Контроль трущейся поверхности методами контактной разности потенциалов

под ред. Е.В. Шалобаева. СПб.: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2010. 178 с.

E.V. Shalobaev, V.E. Starzhinskij, D.G. Surikov, R.-T.F. Tolocka OVERVIEW OF POSSIBLE GEAR FAILURE OF ELECTRIC DRIVES Currently the problem is to create reliable smart drives. It is therefore necessary to undertake a detailed analysis of the possible causes of the violation of efficiency, which can have a variety of reasons. To do this, you must consider the drive as a complex technical system consisting of certain subsystems (elements). Identify the most common causes, identify their causes, to provide for their removal, or other means.

Получено 18.10.11

УДК 620.179.112

А.Л. Жарин, д-р техн. наук, проф., (+37529) 504-39-73, anatoly.zharin@gmail.com,

О.К. Гусев, д-р техн. наук, проф., проректор, (+37517) 292-32-53, gusev@bntu.by,

А.И. Свистун, канд. техн. наук, доц., зам. декана, (+37529) 666-52-45, aisvistun@bntu.by,

А.К. Тявловский, канд. техн. наук, доц., (+37529) 569-86-03, andrey psf@tut.by (Беларусь, Минск, БНТУ)

КОНТРОЛЬ ТРУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДАМИ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ

Рассмотрено использование работы выхода электрона для характеризации поверхностей трения. Показана возможность применения зонда Кельвина и его модификаций для непрерывного мониторинга работы выхода электрона трущейся поверхности. Приведены примеры результатов характеризации поверхностей трения с использованием разработанных методов.

Современные методы исследования в области трибологии имеют одну общую тенденцию - обеспечение возможности прямого изучения явлений на фрикционном контакте, т.е. тенденцию оснащения машины трения (или реального узла трения) каким-либо физическим измерительным прибором, обеспечивающим непрерывный мониторинг изменений регистрируемого параметра в процессе трения. К сожалению, круг физических

методов, принципиально позволяющих регистрировать физические свойства поверхности в процессе трения, весьма ограничен.

В этой связи весьма привлекательным является использование работы выхода электрона (РВЭ) для характеризации поверхностей трения. Существующие методы регистрации РВЭ допускают модификации, позволяющие проводить мониторинг трущейся поверхности непосредственно в процессе трения. Следует отметить, что такой параметр, как РВЭ имеет физический смысл только для металлов и полупроводников, однако упомянутые методы работоспособны и в случае диэлектриков, при этом будет регистрироваться такая величина, как потенциал поверхности.

РВЭ - чувствительный показатель процессов, протекающих обычно на поверхности трения: деформации и изменения дефектной структуры; изменения химического и фазового состава; адсорбции и десорбции окружающих узел трения газов и молекул смазки [1]. Эта величина неоднократно использовалась рядом авторов для исследования поверхностей материалов, работавших на трение, а также для исследования взаимодействия смазочных материалов с поверхностями металлов и сплавов [2, 3].

Анализ влияния различных факторов (температуры, адсорбции, изменения химического состава и деформации), имеющих место на трущейся поверхности, на РВЭ показал, что в ее изменения температура и шероховатость поверхности вносят относительно малые вклады. Исключение составляют атомарные шероховатости, такие, как атомные террасы и поверхностные вакансии.

РВЭ металлической поверхности, покрытой слоем полупроводника или диэлектрика, существенно не изменяется, если толщина слоя намного меньше дебаевской длины экранирования. Окислы металлов, а также большинство смазочных сред, являются диэлектриками или полупроводниками с низкой концентрацией свободных носителей заряда, и дебаевская длина экранирования составляет для них значительную величину. Расчеты показывают, что даже для глицерина, обладающего свойствами электролита, дебаевская длина экранирования превышает 1 см. Поэтому влиянием изменения толщины пленок окислов или смазки на результаты регистрации РВЭ можно пренебречь. Однако такие пленки будут влиять на ди-польный слой на границе раздела металл-пленка, который в свою очередь будет вносить вклад в РВЭ.

