CC BY
49
УДК 621.891
ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАНОСТРУКТУРНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПАР ТРЕНИЯ
Н.Ф. Дмитриченко, профессор, д.т.н., А.А. Миланенко, докторант, к. т.н., Р.Г. Мнацаканов, профессор, д.т.н., Национальный транспортный университет, г. Киев
Аннотация. Методом сканирующей электронной микроскопии проведен экспресс-анализ нано-структурного поверхностного слоя втулки рабочего цилиндра и получена карта количественного распределения химических элементов.
Ключевые слова: нанотрибология, наноструктурный поверхностный слой, втулка рабочего цилиндра.
ЕКСПРЕС-АНАЛ1З Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ НАНОСТРУКТУРНОГО ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ПАР ТЕРТЯ
М.Ф. Дмитриченко, професор, д.т.н., О.А. Мшаненко, докторант, к. т.н., Р.Г. Мнацаканов, професор, д.т.н., Нацюнальний транспортний ушверситет, м. Кшв
Анотаця. Методом скануючог електронног мжроскопп проведено експрес-анал1з нанострук-турного поверхневого шару втулки робочого цил1ндра й отримано карту ктъюсного розподшу хгмгчних елементгв.
Ключов1 слова: нанотриболог1я, наноструктурний поверхневий шар, втулка робочого цил1ндра.
EXPRESS-ANALYSIS OF NANOSTRUCTURED SURFACE LAYER CHEMICAL
COMPOSITION OF FRICTION PAIRS
N. Dmitrychenko, Professor, Doctor of Technical Science, A. Milanenko, Candidate of Technical Science, R. Mnatsakanov, Professor, Doctor of Technical Science, National Transport University, Kyiv
Abstract. The express-analysis of the nanostructured surface layer of the working cylinder sleeve by means of scanning electron microscopy is carried out, and the pattern of quantitative distribution of chemical elements is obtained.
Key words: nanotribology, m^stru^^ed surface layer, bush of the working cylinder.
Введение
Современные нанотехнологии и возникновение нового класса электронных микроскопов позволяют управлять трибологическими процессами в микро- и наномасштабах. Разработка новых высокоэффективных материалов потребовала создания путей и средств к направленному модифицированию и управлению структурой поверхностных слоев де-
талей на наноуровне. Для решения этих задач привлекаются сканирующие электронные микроскопы, атомные силовые микроскопы, аппараты для измерения поверхностных сил и т.д. - техника, которая в сочетании с компьютерным моделированием, наряду с решением специфических задач нанотрибологии, позволила сделать серьезный прорыв в наших представлениях о процессах трения, смазки и изнашивания твердых тел, дав, в
частности, стимул к теоретическим исследованиям явлений фрикционного взаимодействия тел на атомном уровне. Такие теоретические разработки позволяют интерпретировать уже имеющиеся экспериментальные данные и могут явиться основой для построения общей теории трения.
