ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8378| Title: | Керування зношенням високоточних ковзних електроконтактів при низькошвидкісних їх застосуваннях |
| Authors: | Гальченко, Володимир Якович Фай, Владислав Анатолійович |
| Keywords: | струмознімач;зносостійке покриття;електрохімічне золочіння;контактна поверхня;тріботехнічні характеристики;контактна пара;перехідний електричний опір;момент тертя |
| Issue Date: | 15-Dec-2025 |
| Abstract: | Кваліфікаційна робота магістра присвячена розв’язанню наукового завдання розроблення та обґрунтування методів керування зношенням високоточних низькошвидкісних ковзних електроконтактів шляхом оптимізації складу, структури й технології формування зносостійких покриттів для забезпечення стабільних триботехнічних і електротехнічних характеристик контактних пар. The master's qualification thesis is devoted to solving the scientific problem of developing and substantiating methods for controlling the wear of high-precision low-speed sliding electrical contacts by optimizing the composition, structure and technology of formation of wear-resistant coatings to ensure stable tribotechnical and electrical characteristics of contact pairs. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8378 |
| Appears in Collections: | 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Робототехнічні системи та автоматизація) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Диплом-магистр_Фай В.pdf Restricted Access | КРМ Фай В. | 3.54 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
YEPKACbKHÄ JEPKABHMÜ TEXHOJOrrYHMÄY HIBEPCHTET
OAKYJILTET EJIEKTPOHHHX TEXHOJIOrIM
ABTOTPAHCIIOPTY TA MAIUHHOBYIYBAHHA
KAOEJPA IPHJIAIOEYIYBAHHI, MEXATPOHIKM TA
KOMIIIOTEPH30BAHMX TEXHOJIOrIM
JonyueHO I0 3axHCTy
3aBinyBa4 Ka enpu IIMKT
MakcuM BOHJAPEHKO
2025 p.
IIOACHKOBAJILHA 3AIIHCKA
A0 KBaTihikaniaHoï poQoTH
MaricTpa
Ha TeMy «KepyBaHHA 3HOLmeHHAM BHCOKOTOYHHX KOB3HHX eTeKTpOKOHTaKTIB IIDH
HH3KOIBHIK0CHHX 0X 3acTOCyBaHHAX>
KBanihikari Ha pobora Marictpa MicTHT5 pesynbTaTH BJIaCHHX A0cI0JKeHL.
BuKopucTaHHA iFe, pesyIbTariB i TeKcT0B iHUIHX aBropiB MakoTb nOcHNaHHA Ha
BiFnoBixHe IKepeIO BranucnaB DAM
BHKOHaB 3106yBay BHILOi oCB0TH OCBITHbOrO
CTYTIEHA Maric1p» 2 Kypcy, rpy MPCA-47
3a cneuianbHÍCTIO 174 ««ABTOMaTH3a/g,
KOMITI'IOTepHO-0HTerpoBaHi TeXHONOT0iï Ta
poboTOTeXH0Ka), 3a oCB0THbOHO IIpOrpaMoo
<PoóoTOTeXH0YH0 CHCTeMH Ta aBTOMaTH3auiD>
BIanuclaB DA}
KepiBHMK BononHMHP TAJIHYEHKO
PeueH3eHT Cepri~ B4CJOVX
Yepkacu - 2025 poky
YEPKACLKHGI EPKABHHÄ TEXHOJJOrYHHH YHIBEPCHTET
(noBHC HaiMCHy BanA BHUIoro HaBvanbHOro 3AKNANY)
akyIbTeT eneKmpOnnUx mexHONOZiç, gemompancnopmy ma MauunobydygannA
Ka enpa npunado6yoyGanNA, Mexampouiku ma KOMn 'homepu30GAHUX mexuonoziù
OcBiTH0G piseHb Mazicmp
CneuiabH0CTL 174 «AsmoMamusayis, KOMn 'omepno-inmeeposani mexnonoziï ma pobomomexuika»
OCBiTH nporpaMa «Po6omomexHiyHi cucmeMu ma asmnoMamu3auia»
(uupp i NaTea)
3ATBEPIDKYIO
3aBiuysay ka enpH IIMKT
MakcHM BOHJAPEHKO
|2 2025 poKy
3A BAAH H A
HA KBAJIIDIKAII}HY POBOTY MArICTPA
Daa Bnaðucnaea AHamoniçosuua
(npispuuue, im'a, no 6aTbKOBi)
1. Tema poQoTH: KepyBaHHA 3HOIIeHHAM BHCOKOTOYHHX KOB3HHX eneKTpOKOHTakTiB
HH3BKOIBHAK0CHHX iX 3acTocyBaHHAX
HaykOBMÄ KepiBHHK poboTH TaTbHCHKO BononHMHD LKOBHY, I-D TexH, HaYK, npoecop, npod. kadberpu IMKT
(npi3Buue, iM'a, no 6aTbKOB0, HayKoBuÄ CTyniHb, B4eHe 3BaHN)
3aTBepIKEH0 HakasoM BHIMOrO HaB4aTbHOro 3akiaIy B0I"15" BepecHA 2025 poky Ne 261/03-03
2. CTpOK NOJaHHA 3BO po60TH 15 rpyHA 2025 pOKy
3. Mera nocninKeHHA: niIBHULCHHA KEpOBaHocT0 NnpoueciB 3HOMEHHA Ta 3aÑe311e4eHHA CTabiTbHOI
CTpYMOnpoBiJHOcTi BHCOKOTOYHHX HH3BKOIWBHJK0CHHX KOB3HHX eneKTDOKOHTaKTÈB LUJLAXOM
onTHM03aniï CKIary, cTpyKTYDH H TeXHOIOriï hopMYBaHHA 3HOCOCTiÄKHX NOKPHTT0B Ha ix po604HX
nOBepXHAX, IO ipH3BeIe 10 3MeHIIeHHA nepexilHOro onop, 3HHXeHHA MOMeHTY TepTA Ta
niIBHIEHHA HaniÄHOCTÈ A0BrOB0YHOCTi MexaHo-eneKTPHYHHX BY3J0B.
