В настоящей работе исследованы механические свойства и триботехнические характеристики покрытий TiN (монослой), TiN/a-C (двухслойное, два типа сочетаний упругопластических свойств сред) на основе экспериментальных и теоретических подходов. Микроструктура синтезированных покрытий, рельеф лицевой поверхности аттестованы сканирующим электронным микроскопом. Анализ соответствия покрытия а-С осуществлялся методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) при использовании ИК Фурье-спектрометра. Твёрдость и приведённый модуль упругости были получены методом непрерывного индентирования пирамидой Берковича. Интенсивность износа и коэффициент трения определены в режиме трение скольжения. Результаты комплексного экспериментального исследования покрытий являлись основой для построения конечно-элементной модели индентирования двухслойной упругопластической среды с различным сочетанием упругих и пластических характеристик, и относительных толщин слоёв. Экспериментально установлена корреляция параметров рассматриваемых покрытий H/E и H³/E² и интенсивности износа. Теоретически установлены функциональные зависимости твёрдости и приведённого модуля упругости в зависимости от относительной толщины лицевого метастабильного слоя а-С. Определено оптимальное соотношение толщин составляющих слоёв TiN/a-C покрытия при заданных упругопластических характеристиках материалов, которое будет обладать наилучшими триботехническими характеристиками.

Методами рентгеноструктурного, рентгенофазового и оптической металлографической микроскопии проведено исследование механизмов влияния смазочных композиций на основе дисперсионной среды — тетраэфира пентаэритрита С₅–С₉ (TЭПЭ С₅–С₉) с мыльными дисперсными фазами на структуру и физико-механические характеристики поверхностных слоёв бронзы БрА5 после её трения в паре со сталью Ст45. В качестве дисперсных фаз (загустителей) применяли концентрированные поверхностно-активные вещества (ПАВ): литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты (12-LioSt), кальциевое мыло 12-оксистеариновой кислоты (12-CaoSt), а также комплексное кальциевое мыло, включающее композицию солей 12-оксистеариновой и уксусной кислот (k-Ca). Показано, что после трения бронзы во всех смазочных композициях происходит альтернативное, в зависимости от состава композиции, изменение предела текучести поверхностного слоя образцов (эффекты Ребиндера и Роско). Появление в результате трибодеформации в этом слое внутренних остаточных мезонапряжений запускает механизм восходящей диффузии, вызывающий в материале концентрационное перераспределение компонентов, вплоть до полного удаления атомов легирующего элемента из его приповерхностного слоя (режим избирательный переноса). Показано, что изменения механических характеристик материала и его износостойкость зависят от коллоидно-химических показателей поверхностной и окислительной активности смазочной композиции, определяемых гидрофильно-липофильным балансом молекул её компонент. Так, введение в базовую среду TЭПЭ С₅–С₉ добавки 12-LioSt снижает скорость изнашивания бронзы в 1,3 раза, добавки k-Ca — в 6,5 раз, а введение добавки 12-CaoSt повышает эту скорость на 10 %.

Твёрдые смазочные покрытия (ТСП) на основе твёрдых слоистых смазок, нанесённых на трущиеся поверхности, получили достаточно широкое распространение благодаря сравнительной простоте их применения. Выбор типа покрытия и методов его нанесения определяется конструкцией узла трения, требованиями работоспособности узла трения при заданных условиях и режимах работы. В настоящей работе с возможной полнотой изложены испытания ТСП в зависимости от схем испытаний, параметров фрикционного взаимодействия, вакуума.

Проведены триботехнические испытания следующих ТСП: ВНИИНП-512, ЭОНИТ-3, Димолит 1, Димолит 2, Димолит 3, Димолит 4.

Опытное ТСП холодного отверждения как с использованием графита, так и при применении графита вместе с дисульфидом молибдена имеет стабильный и практически одинаковый коэффициент трения (f_нач = 0,14—0,15; f_мин = 0,12; f_уст = 0,18). Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения данного покрытия в узлах трения при возвратно-поступательном движении.

Показано, что в процессе бурения, очистка бурового раствора с помощью центробежных декантеров минимизирует присутствие абразивных частиц в системе и снижает механический износ конструктивных элементов и насосных агрегатов. Представлены результаты сравнительного анализа ресурса исходной конструкции сопел и трех предложенных модификаций, отличающихся геометрией поверхности и ориентацией относительно направления вращения барабана. Проведена комплексная оценка влияния конструктивных изменений на скорость вылета частиц и, как следствие, на интенсивность износа, с использованием аналитической модели расчёта объёма износа при ударном воздействии частиц.

Разработана дискретно-элементная модель процессов, сопровождающих работу центробежного декантера (движение бурового раствора вдоль шнека центрифуги). Рассчитано время до формирования критического износа (разрушения) поверхностей сопел. Изучено влияние геометрических и конструктивных параметров сопел центробежных декантеров на эффективность процесса очистки буровых растворов. Показано, что уменьшение высоты и диаметра сопел до 34 мм и 37 мм соответственно увеличило время износа поверхности в 1,5 раза.

