Легирование поверхности металлов при трении под влиянием органических поверхностно-активных веществ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.18 ВАК РФ

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМ1Я НАУК УКРАШИ 1НСТИТУТ XIMIÏ nOBEPXHI

p Г Б ОД

1 1 На правах рукопису

УДК 539: 538.6

М1ЩУК Олег Олександрович

ЛЕГУВАННЯ ПОВЕРХН1 МЕТАЛ1В ПРИ TEPTI П1Д Ы1ЛИВОМ ОРГАН1ЧНИХ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН

01.04.18 - ф!зика поверхн!

АВТОРЕФЕРАТ дисертацп на здобуття наукового ступеня кандидата ф!зико-матемагичних наук

kh'íb - 1996

Дисертацкю £ рукопис

Роботу виконано в УкраТнському науково-доавдному ¡нституп нафтопереробки "МАСМА"

Науков1 керюники: доктор фвико-математичних наук, професор ЛЯШЕНКО Микола 1ванович

кандидат техн'мних наук, старший нэуковий сп'юро&гник КАРАУЛОВ Олександр Кирилович

Оф'|цмн'| опоненти: доктор фоико-математичних наук, професор ЗАБАШТА Юрй Федосмович

доктор фвико-математичних наук ГОРБИК Петро Петрович

Провдна органзэцю - Ыститут металофвики HAH Укрэ7ни

Захист в'дбудеться "оСй.-" __________1996 р.

о/^годим на заоданм спец!алЬованоТ вчено) ради Д.01.73.01 в (нститул xiMÜ поверхн! HAH УкраТни эа адресою: 252022, КиТв, проспект Науки, 31.

3 дисертацюо можна ознайомитися у б1блютец11нституту xiMii поверхн! HAH УкраТни, 252022, КиТв, проспект Науки, 31. Автореферат розклано _______1996 р.

Вчений секретар q г ГЛ /_—

cneuiani30BaH0i вченоТ ради Ч/СПРИХОДЬКО Г.Г1,

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальность теми. Тертя традиц1йно пов'язуеться з енергетичними та матер1альними втратами, що супроводжують функцюнування машин та механвмв { являють собою значну народногосподарську проблему. Але фрикцмна взаемодю твер-дих тл визначасться не тшьки механкою IX контактування, але й фвико-х1'ммними (зокрема, механохмнними) процесами, як» за учаспо навколишнього середовища перетворюють зону тертя на здатну до релаксацп термодинамнно в'щкриту систему. Тому не менш важливим е застосування тертя як засобу високо-енергетичного впливу на метали з метою формування нового фЬико-х1м'|чного стану ?х поверхонь. наприклад, для забезпе-чення сукупносл зносостйких та необхщних електричних 1 маг-нгтних характеристик контакте космнно!, морськоТ та надвисо-ковакуумноТ технки. Все ширше тертя використовуеться I для фрикцмного синтезу нових тонкоплвкових або порошкуватих матер(алю, прикладом чого може бути вщкриття легованих киснем металевих сплави.

В(домо, що концентрация кисню в ловерхневих шарах мета-лу в декшька раз1'в нижча при терл в органичному середовищ1 по-рщняно з тертям у повггр11 суттево змнюеться залежно вд приро-ди введених до цього середовища поверхнево-активних речовин (ПАР). Отже, ¡снус принципова можливкть цшеспрямованого ле-гування поверхьй металу, наприклад, киснем за допомогою ПАР та сил тертя. що становить значний ¡нтерес у зв'язку з вщносною простотою використання цього процесу для р1зномасштабно'( зм!-ни механ'нних, електричних та магн^тних властивостей поверхне-вих шар1в металу. »

Водночас, механ'вми впливу ПАР при терл розкрил недос-

татньо 1 не можуть бути пояснен! процесами ршноважноУ адсорб-ни ефектом Ребждера, бо за високоенергетичних умов тертя вщбуваеться механожм'нне перетворення адсорбцмного шару, а структура змии та руйнування металу масштабно непор'юнянж з адсорбцию та впливом ловерхнево! енерш металу.

Мета роботи: доиидити закономфност1 та визначити го-ловж чинниш впливу говерхнево-активних речовин на змЫу конценграцн кисню в метал1 при терл в органнному середовищ1 Г<?ловж завлання роботи:

дослщити д!електричн властивосп контактно!' зони тертя та аворити '¿У електричну модель;

розробити методику надвисокочастотних вим1рюаань та досл'щити динамку легування металу при терл;

розробити методику оцЫки хМчного стану атомш три-компонентно! системи "метал+кисень+вуглець" за м оже-спект-рами;

доандити та розмежувати рвн! за фазовим станом ло-верхнев1 шари металу, що виникають при терте;

вивчити елементний склад, структуру та електричн'| властивосп поверхонь тертя 'I 1х залежноь в1ц навантажувально-швидюсних умов тертя, природи ПАР, природи та намагнненост! металу;

провести модельний фаичний експеримент: легування плшки хммно чистого зал'ва, вкритого гшвкою ПАР, пщ дюо ¡нтенсивного електронного випромнювання у вакуум!;

досл'щити можливсть цшеспрямованого легування металу за допомогою сил тертя 1 ПАР.