Вопросы влияния деформирования на РВЭ интенсивно исследовались ранее [4-6]. В общем случае имеет место следующее поведение РВЭ при деформировании - РВЭ незначительно возрастает в упругой области и резко понижается при достижении площадки текучести. С дальнейшим повышением нагрузки скорость изменения РВЭ уменьшается и при достижении стадии динамического возврата не зависит от дальнейшего повышения нагрузки. Резкий перегиб изменений РВЭ наблюдался как при рас287

тяжении пластичных, так и хрупких материалов, не имеющих площадки текучести.

Таким образом, наиболее существенный вклад в РВЭ при трении будут вносить деформационные эффекты, а точнее изменение концентрации мест выхода дислокаций на поверхность, поверхностных точечных дефектов, а также атомарная шероховатость. Кроме того, значительный вклад в РВЭ будет вносить адсорбция как молекул смазки, так и молекул окружающих узел трения газов. Однако влияние адсорбционных процессов может быть минимизировано созданием постоянных условий смазки и окружающей газовой среды при проведении длительных экспериментов.

Высокая чувствительность РВЭ к состоянию поверхностей вообще и поверхностей трения в частности сдерживает применение методов, основанных на ее измерении, вследствие сложности разграничения факторов, вносящих вклад в конечные результаты. Поэтому наилучшей схемой экспериментов при использовании РВЭ в качестве регистрируемого параметра является схема «черного ящика», т. е. схема типа воздействие-отклик. Для случая исследования трения и износа эта схема реализуется при непрерывной регистрации РВЭ в процессе трения.

РВЭ может быть определена прямыми и косвенными методами. В основе прямых методов лежит эмиссия электронов из металла под воздействием энергии, получаемой извне. К косвенным относятся методы определения РВЭ по поведению пучка заряженных частиц на поверхности, адсорбционным или десорбционным характеристикам поверхности и по контактной разности потенциалов (КРП). Методы определения РВЭ по КРП являются бесконтактными, не требуют каких-либо специфических вакуумных, температурных или других условий и поэтому они наиболее удобны с точки зрения контроля поверхности трения.

Существование контактной разности потенциалов (КРП) впервые было показано Александром Вольта в 1800 г. В 1898 году Лорд Кельвин разработал общий подход к измерениям КРП, именно поэтому в англоязычной литературе усторойства для измерения КРП называют зондом Кельвина (Kelvin probe).

Измерения потенциала поверхности является не тривиальной задачей потому, что потенциал поверхности это внутреннее свойство обьекта измерений а не внешний потенциал. Он не может быть измерен простым подключением вольтметра и, более того, создание любого контакта для прямых измерений поверхностного потенциала необратимо изменяет свойства поверхности и, соответственно, измеряемую величину.

Наиболее широко применяется метод Кельвина, модифицированный Зисманом (рис. 1, а).

Рис. 1. Схематичное представление метода Кельвина - Зисмана (а) и его модификация для непрерывного мониторинга РВЭ трущейся

поверхности (б) [7-9]

В нем измеряемый Ы\\ и эталонный М2 образцы формируют плоский конденсатор емкостью С12, одна из пластин которого вибрирует под действием электромеханического вибратора. Вследствие различия РВЭ материалов пластин конденсатора он будет иметь заряд

б = С12 ——— = С12иСРБ(1)

где —1 и —2 - РВЭ исследуемой и эталонной поверхностей, соответственно; е - заряд электрона; иСРБ - КРП.

Емкость конденсатора С12 при периодическом изменении расстояния между эталонным и измеряемым образцами также периодически изменяется со временем. При достаточно большом сопротивлении резистора Я1 заряд не будет успевать стекать с обкладок конденсатора за период изменения емкости, что вызовет появление на входе предусилителя переменного сигнала. С помощью внешнего источника на конденсатор подается напряжение компенсации исотр такой величины, чтобы переменный сигнал стал нулевым, т. е. чтобы оно скомпенсировало КРП. При этом исотр = -иСРБ . В современных измерителях КРП напряжение компенсации вырабатывается автоматически с помощью соответствующих электронных схем или компьютеров, и она постоянно отслеживает значение КРП.

