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

Глава IV Эксплуатационные свойства резин, поверхностно модифи-
цированных тугоплавкими металлами 
В качестве объекта исследования использовали серийную резину на ос-
нове комбинации каучуков 70 масс. ч. полихлоропренового каучука Денка РS-
40А или Байпрен 611 и 30 масс. ч. БНКС-28 АМН (далее исходная); в качестве 
модификаторов поверхности резин – тугоплавкие металлы: молибден, воль-
фрам и тантал, обоснование выбора данных металлов описаны во втором и
в третьем разделах. 
 
4.1 Экспериментальные исследования влияния поверхностного мо-
дифицирования на триботехнические свойства образцов резины 
Применение эластомеров обуславливает наличие высокого трения в со-
пряжении, скручивание и неравномерный износ эластомера, дискретный кон-
такт элементов узла, что приводит к задирам, а в итоге, к выходу из строя узлов 
трения. Современная наука и техника предъявляют к эксплуатационным свой-
ствам РТИ повышенные и качественно новые требования, возрастает необхо-
димость создания изделий с новыми и улучшенными характеристиками. Не ме-
няя технологии изготовления готовых изделий и закладывая традиционные ма-
териалы, возможно обеспечить специальные свойства поверхности резины 
сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев покрытий ме-
таллов, т.е. направленное регулирование свойств покрытий, которые зависят
не только от их состава, но и от их структуры [125]. Как было показано в пара-
графе III при поверхностной модификации резин методом ионно-плазменного 
напыления модификатор проникает только в приповерхностный слой, где рав-
номерно распределяясь, создает эффективный защитный слой, предотвращаю-
щий различного рода процессы износа и деструкции. При этом воздействие по-
крытия не ограничивается толщиной слоя модификатора, а оказывает влияние 
на изменения свойств, так как ионы металла проникают (диффундируют)
в толщу резины на несколько микрометров. 

---

125 
Исследование исходной и модифицированной резины по показателям
истираемость и коэффициент трения осуществляли в соответствии с ГОСТ 426-
77 [5], сущность метода которого заключается в истирании образцов, прижатых 
к металлической поверхности вращающегося с постоянной скоростью диска, 
при постоянной нормальной силе и определения сопротивления истиранию и 
коэффициента трения. В таблице 4.1 представлены основные параметры экспе-
римента.
Таблица 4.1 - Параметры эксперимента по показателям истираемость и 
коэффициент трения 
Наименование 
(характеристика) 
По ГОСТ 426-77 
Наш эксперимент 
Образцы 
Резиновые образцы-ириски 
Материал, исти-
рающий резину 
Шлифовальная шкурка, 
прикрепленная к вращаю-
щемуся диску 
- Металлический диск -сталь 
конструкционная 11КП 
- Покрытие полимерная - 
фторопласт-4 
Время испытания 
300 с (5 мин) 
7200 с (120 мин) 
Число оборотов 
200 
5000 
Плотность резины 
От 1,31 до 1,32 г/см
3 
Нормальная сила 
2,6 кг (25,5 Н) 
Проведение эксперимента. Закрепили шлифовальную шкурку на диске 
прибора для притирки образцов. Поместили два образца в рамки – держателя и 
приложили к ним нормальную силу, равную 2,6 кг для притирки резины до по-
явления износа на всей поверхности их контакта. Закрепили образцы в рамках 
– держателях в том же положении что и при притирке и приложили нормаль-
ную силу. В ходе испытания периодически фиксировали силу трения, уравно-
вешиванием длинного плеча рычага грузами.
Ионно-плазменное модифицирование образцов проводили на установке 
ADVAVAC VSM-200 при температурах от 80 до 140 °С с шагом в 10 °С. По-
дробное описание проведения напыления приведено во втором разделе. Режим 
напыления покрытия на поверхность резины указан в п. 3.1. В качестве моди-