- Вперше визначено ефект навуглецювання повэрхневих шарш метал'в з органнного середовища як головний чинник, що стримуе Тх окиснення при терн'.

- Вперше виявлено ¡снування при терл легованого вуглецем, упорядкованого оксидного шару завтовшки 1-2 нм П|Д час тертя 1 до 5 нм П1сля нього, що формуеться на поверхм аморфвованих внаслщок тертя, окиснених та навуглецьованих поверхневих шаре металу (товщина жих 20-500 нм).

- Показано, що рганоманп'нкть резисгивних I нелШник електричних властивостей контактно! зони тертя двох однакових металщ зумовлена донорно-акцепторним характером домшки вуглецю в оксидному шар), який створюе дюлектричний потен-цйний бар'ер (ДПБ) у зон! тертя.

- Визначено, що оксидний шар обмежуе попадания вуглецю з адсорбцмного шару в метал. ПАР при терт! структурно активують (розчиняють) поверхню оксидного шару, регулюючи таким чином легування металу вуглецем.

- Зроблено висновок, що механоюм'нний вплив тертя насамперед змЫю€ вуглеводневу складову органтного середовища. Тому ПАР при терт! сл(д розглядати як джерело вуглецю водночас, як ноай полярних труп, що регулюють його попадания в метал.

- Виявлено ефект графетизацн шару адсорбованих на метал ПАР при збшьшенж навантажувально-швидюсних параметра тертя, що спричинюе нвелювання властивоаей оксидного шару та впливу ПАР.

Розроблено I реал1зовано в УкрНД1нафтопереробки "МАСМА"

установку та методики визначення шляхом електричних виьфю-вань: параметре ДПБ за вольт-амперними характеристиками (ВАХ) зони тертя; властивостей контактно! зони тертя за до-помогою синхронвованих ¡мпульсних вим1рювань (захищена авторським свдоцтвом про винахд I поала перше мсце на конкура методик у НВО "МАСМА"); стану поверхневих шар® металу при терл з застосуванням технки надвисокочастотних вим1рю-вань {захищена авторським свдоцтвом про винах'|д).

Розроблено та апробовано методики: оц1нки зарядю атомв трикомпонентноУ сиаеми Те+кисень+вуглець" за и оже-спектрами; розмежування та вим1рювання товщин видозмЫених при терт'| адсорбцйного 1 легованих шарю металу (використо-вуеться ф»рмою А01В1Б для оцшки антифрикцмних властивостей присадок до моторних олив); дослщження ефективносп легу-вання металу за допомогою органнних ПАР пщ дюо ¡нтенсив-ного електронного променя у вакуумь

Результата роботи можуть бути використаш при створена сучасних технолопй обробки металу з метою формування яюсно нового фиико-хммного стану його поверхневих шаре (аморф-но-крисгалмного, легованого наговпровщникового), а також при розробц! високоефективних пластичних мастил 1 рекомендацм щодо IX рацюнального застосування у вузлах тертя.

Науков1 положения, шо захишаються.

1. Навуглецювання метал1в з органнного середовища е при терт» таким же фундаментальним явищем, як I ¡х окиснення. Навуглецювання зумовлюе ефект виб1рного окиснення металт при терт'| п'д впливом органнного середовища 1 ПАР.

2. На поверхн» аморф13ованих внаслщок тертя, легованих киснем 1 вуглецем шарш металу при терл формуегься тсно

пов'язаний з адсорбцмним шаром, бшьш структурно упорядко-ваний, легований вуглецем оксидний шар. ВЫ обмежуе дифузио вуглецю з адсорбциного шару в метал.

3. ПАР при терт! сприякэть структурному активуванню по-верхн'| оксидного шару. Це полегшуе навуглецювання металу.

дослщжень, яю виконаж автором особиста або у сп1вавторств1 з колегами по робоп Сгававторам не належать ¡деТ, ям винесено на захист як науков1 положения. Автор безпосередньо провв уа експериментальж вим!рювання, що визначають наукову новизну дисертацмноТ роботи, 1х обробку та оформления головних наукових праць.

