Эффекты упорядочения в антифрикционных материалах с углеродосодержащими покрытиями (обзор)

Цель: характеризация применяемых для уменьшения коэффициента трения тонкослойных углеродосодержащих покрытий различных типов и состава, описание принципов их работы в узлах трибосопряжений и эффектов самоорганизации и упорядочения, влияющих на коэффициент трения и износ.

Процедура и методы. Метод анализа литературных источников и классификация исследуемых покрытий по химическому составу, методам нанесения, условиям работы, классификация методов и условий трибологических испытаний, классификация методов характеризации, применяемых к изучаемым покрытиям. Термодинамический анализ фазовых диаграмм по составу углеродосодержащих покрытий.

Результаты. Показано положительное значение легирования углеродных покрытий, применяемых в триботехнических задачах: требуемое уменьшение коэффициента трения и износа. Оценены преимущества и недостатки покрытий с различными типами легирующих элементов (например, металлов IV-B группы, полупроводниковых элементов, водорода) в различных смазочных средах, парах трения и условиях работы. Доказано влияние упорядочения, морфологии частиц и их возможной агрегации за счёт углеродных связей sp1 , sp2 , sp3 и их соотношений в покрытиях на трибологические показатели.

Практическая значимость заключается в раскрытии механизмов влияния легирующих элементов и упорядочения частиц, молекул и агрегатов в покрытиях на коэффициент трения и свойства поверхности трения, вследствие чего возможна оптимизация состава углеродных покрытий для различных технических условий эксплуатации. 

1. Зеленая трибология: ориентационные свойства углеродных алмазоподобных покрытий трибологических узлов в смазочных средах (обзор) / Левченко В. А., Буяновский И. А., Большаков А. Н., Матвеенко В. Н. // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. № 12. С. 1499–1513. DOI: 10.1134/S0044461819120016.

2. Доценко А. И., Буяновский И. А. Основы триботехники: учебник. М.: НИЦ ИНФРАМ, 2014. 336 с.

3. Tribological and percolation properties of polypropylene/nanodiamond soot composites / Lebedev O. V., Bogdanova O. I., Goncharuk G. P., Ozerin A. N. // Polymers and Polymer Composites. 2020. Vol. 28. Iss. 6. P. 369–377. DOI: 10.1177/0967391119879280.

4. Dağıdır K., Bilen K. Experimental investigation of usage of POE lubricants with Al2O3, graphene or CNT nanoparticles in a refrigeration compressor // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2023. Vol. 14. P. 1041–1058. DOI: 10.3762/bjnano.14.86.

5. Buyanovskii I. A., Khrushchov M. M., Samusenko V. D. Tribological Behavior of Diamond-Like Carbon Coatings under Boundary Friction: Part I. Structure, Testing Methods, Lubrication by Adsorption Layers // Inorganic Materials: Applied Research. 2022. Vol. 13. No. 4. P. 893–906. DOI: 10.1134/S2075113322040086.

6. Evaluation of bias voltage effect on diamond-like carbon coating properties deposited on tungsten carbide cobalt / Zia A. W., Lee S., Kim J.-K., Kim T. G., Song J. L. // Surface and Interface Analysis. 2014. Vol. 46. Iss. 3. P. 152–156. DOI: 10.1002/sia.5400.

7. Tribological properties of thin films made by atomic layer deposition sliding against silicon / Kilpi L., Ylivaara O. M. E., Vaajoki A., Liu X., Rontu V., Sintonen S., Haimi E., Malm J., Bosund M., Tuominen M., Sajavaara T., Lipsanen H., Hannula S.-P., Puurunen R. L., Ronkainen H. // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2018. Vol. 36. P. 01A122-1–01A122-12. DOI: 10.1116/1.5003729.

8. Семенов А. П. Трибологические свойства и вакуумные ионно-плазменные методы получения алмазных и алмазоподобных покрытий // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 1. С. 83–102.

9. Grill A., Patel V. Tribological properties of diamond-like carbon and related materials // Diamond and Related Materials. 1993. Vol. 2. Iss. 5–7. P. 597–605. DOI: 10.1016/0925- 9635(93)90190-D.

10. Moriguchi H., Ohara H., Tsujioka M. History and Applications of Diamond-Like Carbon Manufacturing Processes // SEI Technical Review. 2016. No. 82. P. 52–58.

11. Bewilogua K., Hofmann D. History of diamond-like carbon films – from first experiments to worldwide applications // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 242. P. 214–225. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.031.

