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

среднее 0,17 
0,62 
0,43 
0,47 
0,43 
среднее 0,49 
173 
0,17 
0,12 
0,12 
среднее 0,14 
0,32 
0,37 
0,38 
среднее 0,36 
125 
38 
0,13 
0,27 
среднее 0,20 
0,51 
0,51 
среднее 0,51 
173 
0,25 
0,39 
150 
38 
0,12 
0,45 
173 
0,48 
0,30 
среднее 0,39 
0,49 
0,55 
среднее 0,52 
Таблица 4.5 - Усредненные значения истираемости и коэффициента трения
Наименование показателя 
Толщина по-
крытия, нм 
Мощность напыления, Вт 
100 
125 
150 
α- истираемость резины, 
см3/кВ · ч 
38 
0,17 
0,20 
0,12 
173 
0,14 
0,25 
0,39 
μ- коэффициент трения
38 
0,49 
0,51 
0,45 
173 
0,36 
0,33 
0,52 
Рис. 4.4 Диаграмма истираемости и коэффициента по стали с мощностью
напыления 100, 125 и 150 Вт 

---

131 
При толщине 173 нм наблюдается обратный эффект: с увеличением мощ-
ности напыления получили увеличение α- истираемости с 0,14 до 0,39 см3/кВ · 
ч, μ- коэффициент трения – с 0,36 до 0,52. Поэтому необходимо найти точку 
положительного влияния при определенной величине мощности напыления и 
данной толщины покрытия. 
Значения шероховатости, кроме толщины 38 нм (п. 3.2.1.3 таблица 3.7),
с увеличением толщины покрытия были снижены по сравнению с параметрами 
исходной резины. Наилучшие результаты по истиранию и коэффициенту тре-
ния в трибосистеме «металл-резина» были получены при испытании образцов
с толщиной покрытия 173 нм, где отчетливо наблюдается образование кла-
стерных образований размером от несколько сотен до тысяч нанометров 
(рис. 3.8, 3.9). Наличие в структуре кластеров позволяет локализовать схваты-
вание на малых участках поверхности, избежать заедания, снизить интенсив-
ность изнашивания, что было доказано после проведения ряда испытаний на 
износостойкость [154, 155]. Образованное покрытие на поверхности резины яв-
ляется переходным звеном между отдельными атомами и твердым телом, уже 
обладает новыми физическими свойствами, порой существенно отличающими-
ся от свойств, присущих твердому телу.
Успехи в улучшении характеристик изделий связаны с использованием 
различных наноструктурных материалов, так и с особенностью механизмов на-
но- микроструктурных изменений на поверхности резины (например, в зоне 
трения). На следующем этапе работы проведено изучение влияния материалов 
тугоплавких металлов молибдена, тантала и вольфрама по металлической по-
верхности конструкционной стали 11КП. Результаты испытаний представлены 
в таблице 4.6 и на диаграмме (рис. 4.5) при оптимальных температурах напы-
ления 80 и 90 °С.

---

132 
Таблица 4.6 - Истираемость и коэффициент трения исходной резины и мо-
дифицированных молибденом, танталом и вольфрамом
образцы 
исходный 
и модифици-
рованные при 
температуре 
Результаты испытаний,
материал модификатора 
α- истираемость 
резины, см3/кВ·ч 
μ- коэффициент трения 
Мо 
W 
Та 
Мо 
W 
Та 
Исходный 
0,56 
0,56 
0,56 
0,86 
0,86 
0,86 
80 ºС 
0,20 
0,28 
0,32 
0,62 
0,51 
0,50 
90 ºС 
0,16 
0,47 
0,45 
0,50 
0,55 
0,43 
Рисунок 4.5 - Диаграмма по показателям истираемость и коэффициент трения ис-
ходной и модифицированных образцов по стали 
По результатам испытаний исходной и модифицированной резины до-
стигнуто снижение по металлическому диску: α - истираемость в 2,8-3,5 раза 
для образцов, модифицированных металлом Мо, в 1,2-2,0 раза – металлом W и 
Та; µ - коэффициент трения для всех образцов снизился в 1,4-2,0 раза по срав-
нению с исходной резиной. При этом по данным показателям наилучшие ре-
зультаты получены при испытании с покрытием из молибдена, в то время как,
результаты для резин при использовании в качестве модификаторов
 