06'EKm docniòNCeHHA AGTATI KOHTaKTHHX lap TepTA MexaHO-eIEKTPHYHHX IpeIH31ÄHHX npHNaniB
(cTpYMO3H0May0 THIY «ITKa KONeKTOP»), mO HparorOTH Yp eKHM0 HH35KOUIBHAKiCHOrO KOB3aHHA.
IIpeðmem docnioIceNHA: IpouecH dopMyBaHHA CTpYKTYpH 3HOCOCTiÄKHX eneKTponpoBinHHX
nOKpHTT0B Ha poÑoyHX NOBePXHAX KOB3HHX eneKTPOKOHTAKT0B Ta sakoHOM0pHOCT0 BnIHBY CKNany
TeXHO10riHHX napaMETp0B LHX nOKpHTI0B Ha ix 3HOcocriÄK0CTb, TPHÐOTexH0VH0 XapaKTepHCTHKH
nepexiaHHÃ eIeKTPHYHH Onip yH H3BKOIBHAK0CHHX pexHMax po6oTH.
Memodu docniðKCEHb. locrizxeHHS 6a9yioTBCA Ha KOMImneKçi TeOpeTHYHHX Ta eKcnepHMeHTaTbHHX
MeTOA0B: KpHTHYHOMY aHanisi nireparypHHX IKePeN 3T piQorexH0KH eNCKTPOKOHTaKT0B Ta TeXHONOr0Ä
þopMyBaHHS NOKPHTT0B; MOIEMIOBAHH0 npoueciB TepTA Ä KOHTaKTHOÏ B3aCMOgiï B KOB3HHX
eJIeKTDOKOHTAKTaX; eKcnepHMeHTaTLHOMY 10CIiIKeHH0 3HOCOCTi`KOCT0 Ta eneKTpoTeXH0YHHX
xapakTepHCTHK KOHTaKTHHX nap MeTONOM CTeHAOBHX BHNpO6yBaHb i MaIHH TepT; CTpYKTypHO
hasopoMy aHanisi nOKpHTT0B MeTOJaMH peuTreHOCTPyKTYPHOro aHanisy, MeTaNOrpa(p1i, pactpOBOi
eneKTDOHHOi M0KPOCKonii Ta arOMHO-CHIOBoi M0KpOCKonii, BapiroBaHH0 TCXHO10riHHX peKHM0B
eneKTpoxiM0YHOrO 301040HHA_ Ta nacTynHO0 3M0LHOBaTBHOd oopobkH 3 noiaMbtrOIO QuiHKOO
nepexiFHoro onopy, KOe)iuicHTa TepTA rIMÐHHH 3HOWeHHA KOHTaKTHHX NOBePXOHb.
4. CrpyKTypa i o6car po6oTH. KBanihikaui Ha po6ota Maricrpa ckIANACTBCA 30 BCTYIY, n'aTH
po3niniB, BHCHOBK0B, CIHCKY BHKOPHCTAHHX JKepen 101aTKIB.
5. IlpescHTauiï Ha 16 cnaiinax.
6. KoucyIBTaHTH P03niniB KBAni ikaui HoÏ po6oTH Maricrpa
IlianHc, 1aTa
IlpisBHe, iniuianH Ta nocana
Po3nin 3aB1aHHA 3aB1aHHA
KOHCYI5TaHTa
BHIaB npaÄHAB
TeoperuHH
TanbyeHKo B.A.,A -p TeXH. HayK, npo ecop,
MeToNuHHÄ
npoçecop xahenpu IIMKT
locnianuUBKHÝ
TuKOB B.B., K-T TeXH. HayK, I0L.,
HopMOKoHTpOJIb IOu, Kapeipa IIMKT
7. Mara BHAagi 3aBJaHHA "15° BepecHA 2025 poKY
KAJIEHIAPHH IIJJAH
No CpoK BIKOHAHHA eraniB
HasBa eTaniB KBaihikaui~noi poÑoTH Maricrpa Iipxina
3/1 poboTH
TeopeTHHH po3Ain 15.09.25 -05.10.25 BHK
2 MeronuYHH PO3Zin 06.10.25 - 26.10.25 BHK
locniFHHUbKHÄ Po3xin 27.10.25-23.11.25 BHK
OpopMIEHHA IIOACHIOBAIbHOÏ 3anHCKH 24.11.25 -07.12.25 BHK
5 O opMneHHA CYnpoBiNHOÏ 10KyMeHTauiï 01.12.25 - 15.12.25 BHK
6 OhopMneHHA npe3EHTauiï 08.12.25- 15.12.25 BHK
PoõoTa Han gonoB0JJIKO 08.12.25 - 15.12,25 BHK
MaricrpaHT BIanucNaB DAM
niannc) (npisBue Ta imiuianm)
KepiBuuK po6oTM BononnMHP TAJIbYEHKO
hiannc ) (npisBHue Ta iniwanu)
РЕФЕРАТ
Фай В.А. Керування зношенням високоточних ковзних електроконтактів при
низькошвидкісних їх застосуваннях. – Кваліфікаційна робота магістра.
Кваліфікована робота магістра на здобуття освітнього ступеня магістра за
спеціальністю 174 «Автоматизація, комп’ютерно-інтегровані технології та
робототехніка» за освітньою програмою «Робототехнічні системи та
автоматизація» – Черкаський державний технологічний університет, Черкаси,
2025.
Кваліфікаційна робота магістра присвячена розв’язанню наукового завдання
розроблення та обґрунтування методів керування зношенням високоточних
низькошвидкісних ковзних електроконтактів шляхом оптимізації складу,
структури й технології формування зносостійких покриттів для забезпечення
стабільних триботехнічних і електротехнічних характеристик контактних пар.
Мета і завдання дослідження. Метою магістерського дослідження є
підвищення керованості процесів зношення та забезпечення стабільної
струмопровідності високоточних низькошвидкісних ковзних електроконтактів
шляхом оптимізації складу, структури й технології формування зносостійких
покриттів на їх робочих поверхнях, що призведе до зменшення перехідного опору,
зниження моменту тертя та підвищення надійності й довговічності механо-
електричних вузлів.
Для вирішення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:
1. Провести аналіз сучасних підходів до підвищення довговічності ковзних
електроконтактів, класифікації зносостійких покриттів та методів їх нанесення
на деталі приладів.
2. Дослідити тріботехнічні явища в зоні ковзних електричних контактів та
встановити фактори, які визначають інтенсивність зношення, перехідний опір і
момент тертя струмознімачів у низькошвидкісних режимах.
