Влияние режимов ионно-плазменного напыления на структуру и свойства износостойких покрытий

 
1.5 Проблема повышения физико-механических и эксплуатационных 
свойств РТИ 
Повышение ресурса РТИ остается востребованной и актуальной пробле-
мой современного материаловедения, благодаря их повсеместному использова-
нию в качестве деталей промышленного и лабораторного оборудования, машин 
и механизмов. Возможное разрешение проблемы заключается в улучшении ос-
новных характеристик, определяющих ресурс РТИ: физических (плотность, ко-
эффициент трения поверхности, электрическая проницаемость, теплопровод-
ность), механических (твердость, прочность, пористость), химических (масло-
бензостойкость, сопротивление воздействию агрессивных сред). При этом на 
эксплуатационные свойства (работоспособность, термостойкость, сопротивле-
ние износу и т.д.) РТИ может оказать влияние изменение как нескольких, так и 
одного из указанных параметров. Сопротивление износу является одним из ос-
новных эксплуатационных параметров РТИ, которой обладает неудовлетвори-
тельными антифрикционными свойствами [2], что обусловливает актуальность 
исследований, направленных на его улучшение. Снижение коэффициента тре-
ния происходит за счет уменьшения адгезионного взаимодействия в паре
резина-металл [137].
Структура и состав поверхностного слоя резин определяет многие 
эксплуатационные характеристики РТИ – фрикционные свойства, износ и 
ресурс работоспособности РТИ. Для развития и совершенствования методик 
нанесения антифрикционных защитных покрытий, чрезвычайно важно 
исследовать связь измеряемых триботехнических параметров [96,97,138], таких 

---

46 
как коэффициент трения, износостойкость, адгезия и др. со структурой и 
составом поверхностного слоя. Использование этих методов в сочетании с 
традиционными для РТИ методами испытаний на устойчивость к истиранию в 
процессе трения, позволяют выявить механизм и характер разрушения 
модифицирующих покрытий, установить связь и закономерности между 
структурой поверхности и ее износостойкостью. К сожалению, в литературе 
этот вопрос остается достаточно мало исследованным.
В последнее время интенсивно развивается тенденция разработки интел-
лектуальных материалов и систем, обладающих способностью тем или иным 
образом реагировать на внешние воздействия [139]. Как показали проведенные 
испытания изделий на основе нано-микроструктурных материалов, в опреде-
ленных условиях эксплуатации они проявляют структурно-адаптивные свой-
ства, способствующие достижению более высокого ресурса машин и агрегатов 
[140]. Развитие и усовершенствование метода ионно-плазменного напыления 
позволяет по иному подойти к проблеме обеспечения несущей способности 
контактных поверхностей изделий, в частности, к формированию топологии 
поверхности и выбору толщины модифицированных слоев изделий. Данное 
направление связано с изучением получения нано-микроструктурных покры-
тий и включает в себя технологию создания поверхностного слоя посредством 
апробированных и новых технологий нанесения покрытий и модифицирования 
поверхностных слоев. 
Таким образом, подводя итог по вышеизложенному, можно сделать сле-
дующее заключение. 
Многие РТИ работают в самых экстремальных условиях эксплуатации, ха-
рактеризующихся повышенными температурами, высокими контактными дав-
лениями, действием активных и агрессивных сред. Эксплуатационные свойства 
готовых РТИ зависят не только от состава (рецептуры) исходной резиновой 
смеси и способа вулканизации, но и от конструктивного исполнения этих изде-
лий – уменьшения площади соприкосновения с агрессивными средами, усилия 

---

47 
и способа затяжки уплотнительных изделий, отсутствия в резинотехническом 
изделии областей с повышенными механическими напряжениями, нанесении 
внешних защитных покрытий и др. В настоящее время продолжается использо-
вание материалов для производства уплотнительных элементов и РТИ, не отве-
чающим современным требованиям по огнестойкости, термостойкости, хладо-
стойкости, озоностойкости, износостойкости, радиационной и электростатиче-
ской защищенности. Трение и износ резин характеризуется неудовлетвори-
тельными антифрикционными свойствами, характеризуются высокими коэф-
фициентами трения, способностью к залипанию, недостаточной износостойко-
стью в узлах трения и герметизации что требует проведения работ по их улуч-
шению.
Модификаторы, придают резинам специфические и дополнительные свой-
ства, такие как морозостойкость, повышенную адгезию к другим материалам, 
улучшение динамических показателей и т.д. При этом введение в состав рези-
новых смесей небольшого количества звеньев другой химический природы 
может привести к существенным изменениям свойств полимерного материала, 
в большинстве случаев сопровождается структурной перестройкой на различ-
ных уровнях структуры полимера и образованием межфазного слоя. Как пока-
зывают литературные данные приводят к изменению свойств, как в сторону 
улучшения эксплуатационных характеристик, так и в сторону их ухудшения. 
Объемное модифицирование требует изменения рецептуры резин, суще-
ственной корректировки технологии их производства. В литературных источ-
никах представлено, что введение нанокомозиции, улучшают эксплуатацион-
ные свойства резин, наблюдается повышенный уровень износостойких и агрес-
сивостойких показателей, но при этом ухудшаются упруго-прочностные свой-
ства по сравнению с исходными резинами и как это происходит при дальней-
шем увеличении содержания модификатора.
Экспериментальные исследования дают различные зависимости силы тре-
ния от скорости скольжения. Причиной этого является высокая чувствитель-