Анализ публикаций
Первые исследования трибологических процессов на микроуровне были связаны с изучением свойств граничных слоев, образующихся на твердой подложке, и построением моделей процесса граничной смазки. Прежде всего, это работы Рэлея, И. Лангмюра (1918), У. Харди (1922), Б.В. Дерягина (1938), А С. Ахматова (1940), Г.И. Фукса (1955) и др. [1]. В эти же годы исследования состава и строения граничных слоев проводились рентгеновскими методами У. Брэггом (1925) и Ж. Трилля (1931) и методами электронной дифракции М. Мюризоном (1934) и Л. Эндрю (1936). Полученные результаты позволили установить, что граничные слои имеют слоистое строение, каждый из этих слоев состоит из ориентированных молекул активных компонентов смазочной среды, а также предложить ряд моделей процесса граничной смазки и строения граничного слоя. В этот период проводились и прямые исследования свойств граничных слоев - метод «мультипликации» граничных слоев А.С. Ахматова (1963), метод «плоскопараллельных дисков» Г.И. Фукса (1960). Первые успехи направления исследований, которое позднее назовут нанотрибологией, связаны с разработкой весьма совершенного прибора, который реализовал контакт двух изогнутых молекуляр-но гладких пластинок слюды, позволяя с большой точностью определять площадь контакта и оценивать перемещение контактирующих поверхностей как в нормальном, так и в тангенциальном направлениях. Впервые такой прибор был разработан Тейбором и Уинтертоном (1969), а затем он был модернизирован и применен для измерения сил Ван-дер-Ваальса между молекулярно гладкими поверхностями в функции их разделения [2]. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков, а также электронной спектроскопии. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре по-
верхности, тем более на атомном уровне. Долгое время основным методом исследования структуры поверхностей служил метод дифракции медленных электронов (ДМЭ), с применением которого связан существенный прогресс в развитии науки о поверхности. Достаточно упомянуть, что с помощью ДМЭ была открыта атомная реконструкция поверхностей - существование особого их структурного состояния, отличного от объемного, и обнаружено большое количество специфических фазовых переходов на поверхностях как чистых, так и покрытых адсорбированными пленками. Следующим этапом была разработка туннельной спектроскопии. В 1978 г. будущие Нобелевские лауреаты Г. Бинниг и Х. Рохрер вернулись к идее использования вакуумного тун-нелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были применены пьезоэлектрические материалы и система обратной связи. Создание в 1981 г. Г. Бин-нингом, Х. Рохрером и их коллегами в IBM научно-исследовательской лаборатории сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир. Сканирующий туннельный микроскоп был первым инструментом, который непосредственно способствовал получению трехмерных изображений твердых поверхностей с атомным разрешением. Появление атомно-силовой микроскопии (АСМ) открыло новые возможности для изучения и визуализации их поверхности. После пионерских работ Биннин-га и др. [3] техника АСМ в изучении наноструктурного трения завоевала ведущие позиции. Силы, действующие между острым зондом, приведенным в близкий контакт с образцом, и поверхностью последнего, вызывают измеримую деформацию консоли (кантилевера), на которой закреплен зонд. Кантилевер изгибается в вертикальном направлении против нормали к поверхности образца вследствие притягивающего или отталкивающего взаимодействия, а величина его деформации пропорциональна величине уравновешивающей упругой силы. Латеральные (боковые) силы приводят к деформации кручения относительно равновесного положения. При равновесии силы, вызывающие изгиб и кручение, компенсируются силами упругости кантилевера, которые мо-
делируются эквивалентами пружинами с «нормальной» и «латеральной» жесткостью. АСМ и их модификации использовали для изучения адгезии [4], тонких смазочных слоев [5], топографии граничных смазочных слоев и поверхностных температур [6].
Цель и постановка задачи
На базе сканирующего (растрового) электронного микроскопа провести экспресс-анализ химического состава наноструктур-ных слоев пары трения и среды.
Экспресс-анализ структуры и химического состава наноструктурных слоев втулки рабочего цилиндра
Объектом исследования была втулка рабочего цилиндра когенерационной установки на базе газопоршневого двигатель-генератора. Материал втулки - специльно разработанный комплекснолегированный серый чугун. Для улучшения антифрикционных свойств на поверхность втулки было нанесено фосфатное покрытие. Рабочей средой служило моторное масло Ариан Ультрагаз [7, 8].
На рис. 1, а, б показана однородная наноструктура поверхностного слоя втулки до эксплуатации и гетерогенная структура поверхностного слоя после ее эксплуатации (спектр 1). Как видно из рис. 1, а, б, за время эксплуатации фосфатное покрытие стерлось и обнажилась поверхность металла. Об этом свидетельствуют данные в табл. 1, где сведены значения химического состава наноструктуры фосфатного покрытия втулки до ее эксплуатации и структура трущейся поверхности отбракованной втулки после эксплуатации в течение 50 000 моточасов. Результаты химического анализа состава поверхностного слоя втулки до и после эксплуатации приведены в табл. 1, из кото-
рои видно, что в исходном состоянии на поверхности были в основном оксиды фосфора, а после ее эксплуатации - оксиды железа. В отдельных участках после эксплуатации покрытие сохранилось, как видно из рис. 1, б. Было установлено, что поверхностные слои после эксплуатации втулки занимают от 35 до 80 % поверхности трения. Они экранируют исходныи металл при взаимодеиствии контактирующих тел.