та обговорювалися на науковому семЫар! в 1нституп теоретично! ф'вики АН УРСР (КиТв, квгсень 1987 р.); на Всесоюзна науково-техн'нни конференцй' "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах" (Ялта, травень 1990 р.); на Всесоюзна науково-техн'мжй конференци "Научно-технический прогресс в химмотологии топлив и смазочных материалов" (Джпропетровськ. травень 1990 р.); на науково-техн'ннм конференци "Структурная самоорганизация и оптимизация три-ботехнических характеристик конструкцйонных и инструментальных материалов" (Терноп'шь, вересень 1990 р.); на Московсьюй М1жнароднм конференцн з композит (Москва, листопад 1990 р.); на 5-|'й Всесоюзна науково-технннм конференци з пластичних мастил (Бердянськ, вересень 1991 р.); на 5-1й науково-техн^чнм конференцн "Триботехника - машиностроению" (Н.Новгород, вересень 1991 р.); на 9-ому ^¡жнэродному колокв1ум1 з трибологи

I. Дисертацю е узагальненням

ня роботи. Головн1 результати роботи доповщалися

(Esslingen, January 1994).

Публкаци. За матер1алами роботи опублковано 16 наукових праць i отримано 2 авторсью свщоцтва про винахд.

Структура та обсяг дисерташ. Робота складаеться з вступу, п'яти глав та висновюв; мстить 42 рисунки, 12 таблиць, список лтератури з 175 найменувань, список умовних скорочень i 5 додатюв; викладена на 101 cropinm" машинопису. Загальний обсяг дисертаци -194 сторнки.

ОбЧктами досл'шження були поверхнев1 шари металю, що видозммювалися внаслщок тертя в орган1чному середовии^ гвд впливом ПАР.

Методи досл'шження: оптична та електронно-растрова мк-роскоп1я; локальна оже-спектроскопи та спектроскопа харак-теристичних втрат енергй електрон^в, мкрорентгеноспектральний аналв, мас-спектроскопга; дюрометрт, профшометрю; рентгено-структурний аналв; електричж методи дослщження резисгивних характеристик. v

ГОЛОВНИЙ 3MICTРОБОТИ

У встут наведено актуальнгсть теми, мету i завдання дослщження, загальну характеристику роботи, ii новизну, практичну значущсть i HayKOBi положения, що захищаються.

В першм глав1 проаналоовано властивосл поверхневих LuapiB металу при терн ефекти Тх насичення електронегативними елементами i вплив органнного середовища. Зокрема, вид'шено пров1дну роль пластичноТ деформацй в формуванн'| за "нормальних" умов тертя кристало-аморфно! структури металу, що сприяс поглинанню адсорбованих на його noeepxHi елементв навколишнього середовища 1 цим обумовлюе ефект легування

при терн

За эмЫами мммного складу поверхневих шарю металу при терл активш компоненти органнного середовища подтено на дв1 групи: 1) ПАР, що впливають на концентрацю кисню, та 2) х1-м'нно-активн1 речовини. що € джерелом, налриклад, арки, фосфору, хлору, яю поглинаються поверхнею металу. Водночас, роль елементю-вщновлювачв (водню \ вуглецю) у процесах насичення металщ електронегативними елементами залишаеться нез'ясова-ною. Формуеться робоча концепция легування металт при терп, яка обгрунтовуе мету 1 завдання дослщження.

У лрупй глав1 обфунтовано вибф об'еклв дослщження, дано опис методик одержання 1 дослдження зразкв металв 1 ПАР, розроблених засоб1в I пристроТв та методики оц!нки похибок ви-м1рювань.

3 металв дослщжували : Ре (сталь), N1, Си, № 1 А1.

Як ПАР були вибран орган)чж речовини а структурою Я-СОО-М, що в(др1знялися мск собою природою катюна (К1=НД Иа.К), а також неявною у вуглеводневому радикал! (В) гщрок-сильноТ групи. 3 метою рвном1рно'| подач1 ПАР у зону тертя використовували Тх олеогеет в очищенй парафЫо-нафтеновм вазелЫовм олив1 з визначеними влааивостями та складом. Отже, зразки ПАР являли собою колоТдм системи, дисперсною фазою яких були: стеаринова кислота (дал1 НБО; 12-пдроксистеаринова кислота (12-НоБ0 та Ух лтйов1 (в'иповщно ИБ!, 12-1_ю50. натрмов1 (№Б1,12-№оБ1) \ калмов! (К5г, 12-Ко50 мила.

Кр1м головноТ групи ПАР використовували також допомЬк-ну: олеогел1 кальцмових \ бар!йових мил 12-пдроксистеариново| кислоти у вазелмовм олив1; розчини або суспензн в оливах таких имнно-активних речовин, як дибензилдисульфд, дифеншдитю-

фосфат цинку, сульфонат калыдю та ¡нил.