Та и W 
наблюдали практически на одном уровне. 
Как следует из таблицы 3.8, значения Ra, Rt и Rv поверхности исходной 
резины находятся выше значений поверхности, покрытой металлами вольфра-
ма и тантала, в несколько раз. Значения Ra, Rt и Rv для исходной резины и с 
пленкой молибдена находятся практически на одном уровне. Сопоставляя дан-

---

133 
ные шероховатости с результатами по истиранию и коэффициенту трения, 
можно обнаружить, что для образцов с покрытием Мо наблюдаются наиболь-
шее снижение истираемости, но самый высокий коэффициент трения. При 
толщине 38 нм металлическая покрытие дублирует поверхность исходной ре-
зины, увеличивая параметры шероховатости за счет нанесения слоя металла, 
поэтому при этой толщине значение коэффициента трения существенно не из-
менилось. Более значимое влияние структуры молибденового покрытия сказы-
вается при увеличении толщины покрытия, что и наблюдали при испытании на 
износостойкость при различной толщине слоя данного металла. Значения пока-
зателей истираемости и коэффициента трения для W и Та находятся на одном 
уровне, как и результаты по шероховатости. Снижение параметров шерохова-
тости, очевидно, являются причиной улучшения триботехнических свойств, что 
доказывает непосредственное влияние при испытании на износостойкость ре-
зин.
Анализируя результаты проведенных испытаний на износостойкость, 
можно предположить, что при взаимном перемещении контактирующих плос-
ких или цилиндрических поверхностей, имеющих микронеровности (шерохо-
ватость), в первоначальный момент происходит срез, отламывание и пластиче-
ский сдвиг вершин неровностей, так как их контакт происходит по вершинам 
неровностей. При выборе антифрикционных материалов следует учитывать, 
что к понижению коэффициента трения приводит, главным образом, уменьше-
ние адгезии полимер-металл. Модифицирование поверхности трения не изме-
нили ее объемных и конструктивных свойств, но сильно уменьшили адгезию, 
как и показано в работе [46,75,91]. В соответствии с современными теориями 
считают, что адгезия при данных скоростях и температурах обусловлена тер-
моактивированными молекулярными скачкообразными процессами. В отличие 
от твердого тела эластомер состоит из легко деформируемых молекулярных 
цепей, находящихся в непрерывном тепловом движении. При скольжении эла-
стомера по твердой опоре отдельные цепи поверхностного слоя взаимодей-
ствуют с молекулами подложки, образуя локальные связи. Во время скольже-

---

134 
ния происходит растяжение этих связей, разрыв и релаксация, затем образова-
ние новых связей. При этом молекулярные цепи совершают перескок в свое 
новое равновесное состояние. Диссипативный скачкообразный процесс на мо-
лекулярном уровне ответственней за адгезию. 
Во время начального износа, протекающего в период приработки, проис-
ходит изменение размеров и формы неровностей. На данном этапе имеет место 
износ посредством скатывания, 
при этом высота неровностей уменьшается или 
увеличивается до некоторого оптимального значения, различного для разных 
условий трения. 
При дальнейшей работе в условиях сухого трения можно 
предположить, что происходит изменение механизма износа на усталостный. 
Усталостный износ в этом случае, является наименее интенсивным среди дру-
гих известных механизмов износа резин, осуществляется при относительно не-
большой силе трения между резиной и истирающим телом и сравнительно не-
высоких контактных напряжениях на неровностях твердой шероховатой по-
верхности. Усталостное разрушение поверхностного слоя резины происходит в 
результате многократно повторяющихся деформаций сжатия, растяжения и 
сдвига, обусловленных взаимодействием резины с поверхностью твердого
тела [161,162]. Интенсивность разрушения поверхности в процессе трения и 
износ поверхностных слоев в этих условиях резко замедляется, что, в конечном 
счете, увеличивает срок службы изделия. Это обусловлено физико-
механическими свойствами модифицирующего покрытия. Это может служить 
обоснованием выбора наноструктурного покрытия на основе тугоплавкого ме-
талла Мо при толщине, равной 173 нм, применительно к узлам трения, работа-
ющим в условиях сухого трения.