3. Обґрунтувати вибір матеріалів і технологій формування покриттів (зокрема
електрохімічного золочіння та легування) для робочих поверхонь контактів з
урахуванням вимог до зносостійкості та струмопровідності.
4. Розробити та дослідити моделі процесу формування покриттів і взаємодії
контактної пари «щітка–колектор» з метою встановлення зв’язку «склад –
структура – експлуатаційні властивості» покриття.
5. Провести комплекс експериментальних випробувань (трибологічних,
електрофізичних, мікроструктурних) та на їх основі сформувати рекомендації
щодо керування зношенням ковзних електроконтактів та оптимізації
технологічного процесу нанесення й зміцнення покриттів.
Об'єкт дослідження – деталі контактних пар тертя механо-електричних
прецизійних приладів (струмознімачі типу «щітка–колектор»), що працюють у
режимі низькошвидкісного ковзання.
Предмет дослідження – процеси формування структури зносостійких
електропровідних покриттів на робочих поверхнях ковзних електроконтактів та
закономірності впливу складу й технологічних параметрів цих покриттів на їх
зносостійкість, триботехнічні характеристики й перехідний електричний опір у
низькошвидкісних режимах роботи.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому:
– Вперше узагальнено та адаптовано модель процесу формування зносостійких
благороднометалевих покриттів для задач керування зношенням ковзних
електроконтактів шляхом аналізу параметрів електрохімічного золочіння і
наступної пластичної деформації, що дозволило кількісно пов’язати
технологічні режими зі зміною структури поверхневого шару та його
триботехнічних характеристик.
– Удосконалено підхід до встановлення взаємозв’язку між складом,
структурою та експлуатаційними властивостями покриттів на контактних
поверхнях струмознімачів за рахунок використання комплексу методів РЕМ,
АСМ та рентгеноструктурного аналізу, що дало змогу виділити структурні
фактори, відповідальні за зменшення перехідного опору й інтенсивності
зношення.
– Розвинено методику керування процесами зношення ковзних контактів на
основі варіювання технологічних параметрів формування та зміцнення
покриттів, що забезпечило зниження перехідного опору і моменту тертя та
підвищення надійності роботи струмознімача в умовах низькошвидкісного
ковзання.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі
проведених досліджень розроблено технологічний процес формування
зносостійкого покриття на робочих поверхнях струмознімачів, який включає
оптимізовані режими електрохімічного золочіння, можливе легування, а також
операції припрацювання та зміцнення поверхні. Це дало можливість істотно
зменшити перехідний електричний опір контактної пари й коефіцієнт тертя,
забезпечивши стабільний момент тертя в заданих межах.
Запропоновані рекомендації щодо керування зношенням можуть бути
безпосередньо використані на підприємствах, що виготовляють або експлуатують
прецизійні механо-електричні прилади (зокрема гіроскопічні системи), для
підвищення довговічності контактних вузлів без істотного збільшення
матеріаломісткості виробів. Результати можуть бути впроваджені у виробничі
регламенти, технологічні інструкції та використані в навчальному процесі для
підготовки фахівців зі спеціальностей, пов’язаних з автоматизацією та
приладобудуванням.
У вступі обґрунтовано актуальність проблеми керування зношенням
високоточних ковзних електроконтактів, сформульовано мету, об’єкт, предмет і
задачі дослідження, наведено стислий опис наукової новизни, практичної цінності
та структури кваліфікаційної роботи.
В першому розділі проведено огляд сучасного стану досліджень у галузі
ковзних електроконтактів, проаналізовано типи електромеханічних контактів,
тріботехнічні явища в зоні ковзання, класифікацію зносостійких та
електротехнічних покриттів, а також основні методи їх нанесення і зміцнення. На
підставі аналізу сформульовано вимоги до покриттів, придатних для високоточних
низькошвидкісних контактів, та уточнено науковий напрямок роботи.
В другому розділі описано об’єкти дослідження (контактні пари
струмознімача), методики формування покриттів шляхом електрохімічного
золочіння в різних режимах і складах електроліту, а також комплекс
експериментальних методів: триботехнічні випробування на машині тертя та
стенді, дослідження структури й складу металевих покриттів методами растрової
електронної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу й атомно-силової
мікроскопії. Наведено схеми випробувальних установок і режими експериментів.
В третьому розділі розглянуто теоретичні засади взаємозв’язку
трибомеханічних і електричних параметрів струмознімача, змодельовано процес
тертя в контактній парі «щітка–колектор» з урахуванням адгезійних явищ і
самоорганізації поверхневих структур, а також показано вплив вибору матеріалів
та характеристик покриття на стабільність перехідного опору й моменту тертя.
Сформовано теоретичні передумови для подальшого керування зношенням
шляхом зміни структури поверхневого шару.
В четвертому розділі подано результати експериментальних досліджень
структури, складу та триботехнічних характеристик золотих і легованих покриттів
при різних режимах формування. Наведено дані РЕМ, АСМ та
рентгеноструктурного аналізу, проаналізовано характер зношення та перенесення
матеріалу в контактній парі, а також встановлено кількісні залежності між
технологічними параметрами нанесення покриттів, мікроструктурою та
експлуатаційними показниками (перехідний опір, коефіцієнт тертя, глибина
вироблення покриття).
В п’ятому розділі розроблено та обґрунтовано технологічний процес
нанесення й зміцнення покриттів на робочих поверхнях струмознімачів, включно з
операціями електрохімічного золочіння, пластичної деформації поверхні,
можливого застосування поверхнево-активних мастильних середовищ та хімічної
пасивації. Наведено результати випробувань зміцнених покриттів, показано
зменшення перехідного опору та моменту тертя, сформульовано практичні
рекомендації щодо оптимальних режимів роботи та можливих напрямів
подальшого вдосконалення систем керування зношенням.
У загальних висновках підсумовано основні наукові та практичні результати,
отримані в роботі, та окреслено перспективи використання запропонованих
підходів до керування зношенням ковзних електроконтактів у суміжних галузях
приладобудування.
Ключові слова: струмознімач, зносостійке покриття, електрохімічне
золочіння, контактна поверхня, тріботехнічні характеристики, контактна пара,
перехідний електричний опір, момент тертя.