Дослдження твердотшьних та коло'Удних зразюв ПАР проводили за допомогою: мас-спектрометрп, газо-рщинноУ хроматограф«, оптичноУ спектроскоп!? в УФ-дапазон1, диференцмного термнного аналау, рентгеноструктурного аналву, а також за стан-дартними методиками дослщження влааивоаей пластичних ко-лоУдних систем (ГОСТ 4.23-83).

Тертя реалвовували на установив яка була створена на баз1 модифкованоУ машини тертя СМЦ-2. Бона дозволяла дос-лджувати ВАХ зони тертя, проводити вим!рювання в низько \ високочастотному (до 1 МГц) дшпазонах, а також синхронвоваИ з пересуванням поверхж контртш статистичы ¡мпульсн та над-високочастотж вим!рювання. Додатково використовували чотири-кульков1 машини тертя типу ЧМТ-11 МАСТ-1.

Третя глава присвячена експериментальним дослщженням легування металв при терл та впливу на цей процес природи ПАР \ металу.

Феноменолопчно визначено навантажувально-швидккн! I температура умови, за яких в'щбуваеться легування метала. Дал1 доведено, що при терт1 в органнних середовищах метал ктотно збагачуеться на глибину 20-500 нм (Ыод|° бшьшу) киснем. Але разом з тим за результатами електронно-мкроскопнних, оже-, мкрорентгено- I мас-спектральних дослщжень у цих же шарах стал! зафксовано \ ¡стотне п'щвищення концентраци вуглецю (рис.1), джерелом якого с органмне середовище.

За результатами мас-спектральних дослщжень зроблено висновок про те, що впливом водню, як легуючоУ домшки, мож-на знехтувати. ДифузЬо ¡нших елементю зовншнього середовища в метал достоа:рно не виявлено. За енергкю активаци дифузм

О 20-500

В'щстань в'д поверхж, нм

Мш

1

3 .

РисД Роз подл кисню I вуглецю в метага п1спя тертя I схеми ловерхневих шарш, що утворюються: 1 - адсорбцмного (видо-змЫеного внаовдок механохмчного впливу тертя); 2 - окисненого; 3 -навуглецьованого; 4 - з аморфвованою структурою, але незмЫним елементним складом.

хрому в стал1 визначена верхня межа енергетичного впливу "нормального" тертя на поверхню металу - 4,5 еВ.

Вплив рЬноман'|тних факторов на окиснення та навугле-цювання поверхневого шару сталевих зразюв анал1зувався за допомогою критерйв: п

¡=1

де ^ I СМе_|с - концентраци ¡-го легуючого елемента та дослщ-жуваного металу в'щповдно, розраховаж за оже-спектрами по-верхж на к-ому ступеж п розпилення юнами Аг+; Wj - середне значения С; |с/СМе ^ для вихдного металу; п - ильисть ступени

юнного розпилення, поя яких вираз у дужках дорюнюе нулю.

Дослджено роль технолопчних домкдок, що попадають до складу орган1чного середовища пщ час приготування, та доведено, що насичення металв киснем 1 вуглецем визначаеться переважно властивоаями дослщжуваних ПАР.

Зроблено висновок про те, що дифуз'ю вуглецю з орган'н-

ного середовища в метал зумовлюе можливоь цшеспрямованого легування металу киснем. Тобто, одночасне попадания вуглецю I кисню в поверхнев1 шари металу при терт! с виб1рним процесом, який регулюсться ПАР I може характеризуватися за допомогою критерю:

де 0о та 0С - критери за рвнянням (1) для кисню I вуглецю. В цшому, ПАР, що при терт'| пщсилюють навуглецювання поверх-невих шарю металу, сприяють меншому Тх окисненню.

Рвноманстна форма оже-лМ? вуглецю в рЬних поверхневих шарах ста™ (рис.2) свщчить про його багатогранну роль у проце-сах легування металу. Вппив ПАР особливо сильно виявився в д|-апазож навантажень, у якому форма оже-лш вуглецю для адсор-бованого на метал1 шару вуглеводневих молекул змнювалась при терп в межах форми оже-лУй, зображених на рис.2,а 1 2,6. Поява при збшьшенм навантаження оже-лни, лодйноТ за формою до оже-шн» вуглецю для адсорбованоТ на метал1 пгавки графгсу (рис.2,в), свщчить про перебг процеав графгсизацн поверхн1 за

Рис2. Форма оже-лжи вуглецю в раних поверхневих шарах стам теля тертя: а,б,в - адсорбцмний шар; г,д • оксидмий шар; е - карб1д; ж - мартенсит.

впег -«Эо " 0с> / 1«о + 5с> ■ <»

гЛ

досигь жорстких умов тергя. Пгсля цього мегал починае б^льш ¡нтенсивно поглинати кисень \ вуглець, що супроводжуеться збшьшенням конценграцн I глибини проникнення цих елеменлв в його поверхнев1 шари (Влег —0).

