Влияние шероховатости и материала индентора на трибологические свойства твердосмазочного покрытия MoS2/Cr/ZrN
Автор: Павел Олегович Буковский
Соавторы: Муравьева Т.И., Щербакова О.О., Шкалей И.В.
Организация: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Твердосмазочные материалы предпочтительны для работы в экстремальных условиях, например, высокого вакуума, криогенных/высоких температур и чрезвычайно длительных рабочих циклов. Такие условия характерны для механических систем в космической технике, таких как космические аппараты, спутники и др. [1]. Одним из наиболее распространенным материалом является дисульфид молибдена (MoS2). Он отличается прочностью и очень низким коэффициентом трения, что делает его идеальным для применения в вакуумных средах [2]. MoS2 способен надежно работать в течение длительных рабочих циклов в космосе в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, где температура может составлять от - 250 °C до 250 °C [3].
Данное исследование посвящено анализу влияния шероховатости и материала индентора при фрикционном взаимодействии с двумя композиционными покрытиями MoS2-ZrN с процентным содержанием ZrN 10 и 30%. В качестве индентора использовались шарики с диаметром 10 мм из подшипниковой стали (ШХ15) и нитрида кремния (Si3N4) с различной шероховатостью. Композитное покрытие было нанесено на стальные подложки из подшипниковой стали марки AMS 5898. Для осуществления хорошей адгезии покрытия поверхность подложки была тщательно подготовлена. Сначала она была отшлифована наждачной бумагой разной зернистости, а затем – алмазной пастой до достижения средней шероховатости поверхности (Ra) 2 нм. Для определения коэффициента трения композиционных покрытий исследование выполнялось на лабораторном трибометре MFT-5000 (RtecInstruments, США). Испытания проводились при постоянной нагрузке F = 10 Н и скорости вращения 110 об/мин по схеме контакта «шарик-диск». На рисунке 1 представлены графики, отражающие зависимость среднего коэффициента трения для покрытий MoS2-ZrN с содержанием 10% (а) и 30% (б) ZrN.
Анализ рисунка показывает, что композиционное покрытие с содержанием ZrN 30% имеет значения коэффициента трения меньше чем покрытие с 10% ZrN. Самый низкий коэффициент трения наблюдается при фрикционном взаимодействии с керамическим шариком и составляет µ ≈ 0,12 (для первого покрытия) и µ ≈ 0,1 (для второго покрытия). При трении со стальным шариком с большой шероховатостью наблюдается повышенный коэффициент трения, что связано с абразивным изнашиванием покрытия, при этом быстрее выходил на установившийся режим трения.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-49-02010.
1. Vazirisereshk M.R., Martini A., Strubbe D.A., Baykara M.Z. Solid lubrication with MoS2: a review // Lubricants. 2019. Vol. 7. № 7.
2. Chen Z., He X., Xiao C., Kim SH. Effect of humidity on friction and wear-a critical review // Lubricants. 2018. Vol. 6. № 3. P. 1–26.
3. Mukhtar S.H., Wani M.F., Sehgal R., Sharma M.D. Nano-mechanical and nano-tribological characterisation of self-lubricating MoS2 nano-structured coating for space applications // Tribology International. 2023. Vol. 178. Art. 108017.