Список основних публікацій магістранта
1. Fai, V. & Halchenko, V. (2025). Wear Control of High-Precision Sliding
Electrical Contacts in Low-Speed Applications. In: The Ukrainian Scientific and Practical
Conference "Scientific Research Methodology – 2025", ChSTU: Cherkasy, Ukraine, 80-
81.
ABSTRACT
Fai V.A. Wear control of high-precision sliding electrical contacts in their low-
speed applications. – Master's qualification work.
Qualified master's thesis for a master's degree in the specialty 174 "Automation,
Computer-Integrated Technologies and Robotics" under the educational program
"Robotic Systems and Automation" – Cherkasy State Technological University,
Cherkasy, 2025.
The master's qualification thesis is devoted to solving the scientific problem of
developing and substantiating methods for controlling the wear of high-precision low-
speed sliding electrical contacts by optimizing the composition, structure and technology
of formation of wear-resistant coatings to ensure stable tribotechnical and electrical
characteristics of contact pairs.
Purpose and objectives of the study. The purpose of the master's research is to
increase the controllability of wear processes and ensure stable current conductivity of
high-precision low-speed sliding electrical contacts by optimizing the composition,
structure and technology of forming wear-resistant coatings on their working surfaces,
which will lead to a decrease in transient resistance, a decrease in friction moment and an
increase in the reliability and durability of mechanical and electrical units.
To solve this goal, it is necessary to solve the following tasks:
1. To analyze modern approaches to increasing the durability of sliding electrical
contacts, classification of wear-resistant coatings and methods of their application to
device parts.
2. To investigate tribotechnical phenomena in the zone of sliding electrical contacts and
to establish the factors that determine the wear intensity, transient resistance and
friction moment of current collectors in low-speed modes.
3. To justify the choice of materials and technologies for coating formation (in particular,
electrochemical gilding and alloying) for contact working surfaces, taking into account
the requirements for wear resistance and current conductivity.
4. To develop and investigate models of the process of coating formation and the
interaction of the contact pair "brush-collector" in order to establish the relationship
"composition - structure - operational properties" of the coating.
5. To conduct a set of experimental tests (tribological, electrophysical, microstructural)
and, on their basis, to form recommendations for controlling the wear of sliding
electrical contacts and optimizing the technological process of applying and
strengthening coatings.
The object of the study is the details of friction contact pairs of mechano-electrical
precision devices operating in the low-speed sliding mode.
The subject of the study is the processes of formation of the structure of wear-
resistant electrically conductive coatings on the working surfaces of sliding electrical
contacts and the regularities of the influence of the composition and technological
parameters of these coatings on their wear resistance, tribotechnical characteristics and
transient electrical resistance in low-speed operating modes.
The scientific novelty of the results obtained is as follows:
– For the first time, the model of the process of formation of wear-resistant noble metal
coatings for the problems of controlling the wear of sliding electrical contacts was
generalized and adapted by analyzing the parameters of electrochemical gilding and
subsequent plastic deformation, which made it possible to quantitatively link
technological modes with changes in the structure of the surface layer and its
tribotechnical characteristics.
– The approach to establishing the relationship between the composition, structure and
performance properties of coatings on the contact surfaces of current collectors has
been improved through the use of a set of methods of REM, AFM and X-ray structural
analysis, which made it possible to identify structural factors responsible for reducing
transient resistance and wear intensity.
– A method of controlling the processes of wear of sliding contacts based on variation of
technological parameters of formation and strengthening of coatings has been
developed, which has ensured a reduction in transient resistance and friction moment
and an increase in the reliability of the current collector operation in conditions of low-
speed sliding.
The practical significance of the obtained results lies in the fact that on the basis
of the conducted research, a technological process for the formation of a wear-resistant
coating on the working surfaces of current collectors has been developed, which includes
optimized modes of electrochemical gilding, possible alloying, as well as operations of
running-in and surface strengthening. This made it possible to significantly reduce the
transient electrical resistance of the contact pair and the coefficient of friction, providing
a stable friction moment within the specified limits.
The proposed recommendations for wear control can be directly used in enterprises
that manufacture or operate precision mechanical-electrical devices (in particular,
gyroscopic systems) to increase the durability of contact units without significantly
increasing the material intensity of products. The results can be implemented in
production regulations, technological instructions and used in the educational process to
train specialists in specialties related to automation and instrumentation.
In the introduction , the relevance of the problem of wearing control of high-
precision sliding electric contacts is substantiated, the purpose, object, subject and
objectives of the study are formulated, a brief description of the scientific novelty,
practical value and structure of the qualification work is given.
The first section reviews the current state of research in the field of sliding electrical
contacts, analyzes the types of electromechanical contacts, tribotechnical phenomena in
the sliding zone, classification of wear-resistant and electrotechnical coatings, as well as
the main methods of their application and strengthening. On the basis of the analysis, the
requirements for coatings suitable for high-precision low-speed contacts are formulated,
and the scientific direction of work is clarified.
The second section describes the objects of research (contact pairs of the current
collector), methods for forming coatings by electrochemical gilding in various modes and
compositions of the electrolyte, as well as a set of experimental methods: tribotechnical
tests on a friction machine and a bench, study of the structure and composition of metal
coatings by methods of raster electron microscopy, X-ray diffraction analysis and atomic
force microscopy. Diagrams of test facilities and modes are given Experiments.
In the third section , the theoretical foundations of the relationship between the
tribomechanical and electrical parameters of the current collector are considered, the
friction process in the brush-collector contact pair is simulated, taking into account
adhesion phenomena and self-organization of surface structures, and the influence of the
choice of materials and coating characteristics on the stability of transient resistance and
friction moment is shown. Theoretical prerequisites for further wear control by changing
the structure of the surface layer are formed.
The fourth section presents the results of experimental studies of the structure,
composition and tribotechnical characteristics of gold and alloy coatings under different
molding modes. The data of REM, AFM and X-ray diffraction analysis are presented, the
nature of wear and transfer of the material in the contact pair is analyzed, as well as
quantitative dependencies between the technological parameters of coating application,
microstructure and performance indicators (transient resistance, coefficient friction, depth
of coating processing).