Вплив природи металу на його легування киснем I вуглецем вивчався в середовищ! таких ПАР як №51 (переважне окиснення сталО \ НБ1 (переважне навуглецювання сталО. Виявлено, що для

поршняно з ЬШ в поверхневих об'емах Си 1 № концент-рацш кисню при терл зб'шьшуеться, а вуглецю - зменшуеться. Од-нак для А1 у випадках як так I НБг водночас з незначним на-вуглецюванням переважно мае мкце окиснення. Шсля графггиза-цм адсорбцмного шару насичення А1 вуглецем збшьшуеться, а киснем зменшуеться. Вплив рвноТ природи ПАР на легування металу виявлясться максимальним для N'11 Си I найменшим для А1. Тобто, за вийрне легування металв п'щ впливом ПАР при терл несуть вщповщальнкль актива поверхнев1 с1-аани металу.

Отже, при терт1 вщбуваеться навуглецювання век дослд-жених металю (навпъ Си, яка з вуглецем практично не взаемодк). Цей ефект рееструеться для вах схем тертя, ПАР, а також Х1Мнно-активних речовин з допомЬкно? групи зразю'в.

ричних властивостей поверхневих шар1в металу в процеа тертя та пкля нього.

За результатами комплексних електричних дослщжень зроб-лено висновки : шумова модуляцю електричних сигналю, що пов'язана з вдносним перемкценням контактуючих поверхонь метал1в, не позбавляс ц1 сигнали информативное^; резистивн1 властивосп зони тертя зумовлюються не повним об'емом ле-гованих шар!в металу, а значно тоншою Тх поверхневою час-

присвячена дослщженню структури та елект-

тиною. Дослщжено ВАХ контактно!' зони тертя та проаналвовано типи нелийносп |'х форма Зроблено висновок про тунельний механвм переносу заряду (при 1К 0, б В) 1 наявнсть у зон1 тертя ДПБ, що мае ВАХ (рис.3):

г = а, (У + а2иг+ а3и3) . (3)

де I - густина струму; и - напруга; а1 - питома електропровщнкть; а2 1 а3 - коеф)цкнти квадратично! \ кубмно! нелУйност! ВАХ вщповщно.

РисЗ. Типов'1 ВАХ контактно! зони тертя.

Розроблено методику оже-спектральноТ оцнки заряде атомю системи "Ре+кисень+вуглець". Емпрично отримали:

^е =к('з/»1 -'зо/Ьо) ' М

3 використанням умови електронейтральносп поверхневого шару, експериментально знайдено? величини к, а також

наблихення 2 к = - 2 е розрахували:

2ВУГ = " <2КСК/Свуг 4- 2реСре/СВуГ), (5)

де Сре, Ск » Свуг - концентрацм (ат.%) Ре, кисню 1 вуглецю на дослщжуванм поверхж вщловщно; гк \ Ивуг - ефективм заряди атоме Ре, кисню I вуглецю вщповщно; 11 \ 13 - ¡н-тенсивносп диференцмнлх 123М45М45(703 еВ)- та 1-23^23^23" (598 еВ)-оже-лУй Ре для доовджуваноТ сталево? поверхн вщпо-вщно; 110 ! 'зо " ¡нтенсивносл цих же оже-лмй для чистого Ре

вщпов'щно; к=соп51 \ залежить вд металу га режимю ресстрацн оже-спектрш; е - заряд електрона за абсолютною величиною.

Необхдно звернути увагу на едишсть значения 2^/к, отри-маного внасл'док аналау бшьше 200 оже-спектрш сталевих поверхонь тертя. Це експериментально доводить справедлив!сть виразу гк=соп51=-2е.

На рис.4 зображено кореляцмы залежносп, яи на вщм1ну вщ профшш розпод'1лу елементш (рис.1) не е пов'язаними з товщиною поверхневих шарш, а визначаються град'ентами концентрами та характером взаемодн легуючих дом!шок I металу. Ц1 результати оже-спектрального аналву, доповнем даними рентгенострук-турних дослщжень I спектроскоп» характериаичних втрат енергп електроню, дозволяють визначити тага типи поверхневих шара поя тертя: 1 - хемосорбцйний; 2 - оксидний; 3 14- леговаж приповерхневий 1 глибинний; 5 - з аморфвованою сруктурою, але подВний за елементним складом до вихдного металу.

Оксидний шар мгстить негатива або позитивн ¡они вуглецю (рис.2,г \ 2л вщповщно) 1 може повнгстю блокувати дифузю . вуглецю з адсорбцмного шару в метал (для ЫаБ^ рис.4).

