Отсутствие конвективного теплоотвода, затрудненность образования окисных, адсорбированных водяных и газовых пленок при эксплуатации СК в вакууме приводит к тому, что большинство традиционных контактных самосмазывающихся материалов в таких условиях практически неработоспособны.
Таблица 7.2
Результаты климатических испытаний щеток МП-6 и МГС-7 в составе микродвигателей ДПМ-25
В качестве материалов для СК, эксплуатируемых в вакууме, используют композиции на основе сульфидов, халькогенидов, селенидов металлов [53, 56, 62, 63, 135, 141, 266, 318, 412], которые, помимо дефицитности, обладают рядом недостатков по сравнению с традиционными материалами. Поэтому поиск новых материалов, работоспособных в вакууме, по-прежнему остается весьма актуальной задачей. Исследования, проведенные в работах [150, 260, 261, 325, 327, 421], показали перспективность разработки для этих целей контактных материалов с полимерной матрицей, содержащих коллоидный металл и армирующий наполнитель.
Рис. 7.11. Пусковые ВАХ микродвигателей, снабженных щетками МП-6 (1, 1') и МГС-7 (2, 2') в нормальных условиях (1, 2) и после хранения во влажной атмосфере (95%) при Т=313 К в течение 21 сут (1', 2')
Наряду с модельными композициями, содержащими полимерную матрицу и наполнители (табл. 7.3), испытаниям подвергались серийно выпускаемые щетки графитного (ВТ-3), меднографитного (МГС-7) и серебрографитного (СГ-3) классов.
Исследования в вакууме при остаточном давлении 1,3 мПа показали, что износ серийных материалов в вакууме катастрофический (рис. 7.12, кривые 1, 2, 3). Аналогичный результат получен для композиций на основе полимеров, наполненных графитом (кривая 4). Введение серебряной фольги в такие образцы несколько стабилизирует интенсивность изнашивания, однако и они не обеспечивают требуемой работоспособности (кривая 5).
Существенное повышение износостойкости и улучшение электрических характеристик достигается применением композиций на основе ФФС и коллоидного серебра (рис. 7.12, кривые 6, 8). Наиболее износостойкой является композиция 8, средняя скорость изнашивания которой в вакууме не превышает 2,8—3,0 нм/с. Частичная замена коллоидного серебра порошком металла приводит к резкому возрастанию износа образцов (композиция 7). Необходимо отметить, что введение в композиции 6 и 8 дисульфида молибдена или дихалькогенидов Nb, W, Та и других твердых смазок несколько повышает их износостойкость (до 10%), но одновременно снижает коррозионную стойкость, обусловливает высокое и нестабильное падение напряжения в контакте и напряжение трогания микродвигателей.
Таблица 7.3
Свойства серийных контактных материалов модельных композиций и контртела после работы в НКУ и в вакууме [261, 325]
Примечание. + — присутствие компонента; — отсутствие компонента; X — частичная замена одного компонента другим.
Образование пленок фрикционного, переноса, сформированных металлополимерными композициями на металлическом контртеле, характеризуется определенным спектром газовыделений, об общности элементарных актов разрушения исследуемого материала, в основе которых лежат термофлуктуационные разрывы химических и межмолекулярных связей [254].
Рис. 7.12. Временная зависимость линейного износа И серийных и модельных контактных композиций в вакууме при температуре 293 К (номера кривых соответствуют номерам композиций в табл. 7.3)
Пропускание электрического тока через скользящий контакт ужесточает тепловой режим узла трения, что сопровождается интенсификацией газовыделений в результате термо-и трибодеструкции полимерной матрицы (масс-спектр в) и уменьшением износостойкости композиций.
В вакууме одновременно с изменением характера фрикционного взаимодействия материалов изменяется процесс формирования перенесенной пленки. Из потенциограммы (рис. 7.14, а) видно, что для пленок переноса, формируемых интенсивно изнашивающимися материалами, например, марки МГС-7 или композицией 7 в вакууме, характерно чередование проводящих и непроводящих участков. Потенциограммы пленок переноса, сформированных указанными материалами в НКУ, свидетельствуют о наличии сплошной окисной пленки, разделяющей перенесенный материал и матричный металл кольца (рис. 7.15, б).
Качественное совпадение масс-спектров летучих продуктов, образующихся при термодеструкции (до 527 К) металлополимерной композиции на основе ФФС и коллоидного серебра в вакууме (рис. 7.13, масс-спектр г) и трибодеструкции без токовой нагрузки (масс-спектр б), свидетельствует соединения (композиции 6 и 8) в вакууме (рис. 7.14, в) и в НКУ (рис. 7.15, г), практически адекватны.