12. Charitidis C. A., Koumoulos E. P., Dragatogiannis D. A. Nanotribological Behavior of Carbon Based Thin Films: Friction and Lubricity Mechanisms at the Nanoscale // Lubricants. 2013. Vol. 1 (2). P. 22–47. DOI: 10.3390/lubricants1020022.

13. Jacob W., Möller W. On the structure of thin hydrocarbon films // Applied Physics Letters. 1993. Vol. 63. Iss. 13. P. 1771–1773. DOI: 10.1063/1.110683.

14. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2002. Vol. 37. Iss. 4–6. P. 129–281. DOI: 10.1016/S0927-796X(02)00005-0.

15. Буяновский И. А., Самусенко В. Д. Граничная смазка как защита трибосопряжения от износа и заедания при жестком режиме работы // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2019. T. 20. № 8. С. 379–384.

16. Молибденсодержащее углеродное покрытие триботехнического назначения и антифрикционные свойства масел при граничной смазке / Буяновский И. А., Левченко В. А., Большаков А. Н., Самусенко В. Д. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 1. С. 86–91. DOI: 10.1134/S023571191901005X.

17. Роль углеродных покрытий-ориентантов в оптимизации смазочной способности граничных слоев / Левченко В. А., Буяновский И. А., Игнатьева З. Н., Матвеенко В. Н. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. № 2. С. 43–48.

18. Углеродные покрытия-ориентанты, легированные некоторыми элементами VIБ подгруппы Периодической системы, и их влияние на эффективность антифрикционных свойств масел / Буяновский И. А., Большаков А. Н., Левченко В. А., Матвеенко В. Н. // Механизация строительства. 2017. Т. 78. № 6. С. 18–21.

19. Броновец М. А. Трибология и материалы для космической техники // Трибология – Машиностроению: труды XII Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ИМАШ РАН (Москва, 19–21 ноября 2018 г.) / под ред. И. А. Буяновского, М. В. Прожеги, В. Д. Самусенко. М.-Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2018. С. 87–89.

20. Илясов В. В., Ашканов А. В., Холодова О. М. К вопросу об износостойкости углеродных пленок // Трибология – Машиностроению: труды XII Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ИМАШ РАН (Москва, 19–21 ноября 2018 г.) / под ред. И. А. Буяновского, М. В. Прожеги, В. Д. Самусенко. М.-Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2018. С. 218–220.

21. Усиенов А., Гоголинский К. Механические свойства сверхтонких углеродных алмазоподобных покрытий // Наноидустрия. 2010. № 5. С. 54–57.

22. Effect of diamond-like carbon coatings alloying with chromium and molybdenum on the lubricating properties of oils during friction in pair with steel / Buyanovskii I. A., Khrushchov M. M., Samusenko V. D., Atamanov M. V., Shcherbakov Yu. I. // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2059: 28th International Conference on Vacuum Technique and Technology (VTT 2021). Article 012004. DOI: 10.1088/1742-6596/2059/1/012004.

23. Voevodin A. A., O’Neill J. P., Zabinski J. S. Nanocomposite tribological coatings for aerospace applications // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 116–119. P. 36–45. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00228-5.

24. Hua Ch., Ying S. H., Qiu J. S. Ni-P-Diamond Composite Coating on Friction Shims // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 652–654. P. 1862–1865. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.652-654.1862.

25. Structure and Anticorrosion, Friction, and Wear Characteristics of Pure Diamond-Like Carbon (DLC), Cr-DLC, and Cr-H-DLC Films on AZ91D Mg Alloy / Cui X.-J., Ning Ch.-M., Shang L.-L., Zhang G.-A., Liu X.-Q. // Journal of Materials Engineering and Performance. 2019. Vol. 28. P. 1213–1225. DOI: 10.1007/s11665-019-3854-8.

26. Investigation of Friction and Wear Performance of Diamond Coating under Si3N4 Friction Pair / Lu F., Wang Y., Li H., Hao T., Fu Z., Yan G. // Mechanika. 2021. Vol. 27. No. 5. P. 421–428. DOI: 10.5755/j02.mech.28329.

27. The properties of lubricated friction pairs with diamond-like carbon coatings / Kowalczyk J., Milewski K., Madej M., Ozimina D. // Open Engineering. 2020. Vol. 10. No. 1. P. 688–698. DOI: 10.1515/eng-2020-0075.

28. Tribological behaviour of different diamond-like carbon materials / Liu E., Blanpain B., Shi X., Celis J.-P., Tan H.-S., Tay B.-K., Cheah L.-K., Roos J. R. // Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 106. Iss. 1. P. 72–80. DOI: 10.1016/S0257-8972(98)00494-0.