За допомогою модели тунелювання вшьного електрона через одиничний ДПБ розроблено електричну модель контактно! зони тертя, яка пов'язуе лараметри ДПБ (товщину, висоту, не-симетричжсть) з параметрами вимровано!' ВАХ (рюняння (3)).

Висота ДПБ у контактнй зон! сталево? пари тертя, який мае товщину 1-2 нм, для вах навантажень ! ПАР виявляеться ¡стотно нижчою за роботу виходу електрона у вакуум для залва та його оксидю, але змЫюегься в межах ширини заборонено? зони оксидщ залва. Отже, оксидна пл'вка на поверхн! легованих шарю металу формуеться безпосередньо пщ час тертя. Ширина забо-

Шар 1

Шар 2 . Шар 3

Шао 4

,Ш. 5

2

ф

U.

U \ W 1

Концентрафя Fe (CFe), ат.%

Рис4. Кореляцмй залежност) Mix концентратами i зарядами Fe (CFe i Zfe вадповдно), кисню (Ск; ZK) i вуглецю (Свуг; Zgyp) в

поверхневих шарах стал», що були сформован) енас/вдок тертя л(Д впливом ПАР: 1 - list; 2 - NaSt; 3 - HSt. Лггери позначають характерну для дослщженого шару форму оже-гани вуглецю, зображену на рис.2.

роненоУ зони оксиду та розташування ршня Ферм1 (що залежить В(д типу домшжи вуглецю) визнамають висоту ДПБ у контактжй зон1 тертя (рис.5).

а б в

РисБ. Схеми мкроконтакту зони тертя (а), його електронно!. структури (б) \ створюваного ним ДПБ (в). Позначення: 1 - колоТдна система ПАР; 2 - механохмнмо видозмЫений шар ПАР на поверхн1 зразка; 3 - графттеований адсорбцшний шар на поверхн) контртша; 4 - дюлектричний оксидний шар, легований вуглецем; 5 -оксидний шар, електрично шунтований метками вуглецю; б - приповерхневий електропровщний шар металу, легований киснем \ вуглецем; 7 - рюень Ферм1; 8 - донорно-акцепторм рви домшки вуглецю; 9 - валентна зона; 10 - заборонена зона; 11 - зона електропровдносп; £ - енерп'я електронних стамв; х - просторова координата.

П'ята глава присвячена модельним дослщженням, яи конкретизують мкромеханвми впливу ПАР при терй

Дослщжено анвотропга впливу оркнтацн намагн'неносп металу в тангенцмнм до поверхн! тертя площин1 на властивосл поверхИ тертя для випадку 12-Ыас$1 Цей ефект пов'язано з анвотропною структурою адсорбооаного моношару ПАР 1 зроб-лено висновок (з енергетичних мфкувань) про кнування бе?-

посереджх обмЫних взаемодм мЬк (1-орбиталями поверхневих атомш металу I парамагн1тними центрами ПАР (карбоксильними трупами), яю оргёнтують всю молекулу ПАР у ц'шому.

Вивчено можливкть легування х1мнно чистого Ре вуглецем з адсорбованих на поверхж Ре орган'нних ПАР внаслщок ¡он'вую-чого 1 теплового впливу електронного променя у вакуумк Роз-мивання меж1 подшу "орган1чна - металева плшки" при опромн ненж за рахунок дифузн вуглецю з плюки ПАР у металеву веде до утворення перехщноУ зони карб'щщ Ре, що зм!цнюе металеву фазу та захищае и вд розплавлення. Вщбуваеться також часткове випаровування лл'шки ПАР та графпмзац1я ткУ II частини, яка залишаеться на поверх» металу пкля електронного опромЫення. Виявлено вплив карбоксильно'1 групи ПАР на товщини органнноУ та карб'щноТ зон, що утворюються. Отже, органнна молекула ПАР е джерелом вуглецю ¡, водночас, ноаем полярних груп, що регулюють попадания вуглецю з адсорбцмного шару в метал.

Анал'в властивостей адсорбщйного \ оксидного шарю, а також характеру легування металу при терп дозволив виявити, що за допомогою ПАР з рвним катоном у карбоксильнм грут мож-на забезпечити довшьну вийрноь легування с1-металв або спла-В1В на IX основ1 Так, для стал1 Влег змЫюеться в'щ -0,7 (для Н5г)

до +1,0 (для ЫаБО. Пдроксильна група впливас слабккие, але в поеднанн з карбоксильною дозволяс отримувати пром1жн! значения Влег. Виявлено кореляцно мЬк характеристиками зношува-ння I тертя металу, величиною Влег I отвв'щношенням таких параметр'« катюна в карбоксильнм груга ПАР, як спорщненкть до електронз \ електростатичний потенцюл, що характеризують здат-н'оь ПАР до структурного активування поверхж оксидного шару.