Общее уравнение, описывающее ток в конденсаторе Кельвина, имеет вид

ЛиСРВ

Лб Л (С12иСРБ) и ЛС12 ~ ~ = иСРБ

+ С

Л Л Л Л

В методе Кельвина-Зисмана полагается, что КРП не изменяется за период колебаний эталонного образца, т.е. второй член уравнения (2) полагается равным нулю, а сигнал формируется только за счет изменения

емкости вызванной колебаниями пластины (первый член уравнения (2)).

На рис. 1, б показана принципиальная модификация метода Кельвина - Зисмана для мониторинга РВЭ трущейся поверхности. Следует отметить, что метод может быть реализован для различных машин и узлов трения с неполным перекрытием поверхностей [10].

Для исследования топологии распределения РВЭ по поверхности был разработан, так называемый, не вибрирующий зонд (НВКРП) [11], т.е. разновидность метода Кельвина, в котором отсутсвуют механические колебания пластины конденсатора.

В НВКРП эталонный образец и исследуемая поверхность также формируют плоский конденсатор, однако эталонный образец не вибрирует, а перемещается относительно исследуемой поверхности. Если поверхность не имеет значительных геометрических особенностей, тогда членом

в уравнении (2) можно пренебречь, а член

вносит основной

вклад в выходной сигнал. На рис. 2 схематично показана реализация НВКРП.

Рис. 2. Схематичное представление работы невибрирующего зонда и его фотография (диаметр зонда ~10 мкм)

Выходной сигнал возникает при прохождении зонда над участками поверхности с геометрическими неоднородностями (в соответствии с первым членом уравнения (2)), а также над участками поверхности с потенциальной неоднородностью (второй член уравнения (2)). Разделение

геометрических и потенциальных вкладов, а также уменьшение шумов решается путем компьтерной обработки сигнала при многократном прохождении зонда над одним и тем же участком поверхности с подачей на зонд регулируемого постоянного потенциала Уыа8. НВКРП обеспечивает

получение не абсолютного значения КРП, а ее производной, т.е. позволяет отслеживать появление и развитие «аномальных» зон на поверхности в процессе трения, при этом типичные проблемы классического метода КРП (влияние окружающей среды и т.п.) практически исчезают. Практическая реализация НВКРП очень проста и может применяться для мониторинга состояния поверхностей различных вращающихся деталей, включая поверхности трения.

Еще одной разновидностью метода КРП, позволяющего использование для мониторинга процессов трения, является ионизационный зонд. Он также достаточно прост в реализации, однако требует применения источника ионизированного газа в зазоре конденсатора, что сужает его область применения [12].

С появлением атомно-силовой микроскопии (АСМ), а точнее ее бесконтактной модификации, появилась возможность реализации зонда Кельвина на нано уровне. Большинство современных серийных АСМ позволяют получать потенциальное изображение в дополнение к силовому (геометрическому). Комбинация контактного и безконтактного режимов АСМ позволяет исследовать процессы трения на нано уровне с регистрацией РВЭ. Бушан и соавторы показали [13], что изменения потенциала проявляются при значительно меньших фрикционных нагрузках поверхности, чем геометрические изменения. И для описания этого ими было введено понятие «прекурсоры износа», т.е. изменения в поверхностных слоях без регистрируемых (по крайней мере, методами АСМ) изменений геометрии поверхности.

Таким образом, зонд Кельвина и его модификации могут применяться для мониторинга процессов трения как на макро/микро уровнях, так и на нано уровне [14]. Это особенно важно для прецизионных приложений, например, трение в магнитных носителях информации [15, 16].

Возможны две схемы эксперимента при использовании методов: регистрация РВЭ с малым временем интегрирования сигнала и ее синхронизация с положения образца, что позволяет исследовать эволюцию топологии распределения РВЭ со временем трения; регистрация РВЭ со временем интегрирования, значительно большим периода вращения образца пары трения, что позволяет исследовать кинетику изменений интегрального значения РВЭ всей трущейся поверхности.