Выполнена аналитическая оценка ресурса цилиндрических поверхностей сопел для различных конструктивных вариантов. Значительное увеличение срока службы достигается при изменении наклона цилиндрических поверхностей сопел против направления вращения барабана. Время износа поверхности сопел увеличивается в 12,5 раз.

В работе представлены результаты исследования в вакууме триботехнических характеристик упрочняющих дискретных покрытий, а также композиционных покрытий на их основе, с добавлением слоя твёрдосмазочного покрытия. Предметом исследования являются дискретные покрытия на основе тонких плёнок TiBN, которые формировали методом магнетронного распыления с осаждением потока материала через фоторезистивные маски различной геометрической конфигурации и с использованием технологии взрывной фотолитографии. Композиционные покрытия формировали магнетронным осаждением на дискретное TiBN-покрытие слоя твёрдосмазочного покрытия MoS₂. В работе оценивали влияние геометрических параметров дискретной структуры (характерный размер дискретных элементов, сплошность покрытия и толщина) на износостойкость и коэффициент трения (КТ), а также особенности разрушения рассматриваемых покрытий при трении в условиях вакуума при высокой нагрузке.

В качестве подложек под покрытия использовали пластинки из листовой стали 12Х18Н10Т. Трибометрические испытания образцов с покрытиями проводили на высоковакуумном стенде по схеме

«сфера—плоскость» с использованием тензометрической измерительной системы. Для анализа морфологических особенностей следов разрушения на дорожках трения применяли растровую электронную микроскопию. В работе использовали дискретные покрытия TiBN с характерным размером дискретных элементов от 460 мкм до 805 мкм и значениями сплошности от 0,25 до 0,7; покрытия имели толщину в диапазоне от 0,88 мкм до 2,11 мкм.

Результаты работы свидетельствуют о существенном влиянии параметров дискретной структуры покрытия на триботехнические характеристики. Образцы с дискретами диаметром 700 мкм, толщиной 1 мкм и сплошностью 0,6 демонстрировали наилучшую износостойкость и более стабильный КТ. Использование твёрдосмазочного слоя MoS₂ существенно снижает КТ до 0,03—0,07 и стабилизирует его при длительной работе в вакууме.

Предложенные покрытия могут использоваться для повышения ресурса компонентов вакуумной и космической техники.

Снижение металлоёмкости инструмента, применяемого при добыче твёрдых ископаемых, напрямую связанно с его износостойкостью. В работе проведены исследования, направленные на получение научно обоснованных требований к выбору материала для зубьев ковшей экскаваторов. Цель работы — определение оптимального химического состава и конечной термической обработки для обеспечения необходимого комплекса механических свойств металла зубьев ковшей экскаватора для использования в различных условиях эксплуатации.

Опытные образцы сталей производили в индукционных печах ёмкостью до 120 кг. Термическую обработку металла проводили в закалочном масле при высоком или низком отпуске. Для испытаний на износостойкость использовали схему трения, при которой закреплённый в шпинделе станка образец совершает поперечное движение и одновременно вращается вокруг своей оси.

Самые высокие прочностные показатели у стали с 0,4 % С (1720 МПа временное сопротивление) по сравнению с 0,3 % С (1680 МПа) при одном уровне пластических характеристик. Анализ результатов испытаний на износостойкость, показал наиболее жёсткие условия износа при использовании абразиве SiC размерностью 200 мкм (66—71 м/г; 82—89 м/г). Высокая твёрдость стали после закалки и низкого отпуска гарантирует лучшую сопротивляемость износу 130—133 м/г, по сравнению с закалкой и высоким отпуском 95—110 м/г. Основными механизмами износа при изнашивании является микрорезание и пластическое оттеснение.

Учитывая результаты исследований и условия применения ковшей экскаваторов при добыче различных горных пород, для зубьев ковшей рекомендованы следующие стали: сталь 30ХГНМФЛ для условий, где необходима высокая износостойкость и хладостойкость; сталь 40Х2ГН2МФЛ (№ 3) для более умеренного климата. Низкий отпуск после закалки стали рекомендуется для более умеренного климата, для обеспечения хладостойкости необходима закалка и высокий отпуск.

В статье показана взаимосвязь между снижением энергоэффективности и нагрузочной способности червячных передач с ростом амплитуды колебаний вращающего момента по мере увеличения нагрузки на сопряжение. Проведён анализ причин роста амплитуды колебаний вращающего момента при увеличении нагрузки на передачу. Показано, что нарушение режима автоколебаний, возникающих в червячной передаче, должно происходить по причине роста коэффициента трения, который зависит от условий смазывания, в частности, от толщины смазочной плёнки. В работе показано, что в случае смазывания передачи штатным минеральным маслом с наномодифицированной добавкой потеря устойчивости автоколебаний происходит при значительно больших нагрузках (290 Н×м), чем в случае смазывания штатным минеральным маслом без добавки (230 Н×м), что указывает на большую устойчивость этого варианта к возмущающим воздействиям, и может объясняться большей толщиной смазочной плёнки. В работе получены графики зависимости КПД червячной передачи от тормозного момента для различных вариантов смазочных материалов. Показано, что увеличение КПД в случае применения штатного минерального масла с наномодифицированной добавкой (нанодисперсной суспензии серпентина в растворе солей жирных кислот) по сравнению с штатным минеральным маслом связано с улучшением антифрикционности сопряжения и снижением амплитуды колебаний вращающего момента. В работе показано, что устойчивость червячной передачи к нагружающим воздействиям может быть экспериментально оценена путём замера амплитуды колебаний вращающего момента на быстроходном валу передачи. Для расширения диапазона допустимых нагрузок необходимо улучшение антифрикционных свойств смазочного материала путём использования наномодифицированной добавки, что приводит к снижению амплитуды автоколебаний червячного вала, уменьшению пути трения и к снижению потерь мощности.