висновки

1. Дослджено склад, структуру. електричн'| \ магнггы властивосп поверхневих шар1в мегалю, видозмшених внаствдок пластично? деформаци \ легування за умов "нормального" тертя (коли енерпя активування поверхж не перебшьшуе 4,3-4,7 еВ). Доведено, що з застосуванням тертя та ПАР поверхню металу можна цтеспрямовано легувати киснем 1 вуглецем. ■ Процес навуглецювання металу змодельовано за допомогою електрон-ного опром^ювання плвки Ре, вкритй плюкою органнних ПАР.

2. Розроблено та апробовано методики : оцЫки заряде атомв трикомпонентноТ сиаеми "Ре+кисень+вуглець" за II оже-спектрами; дослщження параметрщ дюлектричного потен-цмного бар'ера за вольт-амперними характеристиками зони тертя та ¡нш1

3. Виявлено, що навуглецювання металв внашдок меха-ножмнних перетворень вуглеводневоТ складовоТ ПАР та орга-н'много середовища е при терте таким же фундаментальним яви-щем, як \ Тх окиснення. Навуглецювання - це в'щновлювальний процес, який зумовлюе ефект вибфного окиснення металв при терп пщ впливом орган'много середовища 1 ПАР.

4. Процес навуглецювання при терл виявляеться (внаслщок аморфоац» структури) незалежним в'щ природи металу, але регулюеться його поверхнею ¡, зокрема, е бшьш ефективним при наявносп активних Ь-орблалей.

5. Ефекти легування металу киснем 1 вуглецем зумовлюють одночасне ¡снування двох масштабних р!вн1в структурно-фазових перетворень його поверхневих шар1в при терп В мкронному масштаб! формуються зносослйю, легован! киснем 1 вуглецем, аморфвоваж шари з металевою електропров'днстю. В нано-

скоп'нному масштай виникае б!льш упорядкований, легований вуглецем оксидний шар, що характеризуемся делектричними, анвотропними магнпгними i мембранними властивостями.

6. Дослджено електричм властивосл зони тертя i побудо-вано ¡т електричну модель. Доведено, що вони визначаються не вам об'емом легованих шарв металу, а переважно оксидним шаром, який формуе в контакшй 30Hi тертя даелектричний потен-цмний бар'ер.

7. Виявлено, що адсорбцйний шар на метал1 впливае при терл на формування донорно-акцепторного характеру домшки вуглецю в оксидному uiapi, що визначае розташування рвня Фер-м\ в його забороненм 30Hi i, водночас, властивосл адсорбц'|йного шару. Отже, в умовах тертя на поверх^ металу ¡снуе единий комплекс адсорбцйно-оксидних структур.

8. Навуглецювання металу в'щбуваегься за рахунок дифузи вуглецю з адсорбц|'йного шар у в метал через оксидний шар. ПАР при терл структурно активують (розчиняють) поверхню оксидного шару, полегшуючи навуглецювання металу.

9. При збшьшенн! жорсткосп умов тертя в'щбуваеться графЬ тизац1я адсорбцмного шару на металл яка спричинюе нюелювання властивостей оксидного шару i впливу ПАР на легування металу при терл.

Головн! положения дисертацГ| викладено в роботах:

1. Влияние катиона мыла на трибологические характеристики смазочного материала. /Мищук OA, Наконечная М.Б., Ляшенко Н.И., Караулов АК., Мнищенко Г.Г. //Химия и технология топлив и масел. -1989. - N 11. - С 26-28.

2. Transition Temperatures and Tribochemistry of The Surfaces under Boundary Lubrication. /Matveevsky R.M., Buyanovsky IA, Karaulov AK., Mischuk OA, Nosovsky O.I. //Wear. - 1990. - V. 135, N 1. - P. 135139.

3. Mischuk OA, Lyashenko N.I., Mischuk VA Effects of electron beam processing in technology of manufacturing of metal-organic thin film composites. - In: MICC-90: Proc. Moskow Int Composites Confer. London-New York: Elsevier Applied Science, 1991. - P. 881-883.

4. Ляшенко Н.И., Мищук OA Влияние намагниченности на свойства поверхности металлов при трении в органической среде. //Украинский физический журнал. - 1991. - Т. 36, N 6. - С 898-903.

5. Мищук OA, Годун БА Влияние углерода на изменение структуры поверхностного слоя металлов при трении. //Трение и износ - 1993. - Т. 14, N 2. - С. 407-411; Mischuk OA, Godun ВА Influence of Carbon on Change of a Surface Layers Structure of Metals at Friction. - In: Journal of Friction and Wear, v. 14, N 2. New York: Allerton Press, 1993. - P. 141-144.

6. Мищук OA, Кожемяченко B.H., Годун БА Исследование механизмов окисления и науглероживания стальных поверхностей при скоринге. //Трение и износ - 1994. - Т. 15, N 1.- С 49-56.