---

126 
фикатора использовали молибденовый катод. В работе [155, 159] были опреде-
лены оптимальные значения температур подложки, посредством исследования 
влияния процесса модифицирования резин на истираемость и коэффициент 
трения исходной и модифицированной резины. Результаты испытаний резино-
вых образцов по металлической (сталь конструкционная 11КП) и полимерной 
поверхностях (фторопласт-4) по показателям истираемость и коэффициент тре-
ния представлены в таблице 4.2 и на рис. 4.1 и 4.2. Истираемость и коэффици-
ент трения рассчитывались по формулам (2.1 – 2.5).
Таблица 4.2 - Истираемость и коэффициент трения исходной резины и мо-
дифицированных молибденом при различной температуре напыления
Образцы ис-
ходные (без 
напыления) и 
напыленные 
Мо при тем-
пературе 
Результаты испытаний резины 
α- 
истираемость 
резины, 
см
3
/кВ·ч 
μ- коэффициент трения 
по 
метали-
ческой 
поверхности 
по 
полимерной 
пленке 
по 
метали-
ческой 
поверхности 
по 
полимерной 
пленке 
Исходные 
0,54 
0,01 
0,92 
0,73 
80 ºС 
0,20 
0,26 
0,62 
0,67 
90 ºС 
0,16 
0,03 
0,50 
0,63 
100 ºС 
0,38 
0,21 
0,52 
0,67 
110 °С 
0,48 
0,25 
0,61 
0,74 
120 ºС 
0,44 
0,20 
0,68 
0,76 
130 ºС 
0,39 
0,08 
0,68 
0,64 
140 ºС 
0,29 
0,12 
0,62 
0,81 
Рис. 4.1 Истираемость (синяя) и коэффициент трения (красная)
по металлической поверхности 

---

127 
Рис. 4.2 Истираемость (синяя) и коэффициент трения (красная)
по полимерной пленке 
На графиках пунктирные линии указывают границы результатов испыта-
ний исходной резины при нормальных условиях. По результатам испытаний 
исходной и модифицированной резины поучили снижение по металлическому 
диску: α - истираемость в 1,1-3,4 раза, µ - коэффициент трения в 1,3-1,8 раза
по сравнению с исходной; по полимерной пленке также наблюдаем уменьше-
ние истираемости по сравнению с α исходной резины. 
Таким образом, полученные результаты испытаний резиновых образцов, 
модифицированных покрытием молибдена при различной температуре под-
ложки, показывают, что модификация тонких поверхностных слоев приводит
к заметным изменениям условий трибоконтакта с улучшением показателей 
данной резины по истираемости, коэффициенту трения, как в случае металли-
ческой поверхности, так и полимерного покрытия. Наилучший эффект наблю-
дается для истираемости при температуре 80 и 90 °С. При увеличении темпера-
туры более 90 °С значения по истираемости и коэффициенту трения ухудша-
лись. Изучение микроструктуры модифицированного образца резины при тем-
пературе 120 °С (рис. 3.16), обнаруживает наличие трещин на поверхности
от воздействия высоких температур, что объясняет ухудшение показателей
по истираемости и коэффициенту трения. Вероятнее всего, это связано с эф-
фектом термического старения от воздействия высоких температур по время 
ионно-плазменного напыления. Поэтому повышение температуры подложки не 
целесообразно, чтобы не ухудшить свойств резины и изделий. 

---

128 
Далее были проведены испытания по определению износостойкости для 
образцов модифицированной Мо, по режиму, указанному в п. 3.1 с толщиной 
покрытия от 38 до 205 нм [160] по изучению влияния различных толщин на из-
носостойкость резиновых образцов. Контроль толщины покрытий осуществля-
ли кварцевым датчиком, подключенным к монитору измерения толщины STM-
2XM (производство Sycon, США). На дисплее монитора отображалась текущая 
скорость напыления и толщина покрытия, зависимость толщины от времени 
показано в таблице 3.3 и графически на рис. 3.1. Результаты испытаний образ-
цов резин исходной и модифицированной Мо по показателям истираемость и 
коэффициент трения с разной толщиной покрытия представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Истираемость и коэффициент трения исходной резины и мо-
дифицированных молибденом при различной толщине покрытия
Толщина Мо 
при 80 °C 
Время напыления, 
мин 
α- истираемость 
резины, см3/кВ · ч 
μ- коэффициент 
трения μ=F/N 
исходная 
- 
0,54 
0,57