Электронное изображение 1
б
Рис. 1. Наноструктура фосфатного покрытия до эксплуатации (а) и структура трущейся поверхности после эксплуатации в течение 50 000 моточасов (б)
Таблица 1 Химический состав (ат.% и вес.%) поверхностного слоя втулки до и после ее эксплуатации
Химические элементы Атомный состав слоя Весовой состав слоя Графическое изображение химического состава поверхностного слоя
До эксплуатации втулки
P 19,94 17,01
S 0,20 0,17
Ca 0,44 0,29
Mn 19,52 9,39
Fe 19,96 9,45
Cu 1,83 0,76
O 38,10 62,93
Итого 100 100
Окончание табл. 1
Химические элементы
Атомный состав слоя
Весовой состав слоя
Графическое изображение химического состава _поверхностного слоя_
После эксплуатации втулки
O
Si
Ca
Cr
Mn
Fe
Cu Итого
24,73
3,78
0,49
1,14
1,18
0,44
0,96
65,83
1,44 100
51,71
4,51
0,53
1,19
0,99
0,28
0,59
39,44
0,76 100
P
S
Выводы
Современный сканирующий электронный микроскоп позволил построить карту распределения химических элементов с весовым составом наноструктурного слоя фосфатного покрытия до эксплуатации втулки. После эксплуатации втулки поверхностные слои трения расположились поверх металла и заняли от 35 до 80 % поверхности трения. При этом данные слои сэкранировали исходный металл с содержанием до 20 - 40 ат. % кислорода.
Литература
1. Левченко В. А. Этапы развития нанотрибо-
логии / В.А. Левченко, И.А. Буяновский, В.Н. Матвеенко // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2005. -№ 2. - С. 36-45.
2. Israelachvili J.N. Shear Properties of Molecu-
lar Films / J.N. Israelachvili, D. Tabor // Nature. - 1973. - Vol. 241, № 112. -P.148-149.
3. Bining G. 7x7 Reconstruction on Si (111)
Resolved in Real Space / G. Bining, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel // Phys. Rev. Lett. - 1983. -Vol. 50, №2. - P. 120123.
4. Blackman G.S. Atomic Force Microscope
Studies of Lubricant Films on Solid Surface / G.S. Blackman, C M. Mate, M R. Philpott // Vacuum. -1990. - Vol. 41. - P. 12831286.
5. Bliznyuk V.N. Nanotribological Properties of
Organic Boundary Lubricants : Langmuir Films Versus Self-Assembled Monolayers / V.N. Bliznyuk, M P. Everson, V.V. Tsuk-ruk // Journal of Tribology. - 1998. -Vol. 120. - P. 489-495.
6. Majumdar A. Thermal Imaging Using the
Atomic Force Microscope / A. Majumdar, J.P. Carrejo, J. Lay // Appl. Phys. Lett. -1993. - Vol. 62. - P. 2501-2503.
7. Дмитриченко М.Ф. Ресурсш випробування
спещально розроблено! моторно! оливи для змащування вузлiв когенерацшних установок на базi газопоршневих дви-гун-генераторiв / М.Ф. Дмитриченко, О.А. Мшаненко, Р.Г. Мнацаканов, С.С. 1саенков // Вюник Нащонального транспортного ушверситету : в 2-х ч. -2008. - Ч. 1. - Вип. 17. - С. 14-16.
8. Дмитриченко М.Ф. Ощнка експлуатацш-
них властивостей моторно! оливи для газових двигун-генераторiв / М.Ф. Дмитриченко, О.А. Мшаненко, Р.Г. Мнацаканов, С.С. 1саенков // Проблеми транспорту. - 2009. - Вип. 6. - С. 31-35.
Рецензент: В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