7. Vipper АВ., Karaulov АК., Mischuk OA New Data on The Mechanism of Aotiwear Action of Zinc Dithiophoshates in Lubrication Oils. //Lubrication Science. -1994. - V. 7, N 1. - P. 93-100.

8. Антифрикционное действие присадок к моторным маслам. /Виппер АБ., Караулов АК., Мищук OA, Лукинюк М.Ю. //Нефтепереработка и нефтехимия. - 1994. - N 9. - С 23-27.

9. Вплив пластичних мастил та розчимв, як! моделюють техно-лопчне середовище харчових нагавфабрикалв, на процеси тертя та зношування бронзи /Кожем'яченко В.М., Мицук О.О., Пушанко М.М., Кобилянський £В. //Цукор УкраТни. - 1995. - N 2. - С 28-30.

10. Ас. 1245937 (СССР). Способ определения состояния поверхностных слоев материалов пар трения. /Ляшенко Н.И., Мищук OA -Опубл. в Б.И., 1986, N 27.

11. Ас 1442872 (СССР). Способ определения устойчивости режима трения. /Мищук OA, Караулов АК. - Опубл. в 5.И., 1988, N 45.

12. Влияние природы катиона мыла на взаимодействие процессов окисления и науглероживания стальных поверхностей при трении. /Мищук OA, Наконечная М.Б., Караулов АК., Ляшенко Н.И. - В кн.: Научно-технический прогресс в химмотологии топлив и смазочных

материалов: Тез. докл. Всес научно-технич. конф., Днепропетровск, 1418 мая 1990 г. Днепропетровск: изд-во ДХТИ, 1990. - С 165.

13. Мищук OA Электрические методы исследования трибохимических свойств мыльного загустителя. - В кн_' Тез. докл. 16 Респубя научно-технич. конф. по проблемам переработки и исследования нефти и нефтепродуктов, Уфа, 4-6 сентября 1990 г. Уфа: изд-во ВХО им. ДИ.Менделеева. 1990. - С 99.

14. Ляшенко Н.И., Мищук DA, Караулов А.К. Структурная самоорганизация и сверхвысокочастотные электрические свойства поверхностей трения. - В кн.: Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов: Тез. докл. научно-технич. конф., Тернополь, 25-27 сентября 1990 г. Киев: Знание, 1990. - С 32.

15. Мищук OA Влияние мыльного загустителя на формирование защитных структур поверхности металла в зоне трения. - В кн.- Тез. докл. 5 Всес научно-технич конф. по пластичным смазкам, Бердянск, 2-5 сентября 1991 г. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1991.- С 124-126.

Mischuk OA The Inculcation of Additions in Metal Surfaces at Friction under Influence of Organic Surfactants. Thesis applied for a degree of Candidate of Science in specialized field of surface physics, Institute of Surface Chemistry of Ukraine National Science Academy, Kiev, 1996.

16 papers and 2 author's certificates of inventions have applied for a higher degree contained results of experimental studies of the state of metal surface layers at friction in the organic environment More regulated oxide film on the amorphous metal surface which control a diffusion of carbon from adsorption layer to metal under influence of organic surfactants is discovered. Analysis of results confirm that a diffusion of carbon from an organic environment to metal is the fundamental phenomenon which regulate the metal oxidation at friction. Methods of the investigation and the control of metal surface states at friction are elaborated.

Мищук OA Легирование поверхности металлов при трении под

влиянием органических поверхностно-активных веществ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 - физика поверхности, Институт химии поверхности НАН Украины, Киев, 1996.

Защищается 16 научных работ и 2 авторских свидетельства на изобретения, которые содержат экспериментальные исследования состояния поверхностных слоев металлов при трении в органической среде. Обнаружено существование на поверхности аморфизирован-ных слоев металла более упорядоченной оксидной пленки, которая регулирует диффу?"о углерода из адсорбционного слоя в металл под влиянием органических поверхностно-активных веществ. Из анализа результатов следует, что диффузия углерода из органической среды в металл является фундаментальным явлением, с помощью которого регулируется окисление металлов при трении. Разработаны методики исследования и контроля состояния поверхности металлов при трении.

Ключов! слова: метали. поверхнев1 шари, тертя, легування, окис-нення, навуглецювання, поверхнево-активм речовини, делектричний потенц!йний бар'ср, оже-спектроскопя.

ПХдвиеано *о жруку 06.02.Формат 60x84/16 ПапГв *рук.7м®».*р.7к.л. 1,0. Тираж 100й]эич1>кг«.3лкэя М75

Надруковино ЦУ0П "Плоя.винконсл.»«" и.!Сл1»,Сяке»га*е).к»го1.