In the fifth section, the technological process of applying and strengthening
coatings on the working surfaces of current collectors is developed and substantiated,
including the operations of electrochemical gilding, plastic deformation of the surface,
the possible use of surfactant lubricating media and chemical passivation. The results of
tests of reinforced coatings are presented, the reduction of transient resistance and friction
moment is shown, practical recommendations for optimal operating modes and possible
directions for further improvement of wear management systems.
The general conclusions summarize the main scientific and practical results
obtained in the work, and outline the prospects for using the proposed approaches to
controlling the wear of sliding electrical contacts in related fields of instrumentation.
Keywords: current collector, wear-resistant coating, electrochemical gilding,
contact surface, tribotechnical characteristics, contact pair, transient electrical resistance,
friction moment.
List of major publications of a master's student
1. Fai, V. & Halchenko, V. (2025). Wear Control of High-Precision Sliding
Electrical Contacts in Low-Speed Applications. In: The Ukrainian Scientific and Practical
Conference "Scientific Research Methodology – 2025", ChSTU: Cherkasy, Ukraine, 80-81.
ЗМІСТ
Список скорочень ………………………………………………….. 4
Вступ …………………………………………………….…………. 5
Розділ 1. Аналіз та узагальнення властивостей прецизійних
малошвидкісних ковзних електричних контактів …………… 9
1.1. Загальні відомості про будову та принцип дії
електромеханічних контактів ……………………..…...……… 9
1.2. Сучасний стан досліджень та розробок електромеханічних
приладів ………………………………………………………… 11
1.3. Особливості тріботехнічних процесів у зоні ковзних
електричних контактів ………………………………………… 12
1.4. Класифікація функціональних покриттів деталей
електромеханічних приладів …………………………………... 14
1.5. Технології формування зносостійких покриттів на
контактних поверхнях …………………………………………. 16
1.6. Обґрунтування вибору методів зміцнення та модифікації
покриттів ……………………………………………………….. 18
Висновки до розділу 1 ………………………………………… 20
Розділ 2. Методичні підходи до проведення досліджень, вибір
матеріалів та вимірювального обладнання ………………….. 21
2.1. Характеристика об’єктів дослідження ……………………….. 21
2.2. Використані методи одержання покриттів …………………… 22
2.3. Підходи до експериментального визначення
триботехнічних характеристик покриттів …………………… 24
2.4. Аналіз експлуатаційного стану контактів струмознімача
методами растрової електронної мікроскопії ………………... 26
2.5. Дослідження експлуатаційних параметрів контактів
струмознімача за допомогою атомно-силової мікроскопії ….. 29
2.6. Вибір і характеристика атомно-силового мікроскопа NT-206. 32
2
Висновки до розділу 2 ……………………………………….… 38
Розділ 3. Теоретичний аналіз взаємозв’язку трібомеханічних та
електричних параметрів струмознімача ……………………… 40
3.1. Особливості теоретичного опису роботи малошвидкісних
ковзних електричних контактів ….……………………………. 40
3.2. Математичне та комп’ютерне моделювання процесів у
ковзних електричних контактах …………………..……………4 4
Висновки до розділу 3 ……………………………………….… 46
Розділ 4. Постановка та проведення експериментальних досліджень .. 48
4.1. Дослідження структури та хімічного складу золотого
покриття ……………………………….…………………………4 9
4.1.1. Аналіз стану робочих поверхонь колекторних кілець
струмознімачів зі срібною основою .………………………. 54
4.2. Дослідження зносостійкості та триботехнічних
властивостей поверхні покриття ……………………………… 56
Висновки до розділу 4 ……………………………………….… 58
Розділ 5. Розроблення технологічного процесу нанесення та
контролю зміцненого покриття ………….…………………… 60
5.1. Вибір та опис методу нанесення золотого покриття
на робочу поверхню струмознімача ………………………….. 60
5.2. Оцінювання експлуатаційних характеристик вузлів тертя
струмознімача …….……………………………………………. 63
Висновки до розділу 5 ……………………………………….… 68
Загальні висновки …………………………………………………. 70
Список використаних джерел …………………………………….. 72
Додатки ……………………………………………………………… 74
3
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ
АСМ – атомно-силова мікроскопія;
ВАХ – вольт-амперна характеристика;
ПКМ – п‘єзокерамічний матеріал;
РЕМ – растрова електронна мікроскопія;
ФД – фотодетектор;
ФОП – фізичного осадження на поверхню;
ХТМ – хіміко-термічні методи.
4
ВСТУП
Актуальність теми дослідження. Високоточні ковзні електроконтакти є
ключовими елементами в широкому спектрі сучасних електромеханічних систем
– від вимірювальних стендів, прецизійних приводів, сканувальних і позиційних
платформ до авіаційних та оборонних систем, медичного діагностичного
обладнання, робототехнічних комплексів і вузлів передавання сигналів у системах
безперервного обертання (колекторні вузли, контактні кільця, енкодери тощо). У
таких пристроях саме стабільність електричного контакту при малих швидкостях
руху (наприклад, повільне обертання, позиціонування з мікрометричною
точністю, повільне сканування) визначає точність вимірювань, якість керування
та загальну надійність роботи системи.
В умовах мініатюризації, зростання вимог до точності, завадостійкості та
довговічності електронних і електромеханічних систем проблема зношення
ковзних електроконтактів набуває особливої гостроти. Низькошвидкісні режими
роботи часто супроводжуються мікроковзанням, вібраціями, ефектами фретинг-
корозії, локальним перегрівом та накопиченням продуктів зношення в зоні
контакту. Це призводить до нестабільності контактного опору, появи перешкод у
сигнальних колах, деградації точності вимірювань та передбачуваності роботи
прецизійних систем, що є критичним для метрологічних приладів, систем
навігації, стабілізації та високоточних сервоприводів.
Розвиток високоточних систем керування рухом, інтелектуальної
робототехніки, безпілотних платформ, медичних роботизованих комплексів та
високошвидкісних телекомунікаційних систем обумовлює потребу у
довготривалій і передбачуваній роботі ковзних електроконтактів без частих
регламентних робіт і заміни вузлів. Це, у свою чергу, вимагає науково
обґрунтованих методів керування зношенням – через вибір матеріалів і покриттів,
оптимізацію навантажень і режимів руху, геометрії контактуючих поверхонь,
умов мастила та середовища експлуатації, а також через впровадження методів
моніторингу стану контактів у реальному часі.
