильности гомеотропной структуры ЭЖК слоя смазки, за счет повышения толщины и степени структурной упорядоченности граничного слоя смазки. Ортогональная ориентация молекул смазки 4 в граничном слое смазки способствует обеспечению несущей способности смазочного слоя, снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания.

Антифрикционное покрытие изготавливается также прямым нанесением монокристаллической углеродной пленки 1 (Фиг.2) на основу 2, например, кремнийорганический полимер. Пленка 1 может интеркаллироваться атомами азота (N).

Совместное действие покрытий на обеих контактирующих поверхностях приводит к увеличению толщины граничных слоев эпитропной жидкокристаллической системы и повышению степени ориентационной упорядоченности в ней.

Были исследованы трибологические свойства монокристаллических углеродных покрытий. Экспериментально подтверждено, что легирование азотом покрытий на стальных образцах обеспечивает повышение их антифрикционных свойств при различных контактных нагрузках как при трении без смазочного материала, так и в модельных смазочных средах. Для сравнения приведены данные испытаний стальных образцов без покрытия и стальных образцов с углеродными покрытиями.

При интеркалировании углеродных покрытий азотом атомами азота на поверхности образуются дополнительные адсорбционные центры. Наличие подобных центров также может оказывать влияние на уровень ориентации молекул смазочного материала в граничном смазочном слое.

Исследование влияния легирования азотом углеродных покрытий на их антифрикционные свойства при трении без смазочного материала и в модельных смазочных средах проводили на машине трения ДС-3, реализующей трение неподвижного шарика диаметром 12,7 мм по вращающемуся с частотой 0,33 мин^-1 диску диаметром 60 мм, установленному на вертикальном валу в масляной ванне.

Нагружение узла трения производили грузами, устанавливаемыми на рычаге непосредственно над держателем шарика. Нагрузки варьировали в интервале 0,4-12,4 Н. Продолжительность испытания при каждой нагрузке - 30 с. В процессе испытания регистрировали момент трения.

Шарики и диски изготавливались из шарикоподшипниковой стали ШХ-15 (0,98% С; 1,57% Cr; Fe - остальное), закаленной и отпущенной до твердости 6,8-7,2 ГПа. Рабочие поверхности дисков шлифовали и полировали до значения параметра шероховатости R _a=0,07-0,09 мкм. На поверхности дисков наносили углеродные покрытия толщиной 3 мкм со структурой двух типов: аморфной и монокристаллической. Покрытия с монокристаллической структурой были легированы азотом в концентрации от 1 до 7%.

Аморфные углеродные покрытия получены при импульсной конденсации (т=400 мкс, =3 Гц) углеродной плазмы (=10¹³ см^-3, степень ионизации 95%). Монокристаллические пленки двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода также получены методом импульсной конденсации углеродной плазмы, но в отличие от аморфных - в среде азота с дополнительным облучением ионами Ar⁺ . Твердость углеродных пленок, измеренная пирамидой Викерса методом наноиндентирования, составляла 60-70 ГПа. Оба типа углеродных покрытий имеют хорошую адгезию к подложке; случаев отслаивания не наблюдалось.

В качестве смазочных материалов при экспериментах использовали модельные среды: инактивное масло вазелиновое медицинское (плотность - 0,873 г/см³; средняя молекулярная масса - 430; вязкость при 200 С - 140 мм² /c; кислотное число - 0 КОН на 1 г) и это же инактивное масло с поверхностно-активными присадками: олеиновой кислотой (концентрация 1%) и стеариновой кислотой (концентрация 0,1%).

Результаты выполненных экспериментальных исследований подтвердили данные о том, что монокристаллические углеродные покрытия обеспечивают снижение коэффициента трения стальных образцов как по сравнению с аналогичными образцами без покрытия, так и со стальными образцами с аморфным углеродным покрытием. Эта закономерность имеет место для условий трения при смазке инактивным маслом, а также при смазке инактивным маслом с поверхностно-активными присадками в рассматриваемом интервале нагрузок.

Доказано, что легирование монокристаллического углеродного покрытия атомами азота обеспечивает заметное снижение коэффициента трения для условий смазывания модельными композициями и для условий трения без смазочного материала. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что механизм снижения трения при испытаниях со смазкой в диапазоне исследуемых нагрузок связан в основном с тем, что при легировании азотом углеродных покрытий сохраняется и даже усиливается ориентационный эффект монокристаллических покрытий на молекулы граничного слоя Механизм снижения коэффициента трения при увеличении содержания азота в покрытии при трении без смазки может быть объяснен тем, что в процессе испытаний возможна частичная графитизация монокристаллического углерода. Этот процесс связан с тем, что азот присутствует на поверхности углеродного покрытия, главным образом, в виде групп типа C-N-0H, что может способствовать трибопревращениям sp ¹ - связей, характерных для линейно-цепочечного углерода, в sp² - связи, характерные для графита. Указанные превращения могут вызывать снижение трения за счет за счет характерного для графита эффекта самосмазывания.Выполненные исследования позволяют сделать вывод, что легирование монокристаллических углеродных покрытий атомами азота усиливает ориентационный эффект покрытия и способствует дальнейшему повышению смазочной способности масел.

Под граничным слоем смазки понимается слой молекул смазки 4, который находится в режиме граничного трения и способен к структурной ориентации и формированию упорядоченного ЭЖК слоя. В качестве материала покрытия могут использоваться пленки с монокристаллической структурой с пористостью не выше 6 ангстрем.

В качестве основы могут использоваться, например, сталь и другие конструкционные материалы.

Промышленная применимость

При анализе технического решения на соответствие критерию «новизна» выявлено, что часть признаков заявленной совокупности является новой, следовательно, полезная модель соответствует критерию «новизна».

Кроме того, посредством предлагаемого устройства достигнут результат, удовлетворяющий давно существующим потребностям (снижение трения, повышение эксплуатационных характеристик - повышение износостойкости, задиростойкости и т.п.).

Техническое решение может использоваться в машиностроении, может быть тиражировано и, следовательно, соответствует критерию «промышленная применимость».

Достоинства заявляемого технического решения заключаются в создании оптимальных микроструктур, наилучшим образом удовлетворяющих условиям работы антифрикционных покрытий и позволяющая им достигнуть высоких триботехнических параметров.

Предложенное покрытие имеет следующие преимущества:

- Увеличивается износостойкость и задиростойкость;

- Уменьшается коэффициент трения;

Заявляемое техническое решение можно использовать также в приборостроении, в медицине, а также в тех областях техники, где имеет место граничное трение.

1. Алмазолодобное антифрикционное покрытие представляет собой монокристаллическую пленку, отличающееся тем, что пленка выполнена из углерода с интеркалированными в него атомами азота.

2. Антифрикционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что структура пленки формирует гомеотропный тип ориентации эпитропного жидкокристаллического граничного слоя смазки.

3. Антифрикционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что граничная смазка представляет собой структурно упорядоченную углеводородную композицию.

4. Антифрикционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что интеркалированные атомы азота расположены на поверхности и/или в объеме пленки.

5. Антифрикционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что пленка скреплена с основой.

6. Антифрикционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что пленка скреплена с основой посредством подложки, расположенной между основой и пленкой.