Рис. 7.13. Масс-спектры летучих продуктов, образующихся в результате трибодеструкции металлополимерной композиции 8 (см. табл. 7.3) без токовой (б) и с токовой (в) нагрузкой, а также при термодеструкции ее (г); а — фон камеры
Электронно-микроскопический анализ перенесенных пленок и контактных поверхностей образцов показал, что металлополимерные композиции 6 и 8 образуют на контртеле в НКУ при токовой нагрузке однородную пленку. Скопление немногочисленных крупных частиц износа происходит в основном в бороздах, т. е. на участках интенсивного контактного взаимодействия как на поверхности образцов (рис. 7.15, а), так и на перенесенных пленках (рис. 7.15, б). На контактной поверхности композиций полимер — порошок серебра наблюдаются скопление металлических частиц, их плавление (рис. 7.15, в) и последующий перенос в виде тонких металлических пленок (рис. 7.15, а), которые определяют высокую износостойкость данных композиций в НКУ.
Для пленок, сформированных в вакууме композициями 6 и 8, содержащих металлополимерные соединения, наблюдается своеобразная приспосабливаемость состава и структуры к изменению внешней окружающей среды, выражающаяся в измельчении составляющих пленки, причем участки, содержащие большое количество металла, нивелируются (рис. 7.15, д). Нивелирование поверхности трения уменьшает ее шероховатость, в результате чего снижается напряженность контакта и соответственно концентрация механических и тепловых напряжений на пятнах контакта. Описанные выше изменения состава и структуры пленок переноса способствуют реализации оптимальных условий самосмазывания, что приводит к значительному повышению износостойкости композиций, содержащих металлополимерные соединения, не только в НКУ, но и в вакууме.
Состав и структура пленок переноса, сформированных в вакууме композициями полимер — порошок металла, крайне неоднородны (рис. 7.15, е).
Рис. 7.14. Микрогеометрические и электропроводящие свойства поверхностного слоя на медном кольце после работы серийного материала марки МГС-7 (а, б) и металлополимерной композиции 8 (см. табл. 7.3) (в, г) в вакууме (а, в) и на воздухе (б, г); Uк — падение напряжения в контакте щуп — поверхность (установка ЭП-1, Е'=1В, r0= 50 мкм)
Наличие многочисленных следов глубоких вырывов свидетельствует об интенсивно происходящей трибодеструкции полимерной матрицы и выкрашивания из нее частиц металла, что обусловливает катастрофический износ композиций.
Для пленок фрикционного переноса, формируемых в вакууме композициями, содержащими металлополимерные соединения, характерно появление на рентгенограммах нового рефлекса и смещение центра аморфного галополимера в сторону больших брэгговских углов, что свидетельствует о перестройке структуры и образовании новых химических связей [33]. Характеристики таких пленок переноса в меньшей степени зависят от изменений параметров окружающей среды, что приводит к повышению работоспособности СК не только в НКУ, но и в вакууме. Об этом свидетельствуют результаты испытаний меднографитного серийного материала МГС-7и и металлополимерной композиции 8 по следу, образованному ранее металлополимерной композицией.
В начальный период трения интенсивность изнашивания материала МГС-7и невелика и сравнима с аналогичной характеристикой металлополимерной композиции 8. По мере накопления продуктов изнашивания материала МГС-7и в пленке переноса износ обоих материалов возрастает и в дальнейшем становится катастрофическим.
Кинетику процесса формирования пленки переноса в металлополимерном скользящем электрическом контакте можно представить следующим образом [156]. Центрами образования пленки могут быть микро- и макродефекты (в вакууме — и ювенильные участки) поверхности меди. Дискретность образующегося слоя уменьшается по мере заполнения впадин микрорельефа продуктами изнашивания. На этой стадии инициируется механохимическое взаимодействие металлополимерной пленки с поверхностью контртела с образованием адгезионных связей, причем проводимость образующихся мостиков сравнима с проводимостью композиций. По мере трения скорость переноса материала уменьшается, наступает стабилизация толщины пленки. Для материала определенного состава время проявления эффекта зависит от ряда факторов, в том числе от величины остаточного давления и состава внешней окружающей среды. В вакууме стабилизация толщины пленки проявляется значительно позже, чем в НКУ, причем установившаяся толщина слоя также больше. Вероятно, в вакууме металлополимерные композиции формируют более толстую, чем в НКУ, постоянно возобновляющуюся поверхностную часть пленки переноса, которая выполняет исключительно защитные функции, заключающиеся в передаче к нижележащей пленке основной механической и электрической нагрузки. Это обеспечивает трущейся паре положительный градиент свойств по глубине, необходимый для нормального трения [50, 51, 286].
Сформированные металлополимерные пленки переноса способны к регенерации при изменении условий эксплуатации и локализуют сдвиговые деформации в тонком поверхностном слое, обеспечивая тем самым самосмазываемость контакта.