5
Тому, в цій магістерській кваліфікаційній роботі досліджується актуальне
питання керування зношенням високоточних ковзних електроконтактів при
низькошвидкісних їх застосуваннях з метою підвищення точності, надійності та
ресурсу роботи сучасних електромеханічних систем.
Мета й завдання дослідження. Підвищення керованості процесів зношення
та забезпечення стабільної струмопровідності високоточних низькошвидкісних
ковзних електроконтактів шляхом оптимізації складу, структури й технології
формування зносостійких покриттів на їх робочих поверхнях, що призведе до
зменшення перехідного опору, зниження моменту тертя та підвищення надійності
й довговічності механо-електричних вузлів.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
1. Провести аналіз сучасних підходів до підвищення довговічності ковзних
електроконтактів, класифікації зносостійких покриттів та методів їх нанесення
на деталі приладів.
2. Дослідити тріботехнічні явища в зоні ковзних електричних контактів та
встановити фактори, які визначають інтенсивність зношення, перехідний опір і
момент тертя струмознімачів у низькошвидкісних режимах.
3. Обґрунтувати вибір матеріалів і технологій формування покриттів (зокрема
електрохімічного золочіння та легування) для робочих поверхонь контактів з
урахуванням вимог до зносостійкості та струмопровідності.
4. Розробити та дослідити моделі процесу формування покриттів і взаємодії
контактної пари «щітка–колектор» з метою встановлення зв’язку «склад –
структура – експлуатаційні властивості» покриття.
5. Провести комплекс експериментальних випробувань (трибологічних,
електрофізичних, мікроструктурних) та на їх основі сформувати рекомендації
щодо керування зношенням ковзних електроконтактів та оптимізації
технологічного процесу нанесення й зміцнення покриттів.
Об’єкт дослідження – деталі контактних пар тертя механо-електричних
прецизійних приладів (струмознімачі типу «щітка–колектор»), що працюють у
режимі низькошвидкісного ковзання.
6
Предмет дослідження – процеси формування структури зносостійких
електропровідних покриттів на робочих поверхнях ковзних електроконтактів та
закономірності впливу складу й технологічних параметрів цих покриттів на їх
зносостійкість, триботехнічні характеристики й перехідний електричний опір у
низькошвидкісних режимах роботи.
Методи дослідження. Дослідження базуються на комплексі теоретичних та
експериментальних методів: критичному аналізі літературних джерел з
тріботехніки електроконтактів та технологій формування покриттів; моделюванні
процесів тертя й контактної взаємодії в ковзних електроконтактах;
експериментальному дослідженні зносостійкості та електротехнічних
характеристик контактних пар методом стендових випробувань і машин тертя;
структурно-фазовому аналізі покриттів методами рентгеноструктурного аналізу,
металографії, растрової електронної мікроскопії та атомно-силової мікроскопії;
варіюванні технологічних режимів електрохімічного золочіння та наступної
зміцнювальної обробки з подальшою оцінкою перехідного опору, коефіцієнта
тертя й глибини зношення контактних поверхонь.
Наукова новизна одержаних результатів.
– Вперше узагальнено та адаптовано модель процесу формування зносостійких
благороднометалевих покриттів для задач керування зношенням ковзних
електроконтактів шляхом аналізу параметрів електрохімічного золочіння і
наступної пластичної деформації, що дозволило кількісно пов’язати
технологічні режими зі зміною структури поверхневого шару та його
триботехнічних характеристик.
– Удосконалено підхід до встановлення взаємозв’язку між складом, структурою
та експлуатаційними властивостями покриттів на контактних поверхнях
струмознімачів за рахунок використання комплексу методів РЕМ, АСМ та
рентгеноструктурного аналізу, що дало змогу виділити структурні фактори,
відповідальні за зменшення перехідного опору й інтенсивності зношення.
– Розвинено методику керування процесами зношення ковзних контактів на
основі варіювання технологічних параметрів формування та зміцнення
7
покриттів, що забезпечило зниження перехідного опору і моменту тертя та
підвищення надійності роботи струмознімача в умовах низькошвидкісного
ковзання.
Практичне значення одержаних результатів.
На основі досліджень розроблено технологічний процес формування
зносостійкого покриття на робочих поверхнях струмознімачів, який включає
оптимізовані режими електрохімічного золочіння, можливе легування, а також
операції припрацювання та зміцнення поверхні. Це дало можливість істотно
зменшити перехідний електричний опір контактної пари й коефіцієнт тертя,
забезпечивши стабільний момент тертя в заданих межах.
Запропоновані рекомендації щодо керування зношенням можуть бути
безпосередньо використані на підприємствах, що виготовляють або експлуатують
прецизійні механо-електричні прилади (зокрема гіроскопічні системи), для
підвищення довговічності контактних вузлів без істотного збільшення
матеріаломісткості виробів. Результати можуть бути впроваджені у виробничі
регламенти, технологічні інструкції та використані в навчальному процесі для
підготовки фахівців зі спеціальностей, пов’язаних з автоматизацією та
приладобудуванням.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були
представлені на ІІ-й Всеукраїнській науково-практичній конференції «Датчики,
прилади та системи» (Черкаси: ЧДТУ, 2025).
Публікації. По темі дисертації опублікована 1 теза доповідей.
8
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ТА УЗАГАЛЬНЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПРЕЦИЗІЙНИХ
МАЛОШВИДКІСНИХ КОВЗНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ КОНТАКТІВ
1.1. Загальні відомості про будову та принцип дії електромеханічних
контактів
Зі зростанням частки високоточних електромеханічних вузлів у
вимірювальній та керувальній техніці різко зростають вимоги до надійності й
стабільності ковзних електричних контактів, особливо в режимах малих
швидкостей ковзання та тривалої безперервної роботи [2, 20].
У будь-якій системі, де передбачається передавання електричного сигналу
або потужності між рухомими та нерухомими частинами, необхідно забезпечити
надійний електричний зв’язок між струмопровідними елементами. Цей зв’язок
реалізують за допомогою спеціально сконструйованих електричних контактів, що
є механічно і геометрично оформленими з’єднаннями провідників. Для
прецизійних ковзних контактів особливо важливо, щоб їхній перехідний опір був
достатньо малим і стабільним у часі, не вносив спотворень у вимірюваний сигнал
і не викликав небажаного нагріву при тривалому навантаженні [6, 13, 20].