---

48 
ность силы F трения к физико-химическому состоянию поверхностей скольже-
ния, также зависит от наростообразования и шероховатости поверхности, что 
является решающим фактором.
Не менее значимыми для решения тех же проблем являются нанострукту-
рированнные покрытия. Преимуществом модифицирования поверхности явля-
ется возможность обрабатывать уже готовые РТИ без изменения технологии их 
производства. Такой подход позволяет получать качественно иные материа-
лы на основе известных эластомеров с улучшенными физико-химическими и 
эксплуатационными свойствами. Несмотря на малую толщину, покрытия суще-
ственно повышают механические свойства изделий, улучшают триботехниче-
ские свойства, уменьшают трение.
Применение покрытий нашло во многих областях промышленностей: в 
оптике, в электронике, в деревообрабатывающей промышленности. Как пока-
зывают литературные данные, нанесение нано-микроструктурных покрытий на 
металлические и композиционные материалы достаточно широко изучены и 
положительно зарекомендовали себя. Направление исследования по нанесению 
наноструктурных покрытий на эластомеры, в частности на РТИ, молодое и не-
достаточно развитое. Возможность напыления нано-микроструктурных покры-
тий появилась лишь после модернизации установок для ионно-вакуумного 
напыления, позволившей снизить температуру процесса до температур значи-
тельно ниже критических для эластомеров и резко увеличить скорость прове-
дения процесса.
Одним из эффективных методов повышения износостойкости РТИ являет-
ся метод поверхностного плазмохимического модифицирования готовых РТИ с 
целью улучшения их эксплуатационных характеристик. В работах
Пономарева А.Н. и др. было предложено использовать для формирования за-
щитного покрытия на эластомере их плазмообработку в среде газообразных 
фторорганических соединений. Но при этом под действием плазмы газового 
разряда в поверхностных слоях полимерных материалов происходят разнооб-

---

49 
разные химические превращения, сопровождающиеся одновременно измене-
ниями в морфологии поверхности обрабатываемого материала. В процессе 
плазмообработки происходит изменение рельефа поверхности полимерных ма-
териалов, вызванное одновременным протеканием процессов травления поли-
меров и образования покрытий. 
Большое распространение для нанесения нано-микроструктурных покры-
тий получили методы, основанные на вакуумных ионно-плазменных процессах. 
Покрытия характеризуются высокими служебными свойствами, дающие воз-
можность для решения различных технических задач. Полученные такими 
способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на 
материал основы, как правило, минимальное. Анализ литературных источни-
ков, показывает, что размер кристаллитов в покрытиях, полученных по техно-
логиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм. В ближайшее время 
ожидается все более широкое применение вакуумно-плазменных методов при 
формировании металлополимерных материалов, что связано в первую очередь 
с возможностью осаждения наноразмерных частиц металла на поверхность 
матрицы и формирования наноструктурных покрытий, в том числе многослой-
ных и комбинированных, обеспечивающих высокие, а, зачастую, и сверхвысо-
кие служебные характеристики 
На сегодняшний день появилось научное понимание того, как получить 
требуемые свойства материалов и новых РТИ с уникальными свойствами. По-
явились приборы, позволяющие изменить представление о поверхности мате-
риалов, вплоть до структур мезо-, микро- , наноуровня, что позволяет расши-
рить мировозрение и научное понимание, как надо управлять структурами, 
чтобы получить требуемые свойства материалов и изделий. 
Для развития и совершенствования методик нанесения защитных покры-
тий, чрезвычайно важно исследовать связь измеряемых триботехнических па-
раметров, таких как коэффициент трения, износостойкость и др. со структурой 
и составом поверхностного слоя. Наиболее подходящими методами исследова-

---

50 
ния являются атомно-силовая и растровая электронная микроскопия. Исполь-
зование этих методов в сочетании с традиционными для РТИ методами трибо-
технических испытаний на устойчивость к истиранию в процессе трения, упру-
го-прочностные свойства резин, позволяют выявить механизм и характер раз-
рушения модифицирующих покрытий, установить связь и закономерности 
между структурой поверхности и свойствами резин и РТИ. К сожалению, в ли-
тературе этот вопрос остается достаточно мало исследованным. 
Повышение качества несущего слоя возможно в результате:
- формирования покрытия или слоя из высокопрочного, износостойкого 
материала на подложке из материала мишени; 
- изменения химического состава поверхностного слоя основного материа-
ла вследствие его насыщения атомами металла; 
- снижения или регуляризации высотных параметров шероховатости. 
Целью данной работы является установление закономерностей процесса 
формирования металлических покрытий на резиновой подложке методом ион-
но-плазменного напыления, обеспечивающих повышение срока службы рези-
нометаллических трибосистем . 
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 
1. Провести анализ известных методов поверхностного модифицирования 
резин, обеспечивающих повышение
эксплуатационных свойств резиноме-
таллических пар трения. 
2. Разработать режимы нанесения металлических покрытий на резиновую 
подложку методом ионно-плазменного напыления с изучением влияния 
режимов, обеспечивающих наиболее эффективное влияние на структуру и 
свойства покрытий. 
3. Методом рентгеноспектрального микроанализа провести исследование 
влияния материала мишени и режимов напыления на химический состав 
покрытий, формируемых на резиновой подложке
.

---

51 
4. Исследовать микрорельеф покрытий, включая основные параметры ше-
роховатости и размеры структурных элементов формирующихся покрытий, 
используя модульную программу Gwyddion. 
5. Провести испытания образцов резин с покрытием и установить взаимо-
связь между изменениями структуры, химического состава поверхностного 
слоя резины, материалом покрытия и износостойкостью модифицирован-
ной резины. 

---

52