В работе изучена микроструктура, фазовый состав, механические свойства и триботехнические характеристики медноматричных композитов системы Cu–Fe–FeCr–MoS₂–C, упрочнённых композиционными включениями TiC–Ti, размер которых составлял 100—140 мкм и 140—200 мкм. Исследуемые композиты получали методом спекания под давлением, а содержание армирующих включений TiC–Ti составляло 3 об. %, 5 об. %, 7 об. %, 9 об. % и 11 об. %. Показано, что твёрдость исследуемых композитов увеличивается при добавлении металлокерамических включений TiC–Ti до 15 HBW 10/250/30, что более чем на 40 % превосходит твёрдость матричного композита. Выявлено, что композиты, армированные включениями TiC–Ti, обладают большей стойкостью к изнашиванию, по сравнению с матричным композитом без введения упрочняющих включений. Установлено, что наибольшей стойкостью к изнашиванию обладает композит, содержащий 7 об. % включений TiC–Ti, размер которых составляет 100—140 мкм, а увеличение содержания включений до 9 об. % и 11 об. % приводит к увеличению интенсивности изнашивания композита. При введении более 7 об. % композиционных включений TiC–Ti, размер которых составляет 140—200 мкм, также происходит снижение стойкости к изнашиванию. Максимальный коэффициент трения демонстрирует композит, армированный 11 об. % включений TiC–Ti размером 100—140 мкм, который составляет 0,36 ± 0,03, а при увеличении размера включений до 140—200 мкм наибольший коэффициент трения наблюдается при введении 7 об. % TiC–Ti.

Проведены сравнительные физико-механические и триботехнические исследования влияния на трение скольжения различного содержания фуллеренов C₆₀ в полимерных плёнках из полиметилметакрилата (ПММА) при испытании по схеме «палец—диск». Показано, что увеличение концентрации фуллеренового модификатора до 1 % приводит к снижению шероховатости поверхности на нано-уровне и коэффициента трения ПММА в паре со сплавом алюминия Д16. С увеличением концентрации фуллеренов С₆₀ в полимерных плёнках до 3 % происходит их коагуляция, формирование неоднородно распределённых наноконцентраторов диаметром порядка 150 нм. При этом, триботехнические характеристики полимерных плёнок ухудшаются. Коэффициент трения ПММА в паре со сплавом алюминия Д16 возрастает, по сравнению с исходным состоянием. С увеличением содержания фуллерена С₆₀ в полимерных плёнках, увеличиваются их плотность и микротвердость, появляется и однозначно усиливается бордовый цвет. При трении ПММА в исходном состоянии (без добавления С₆₀) в паре со сплавом алюминия Д16, были обнаружены, протекающие адгезионные процессы, и как следствие — перенос алюминия на полимерную плёнку с повышением коэффициента трения. Исследованные плёнки оказались неоднородными по составу и свойствам, подвергнутыми короблению, с недостаточным диспергированием материала на наноуровне.

Исследовано влияние воздействия гамма-облучения на некоторые физико-механические и трибологические свойства твёрдосплавного материала ВК-8. Образцами служили предназначенные для токарной обработки резанием сменные многогранные пластины CNMG 120408-46 (производитель «Сандвик МКТС», Россия). Они были подвергнуты радиационному воздействию гамма-облучением различными дозами от 20 до 200 кГр и в различных газовых средах (воздух и азот). Облучение проводилось на промышленной установке ГУД-300М с использованием источников ⁶⁰Co. Испытания показали, что после радиационного воздействия наблюдается снижение электросопротивления образцов, что подтверждает гипотезу об упорядочивании микроструктуры облучённого материала. Измерения твёрдости материала до и после облучения не обнаружили значимых изменений. При этом установлено, что происходит значительное повышение износостойкости материала при резании различных сталей в 1,5—6 раз в зависимости от поглощённой дозы облучения обрабатываемой стали и режимов резания. Высказано предположение о существовании некоторого «оптимального» уровня гамма-облучения, ниже и выше которого эффект радиационного модифицирования снижается. Определение этого уровня требует проведения отдельных испытаний для каждого исследуемого материала. Вместе с тем, в настоящей статье установлены общие тенденции повышения износостойкости.