Експлуатаційна надійність таких контактів визначається не лише вибором
матеріалу пари тертя, але й конструкцією контактного вузла, яка проєктується з
урахуванням діапазону струмів і напруг, допустимих контактних навантажень,
робочої швидкості ковзання, мікрокліматичних умов та вимог до довговічності [3,
5, 13].
За функціональними та конструктивними ознаками електричні контакти
поділяють на нероз’ємні, роз’ємні, розривні та ковзні (рис. 1.1). У контексті
прецизійних малошвидкісних вузлів основну роль відіграють саме ковзні
контакти (щітка – кільце, щітка – рейка, щітка – диск тощо), які забезпечують
безперервне передавання сигналу без розриву електричного ланцюга.
9
Рис. 1.1. Види контактів, які найчастіше застосовуються в приладах
Нероз’ємні контакти призначені для постійного з’єднання електричних
ланцюгів. До них висувають вимоги мінімального електричного опору, достатньої
механічної міцності, компактності (для зменшення паразитних параметрів) та
відсутності необхідності роз’єднання в процесі експлуатації. Для їх реалізації
широко застосовують пайку, зварювання, обтиснення та інші технології
металургійного з’єднання [1, 20].
Роз’ємні контакти використовують там, де потрібна періодична заміна
елементів схем або під’єднання/від’єднання окремих модулів. Вони виконуються
у вигляді різних штепсельних і високоточних роз’ємів, які можуть одночасно
комутувати багато ланцюгів та забезпечувати відтворювані параметри
електричного контакту протягом багатьох циклів підключення.
Розривні контакти застосовують для замикання і розмикання ланцюгів,
часто в умовах комутації струмів та напруг, що змінюються в часі (наприклад, у
реле, мікроперемикачах).
Ковзні електричні контакти працюють переважно в режимі безперервного
ковзання при фіксованому або повільно змінному струмі. Вони характеризуються
постійним механічним переміщенням контактуючих поверхонь одна відносно
одної (щітково-кільцеві вузли струмознімачів, повзункові контакти прецизійних
потенціометрів, контактні доріжки поворотних датчиків тощо). Важливим
конструктивним параметром є геометрія контактної зони: точковий, лінійний чи
площинний контакт. Для прецизійних малострумових схем зазвичай застосовують
10
лінійні та площинні контакти з контрольованими контактними зусиллями, що
забезпечує стабільний перехідний опір і мінімізує шумові складові [13, 20].
Матеріал і покриття контактних поверхонь у таких системах підбирають
серед струмопровідних і високозносостійких матеріалів, включаючи благородні
метали, композиційні та вуглецеві покриття (DLC, графен, нанотрубки) [1, 4, 10–
12, 16]. Для струмознімачів лінійного типу найпоширенішою є система «щітка –
колекторне кільце», геометрія якої безпосередньо впливає на локальні контактні
напруження та характер зношування.
1.2. Сучасний стан досліджень та розробок електромеханічних приладів
Попри значний прогрес у трибології електричних контактів і фізико-хімічній
механіці поверхонь, досі недостатньо повно описано взаємозв’язок між трибо-
механічними процесами в контактній зоні та електричними характеристиками
(перехідний опір, шум, стабільність сигналу) прецизійних ковзних контактів [2, 6,
13, 20]. Особливо це стосується режимів малих швидкостей ковзання, мікронних
контактних плям і змішаного чи граничного змащення.
Сучасні огляди показують, що для забезпечення високої довговічності й
стабільності роботи контактів активно досліджуються зносостійкі металеві та
композиційні покриття, включно з нікелевими, графеновими, срібно-графеновими
та іншими гібридними системами [1, 3, 8–11, 16]. Для ковзних електричних
контактів показано, що оптимально підібрані покриття дозволяють суттєво
знизити коефіцієнт тертя, інтенсивність зношування та контактний опір навіть у
складних умовах навантаження [8, 9, 10, 11].
Важливим напрямом є електро-трибологія – вивчення взаємодії механічних,
електричних та хімічних процесів у присутності електричного струму, зокрема
для провідних мастильних матеріалів та нанодисперсних добавок [6,7,15].
Показано, що використання електропровідних наночастинок та 2D-матеріалів як
добавок до мастил може одночасно покращувати зносостійкість і керованість
контактного опору, що особливо актуально для прецизійних контактних вузлів [6,
7, 15].
11
Окрему увагу приділяють вивченню фретинг-зношування в електричних
контактах, яке особливо небезпечне для малошвидкісних систем з
мікроколиваннями та періодичними реверсами руху [13]. Для таких режимів
потрібні спеціально оптимізовані матеріали й покриття, а також контроль
мікродинаміки контактної пари.
Сучасні дослідження активно залучають числові методи моделювання
контакту та зношування [18], а також методи машинного навчання для
прогнозування контактного опору, морфології зносу та залишкового ресурсу
вузлів [14, 19]. Такі підходи вже успішно продемонстровано для різних
трибосистем (гальмівні пари, електричні контакти тощо) і поступово
впроваджують у аналіз прецизійних ковзних контактів [14, 18, 19].
Разом з тим, вибір матеріалів трибоспряжень для прецизійних струмознімачів
часто залишається емпіричним: оптимальні комбінації матеріалів, покриттів і
мастильних систем підбирають експериментально, виходячи з конкретних умов
навантаження. Прагнення до мінімізації перехідного опору, зниження шумів і
забезпечення роботи в екстремальних умовах (вібрація, циклічні навантаження,
агресивні середовища) стимулює використання благородних металів і їхніх
сплавів у вигляді тонких та багатошарових покриттів [1, 3, 5, 10, 16, 20]. При
цьому виникає суперечність між електротехнічними вимогами (мінімальний опір,
стабільність сигналу) і трибологічними обмеженнями (адгезійний знос, підвищене
тертя, ризик задирів), що потребує пошуку компромісних конструкцій і режимів
роботи.
