Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современном машиностроении, а также в технологических процессах переработки пластических- масс и эластомеров широко применяются тонкопленочные покрытия различного функционального назначения: противоизносные, антифрикционные, антиадгезионные, гидрофобизирующие и др. Толщина таких покрытий соответствует нанометровому диапазону и соизмерима с параметрами топографии гладких поверхностей. Особенно перспективны тонкие покрытия на основе фторсодержащих полимеров и олигомеров, обладающие комплексом уникальных эксплуатационных характеристик. Традиционные технологии нанесения многофункциональных пленок на рабочие, поверхности деталей машин, механизмов и технологической оснастки на базе газоструйных, электростатических и других методов с применением дисперсных фторсодержащих полимеров неэффективны, вследствие высокой температуры плавления порошкообразных дисперсий и невозможности формировать тонкие пленки.
В последние годы все большее распостранение получают методы формирования тонкопленочных покрытий, основанные на переводе полимерных молекул в активное состояние с последующим осаждением па твердой подложке. Для перевода макромолекул в активное состояние применяют методы плазмохимического инициирования и растворения олигомеров в летучих растворителях.
Тонкопленочные покрытия, сформированные из активной жидкой или газовой фазы, позволяют при сохранении геометрических параметров зазоров в сопряжениях деталей обеспечить существенное увеличение их технического ресурса. К сожалению, в настоящее время не существует единого подхода к разработке методологии формирования тонких пленок из активной фазы фторсодержащих полимеров и олигомеров на твердых подложках. Практически отсутствуют необходимые для оптимизации технологии данные о природе протекающих в поверхностных слоях физико-химических процессов, зависимости их кинетики от условий и режимов формирования тонких покрытий. Особый интерес представляют технологические аспекты формирования антиадгезионных, защитных и триботехнических покрытий на поверхности изделий в металлополнмерных системах, изготовленных с использованием полимеров, эластомеров и углеродсодержащих материалов.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена в соответствии с заданием 4.14 Республиканской научно-технической программы "Триботехника" (гос. per. № 19962773), заданием 6.08 Республиканской научно-технической программы "Материал" (гос. per. №1997 3318).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являете: исследование технологических и сопровождающих их физико-химически: процессов формирования тонкопленочных покрытий на основ фторсодержащих полимеров и олигомеров на рабочих поверхности деталей, а также влияния этих процессов на эксплуатационные параметрь металлополимерных подвижных сопряжений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решит следующие задачи:
1. Изучить влияние технологических параметров и условиі
формирования на структуру и физико-химические характеристик]
тонкопленочных фторсодержащих покрытий.
2. Разработать феноменологическую модель структурного состоянн
тонких слоев полимеров и олигомеров, сформированных из активної
среды на поверхностях твердых тел.
-
Оценить влияние технологических факторов формирования н функциональные свойства тонких покрытий из фторсодержащих олиго меров и полимеров.
-
Разработать технологические рекомендации по оптимизации тех нологических режимов нанесения тонкопленочных функциональны покрытий на детали металлополимерных узлов трения зрибосистем і запорной арматуры, определить наиболее эффективные условия и эксплуатации. „
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являютс тонкие (толщиной до 5 мкм) фторсодержащие пленки, сформированные и активной газовой фазы методами плазмохимии и из растворов олиго меров в летучих растворителях на подложках различного состава.
Методология и методы проведенного исследования. При проведенні исследований использовали: ИК-спектроскопию пропускания и МНПВС ЭПР-снектроскопию, рентгеноструктурный анализ, дериватографик электронную растровую, оптическую и атомно-силовую микроскопик методы двухлучевой интерферометрии и СВЧ-излучения, специальны машины трения, а также натурные установки и стенды.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Разработан феноменологическая модель формирования тонкопленочных покрытий н основе термопластичных полимеров и олигомеров из активной газової фазы и разбавленных растворов. Получены аналитические выражения описывающие кинетику формирования покрытий, структуру и свойств граничных слоев в зависимости от молекулярной подвижности активны фрагментов и активности твердой подложки.
Определены эффективные направления регулирования структуры : функциональных свойств тонких покрытий, основанные на управленії: подвижностью, и активностью молекулярных фрагментов технологи
ческими приемами (температура, излучение, время формирования, концентрация раствора, строение олигомера и др.).
Установлен эффект ориентирующего действия силового поля твердой подложки, который обусловливает формирование из разбавленных растворов покрытий с различной степенью упорядочения и ориентации молекул по толщине и минимальной подвижностью на границе раздела с подложкой, на металлах (Си, Al, Fe) и неметаллах (ПА6, ПЭНД, СКТН).
Исследованы теплофизические характеристики изделий из термопластов и эластомеров, модифицированных тонкими пленками фторсо-держащих олигомеров. Установлен эффект повышения стойкости к термоокислительному старению и термостойкости изделий из полимерных материалов после обработки фторсодержащими олигомерами.
Изучены триботехническис характеристики тонких олпгомерных и полимерных пленок на металлических деталях узлов трения с поступательным и реверсивным характером движения. Установлено, что олиго-мерные пленки наиболее эффективны в трибосистемах, содержащих пластмассовые детали на основе высокомодульных и структурированных связующих. Для систем "формующий инструмент-заготовка" тонкие пленки, независимо от молекулярной массы и строения, снижают адгезионное взаимодействие и увеличивают износостойкость.
Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Разработана технология формирования тонкопленочных покрытий различного функционального назначения (антифрикционных, антиадгезионных, гидрофобных, защитных и др.) на рабочих поверхностях деталей технологического оборудования и уплотнительных систем, в т.ч. запорной арматуры повышенной надежности. Разработанные покрытия увеличивают на 40-80 К термическую стойкость резиновых уплотнений газовой аппаратуры, снижают их адгезионное взаимодействие с металлическим гнездом и увеличивают коррозионную стойкость уплотняемого узла при повышенных температурах. Объем выпуска модифицированных уплотнений газовой аппаратуры составляет 220 тыс. комплектов в год.
Разработана технология нанесения защитных покрытий на рабочие элементы сальниковых уплотнений запорной арматуры повышенной надежности. Установлено, что тонкие пленки из фторсодержащих олигомеров повышают в 1,2-2 раза прочностные свойства герметизирующих элементов на основе модифицированного графита и угле-графитового волокна, повышают износостойкость, уменьшают их адгезионное взаимодействие с сопряженными деталями, вследствие увеличения гидрофобное и стойкости к воздействию агрессивных сред.
Разработаны композиционные покрытия на рабочих поверхностях инструмента для холодного деформирования металлов. Нанесение пленки
политетрафторэтилена или фторсодержащего олигомсра на подложки высокой твердости (riN, Сг) позволяет повысить износостойкость инструмента в 2-10 раз по сравнению с традиционными покрьпиями и разделительными смазками. Тонкопленочные покрытия из фторсодержащих олигомеров снижают адгезионное взаимодействие литых или прессовых изделий из полимерных материалов с формообразующей поверхностью преесформы. Однократная обработка оформляющей поверхности литьевой или прессовой формы обеспечивает возможность 8-10 циклов формования деталей без смазки. Одновременно повышается стойкость отформованных изделий к термоокислителыюиу старению.
Разработаны нормативные документы, регламентирующие применение тонкопленочных покрытий в узлах трения уплотнений запорной арматуры и газовой аппаратуры.
Разработанная технология формирования тонкопленочных многофункциональных покрытий на деталях запорной арматуры и газовой аппаратуры позволяет повысить технические характеристики герметизирующих систем. Изделия с модифицирующими покрытиями прошли испытания и приняты к внедрению на ТЭЦ, ПО "Азот", Гродненском заводе автомобильных агрегатов и др. предприятиях. Создан технологический участок по нанесению фторсодержащих покрытий на детали уплотнений, мощностью 1 млн комплектов в год. От внедрения разработок в производство получен экономический эффект свыше 200 млн. рублей. На производственном объединении "Элорма" создано производство по выпуску сальниковых уплотнений с гидрофобным покрытием. Выпущена партия уплотнений стоимостью свыше 50 тыс. долларов США.
Осноппые положения диссертации, выносимые на защиту.
— феноменологическая модель формирования структуры тонкопленочных
покрытий из фазы с высокой подвижностью кинетических элементов,
учитывающая их природу и процессы межфазного взаимодействия;
— технологические приемы регулирования процессов формирования
тонких фторсодержащих слоев, основанные на энергетическом
воздействии на процессы упорядочения, оптимизации толщины слоя и
температуры формирования;
—особенности тонкой структуры покрытий из фтосодержащих полимеров и олигомеров, формируемых при различных технологических параметрах на металлических и неметаллических подложках;
— оптимальные по критериям износостойкости технологические режимы
формирования тонких покрытий многофункционального назначения из
фторсодержащих полимеров и олигомеров, наиболее рациональные
области и режимы их высокоэффективного применения.
Личный вклад соискателя. Соискателем самостоятельно разработана технология нанесения тонкопленочных покрытий из фторсодержащих
полимеров и олигомеров на неметаллические подложки. Проведена экспериментальная проверка адекватности феноменологической модели формирования фторсодержащих многофункциональных покрытий из активной газовой фазы и разбавленных растворов. Исследованы эксплуатационные характеристики (триботехнические, защитные, тепло-физические и др. ) тонких покрытий на поверхностях трения деталей, в т.ч. запорной арматуры повышенной надежности. На НПО "Элорма" и Гродненском заводе автомобильных агрегатов при непосредственном участии соискателя созданы производственные участки по нанесению тонкопленочных покрытий на уплотнительные комплекты, применяемые в автомобильных агрегатах и газовой аппаратуре.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований бьіли доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и симпозиумах:
Республиканская научно-техническая конференция "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1994, 1996, 1998 гг.); Первый Белорусский семинар по сканирующей зондовой микроскопии (Гомель, 1996 г.); Республиканская научно-техническая конференция "Физика конденсированных сред" (Гродно, 1997, 1998 гг.); Республиканская научно-техническая конференция "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Новополоцк, 1997 г.); Международная научно-техническая конференция "Прогрессивные технологии машиностроения и современности" (Севастополь, 1997, 1998 гг.); Second Joint American-Eastern Europien Conference "New materiale and technologies in tribologi" (Minsk-Grodno-Warsaw, 1997); 11th International Colloguium "Industrial and Automotive Lubrication" (Esslingen, 1998); 5th International Symposium INSYCONT 98 (Cracow, 1998).
Опублпкованпость результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, 13 тезисах докладов научных конференций. Подана заявка на патент РБ № 0761 от 12.08.98. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 50 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, двух приложений. Изложена на 147 стр. Содержит 62 иллюстрации; 23 таблицы; приложения на 20 стр.; список использованных источников, включающий 119 наименований.