На рис. 3 показаны типичные результаты исследований топологии распределения РВЭ по дорожке трения со временем трения. Рис. 3, а получен методом КРП, поэтому, вместе с изменением топологии распределения РВЭ наблюдается ее сдвиг по абсолютной величине. Результаты, представленные на рис. 3, б, получены НВКРП, при этом контрастируют топологические изменения РВЭ без учета сдвига по абсолютному значению, т.е. регистрируется производная от РВЭ по поверхности. По топологии распределения РВЭ можно проследить возникновение, миграцию и залечивание «горячих» зон на поверхности в процессе трения, а при мониторинге, возникновение зон деградации трущейся поверхности на ранних стадиях развития.

а Время, час б

Рис. 3. Эволюция топологии распределения РВЭ по дорожке трения со временем работы (получены методом КРП (а) и НВКРП (б))

На рис. 4 и 5 показаны типичные результаты использования метода КРП с интегрированием РВЭ по дорожке трения. Исследования показали, что для широкого ряда металлов и сплавов при сухом и граничном трении вид зависимостей «РВЭ трущейся поверхности - нормальная нагрузка» подобен и имеет три характерных участка (рис. 4).

Рис. 4. Зависимости РВЭ трущейся поверхности, объёмной температуры и момента трения от нормальной нагрузки

На участке I наблюдается рост работы выхода электрона с повышением нормальной нагрузки. Затем происходит изменение хода кривой и на участке II РВЭ трущейся поверхности понижается. При дальнейшем увеличении нагрузки, на участке III, значение работы выхода электрона перестает понижаться с повышением нагрузки или даже, в некоторых случаях возрастает, и характеризуется повышенным разбросом значений. При схватывании резко возрастает момент трения и объёмная температура, значение работы выхода электрона при этом резко уменьшается. Таким образом, по РВЭ могут быть выявлены критические точки, т.е. границы разделов описанных характерных участков, что не выявляется по поведению таких внешних параметров процесса трения, как момент и объемная температура.

На рис. 5 показаны зависимости интегрального значения РВЭ от времени сухого трения некоторых материалов. В нулевой момент времени образцы пары трения приводились в контакт, до этого момента записаны начальные значения РВЭ материалов. Общим для приведенных кривых является резкое понижение работы выхода в начальные моменты трения относительно исходного значения. Это, по всей вероятности, объясняется удалением с поверхности исходного окисного слоя. Далее РВЭ монотонно повышается до установившегося значения. Отсюда можно точно определить момент перехода от этапа приработки к установившемуся режиму трения. Более подробно результаты исследований кинетики процессов трения методом КРП описаны в [10].

Рис. 5. Зависимости РВЭ от времени сухого трения образцов: 1 -Л63; 2 - Бр.АЖ9-4;3 - Бр. ОФ6,5-0,15; 4 - М3;5 - 12Х18Н10Т

Использование мониторинга РВЭ при трении позволило получить ряд новых результатов:

- исследования РВЭ трущейся поверхности в зависимости от приложенной нагрузки, позволили выявить наличие критических точек, характеризующих переходы от одного вида фрикционного взаимодействия к другому [4, 17].

- исследования кинетики интегрального значения РВЭ трущейся

поверхности позволили выявить наличие периодических изменений свойств трущейся поверхности в установившемся режиме трения и их связь с подповерхностным усталостным разрушением [18]. Анализ гармонического состава периодический изменений в зависимости от свойств материалов является перспективным подходом к решению проблем как поверхностной так и объемной усталости материалов [19].

Метод Кельвина применяется также для визуализации потенциального распределения по поверхности (Scanning Kelvin Probe (SKP) и Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM)) в различных областях материаловедения. С точки зрения трибологических приложений, он может применяться для выявления не гомогенности механической обработки поверхностей, и нанесенных покрытий, анализа поверхностей после три-бологических испытаний, узучения взаимодействия смазочных материалов с поверхностями и др. [20].

Список литературы

S Danyluk [et al.]. 1999: US patent 5,974,869.

A.L. Zharin, O.K. Gusev, A.I. Svistun, A.K. Tyavlovsky

FRICTION SURFACE MONITORING USING A CONTACT POTENTIAL DIFFERENCE TECHNIQUE

Implementation of electron work function in the characterization of friction surfaces was studied. An application of a Kelvin probe and its modifications for the continuous monitoring of friction surface&s work function was investigated. Experimental results of friction surfaces characterization using developed methods are given.

Получено 18.10.11