1.3. Особливості тріботехнічних процесів у зоні ковзних електричних
контактів
Трибологічна поведінка пар «щітка – кільце» та інших лінійних ковзних
контактів, що працюють у малошвидкісних режимах, доцільно розглядати з
позицій синергетики як приклад самоорганізації в термодинамічно відкритих
нелінійних системах [2, 20]. Під дією зовнішніх механічних та електричних
12
збурень контактна система змінює свою структуру так, щоб реалізувати більш
енергоефективний і стабільний режим тертя.
У трибосистемах формуються вторинні контактні структури – захисні
плівки, продукти зношування, «трибошари», які мають, як правило, інші
механічні й електричні властивості, ніж вихідний матеріал [1, 2, 5, 20]. Вони
впливають на фактичну площу контакту, розподіл локальних напружень,
тепловиділення та провідність. Для прецизійних контактів ці процеси особливо
важливі, оскільки навіть мікронні зміни мікрорельєфу та структурні перетворення
у поверхневому шарі можуть призводити до зміни перехідного опору і шумових
характеристик.
Внутрішній прояв самоорганізації при терті полягає у:
• формуванні вторинних структур із підвищеною зносостійкістю порівняно з
вихідним матеріалом;
• досягненні «рівноважної» шорсткості незалежно від початкового мікрорельєфу;
• збільшенні фактичної площі контакту внаслідок припрацьованого зношування
та, як наслідок, зниженні контактних напружень;
• реалізації ефектів вибіркового переносу матеріалу, дифузійного перерозподілу
компонентів, формуванні провідних і ізолюючих ділянок тощо [1, 2, 5, 7].
Зовнішнім проявом самоорганізації є стабілізація трибологічних і
електричних параметрів: коефіцієнта тертя, температурного режиму,
інтенсивності зношування, перехідного опору та його флуктуацій. Для
малошвидкісних ковзних контактів ця стабілізація відповідає виходу системи в
сталий робочий режим після періоду припрацювання.
Трибосистему прецизійного ковзного контакту доцільно розглядати як
сукупність підсистем: контактної взаємодії (мікронерівності, адгезійні зв’язки),
поверхневих шарів (первинних і вторинних плівок), мастильного середовища (з
урахуванням нанодобавок) та зовнішнього середовища (температура, вологість,
електричне поле) [3, 6, 13]. На мікрорівні еволюція системи описується
кінетичними процесами масоперенесення, фазових перетворень, дисипації енергії.
13
Напрям еволюції самоорганізуючої трибосистеми можна формально
охарактеризувати термодинамічними критеріями (зокрема критерієм Пригожина–
Гленсдорфа), згідно з якими в нерівноважних системах відбуваються процеси, що
зменшують швидкість зміни виробництва ентропії. Стійкі стаціонарні стани
відповідають режимам із мінімальним виробництвом ентропії, тобто найменшими
сумарними енергетичними втратами [5, 20].
У контексті ковзних електричних контактів це проявляється у встановленні
сталого значення сил тертя та тепловиділення, формуванні стабільної
мікрогеометрії поверхонь, узгодженні товщини й складу вторинних плівок з
умовами навантаження. Важливу роль відіграє поділ енергетичних потоків на
зворотні (пов’язані зі структурними перетвореннями, які ще можуть змінюватися)
та незворотні (теплова, акустична, світлова енергія), що безповоротно
розсіюються [7, 20].
Зношування як комплексний процес включає адгезійний, абразивний,
фретинговий, корозійно-механічний та інші механізми. Для контактів типу «щітка
– кільце» при малих швидкостях і змінних струмах домінуючими є адгезійне та
фретинг-зношування, коли на вершинах мікронерівностей формується і циклічно
руйнується адгезійний зв’язок («містки зварювання»), що супроводжується
відривом мікрочасток матеріалу [11–13, 20].
Таким чином, у зоні тертя прецизійних ковзних контактів завжди мають
місце процеси самоорганізації, і один із ключових чинників, що визначає їх
перебіг – це вибір матеріалу пари тертя, типу покриття та мастильної системи, а
також параметрів навантаження.
1.4. Класифікація функціональних покриттів деталей
електромеханічних приладів
Для забезпечення стабільної та довготривалої роботи малошвидкісних
ковзних електричних контактів широко застосовують спеціальні функціональні
покриття контактних поверхонь. Вони виконують водночас кілька ролей:
14
зменшують зношування, стабілізують перехідний опір, підвищують корозійну
стійкість і покращують сумісність з мастильними матеріалами [1, 3–5, 10, 16, 20].
Покриття класифікують за двома основними ознаками: за матеріалом; за
функціональним призначенням.
За видом матеріалу розрізняють:
− металеві покриття (Ag, Au, Cu, Ni, Sn та їх сплави, включно з латунню,
бронзами, сталями);
− композиційні метал–метал та метал–неметал (Ag–graphene, Ag–CNT, Ni-
композити тощо);
− вуглецеві покриття (DLC, графенові, нанотрубкові системи);
− мультишарові та градієнтні структури, де поєднуються шари різної твердості та
провідності [1, 3, 4, 10–12, 16, 17].
За призначенням виділяють:
− захисні покриття, що екранують основу від впливу середовища й корозії;
− зносостійкі покриття, які забезпечують тривалу роботу при повторюваному
ковзанні;
− електротехнічні покриття, що оптимізують електропровідність і контактний
опір;
− декоративно-захисні та регенераційні покриття, які поєднують захист,
відновлення геометрії й задані електрофізичні властивості [1, 3, 5, 13, 20].
У прецизійних ковзних контактах найчастіше використовують тонкі (10–30
мкм) шари благородних металів (Ag, Au, благородні сплави) та їхні композиційні
варіанти, зокрема зі вбудованими наноструктурованими вуглецевими
наповнювачами [3, 10–12, 16, 17]. Для важких умов експлуатації застосовують
пористі покриття на основі золота, срібла, індію, а також композиційні срібно-
графенові чи срібно-карбонові системи, які поєднують високу провідність із
покращеною зносостійкістю [10, 12, 16].
Електротехнічні покриття для ковзних контактів покликані зменшити
перехідний опір, забезпечити стабільність потенціалу в зоні контакту й знизити
чутливість до забруднень та окиснення. У цьому контексті дедалі ширше
15
досліджуються графенові, DLC- та CNT-модифіковані покриття, які можуть
працювати як у сухих, так і в змащених умовах [4, 10–12, 16, 20].
1.5. Технології формування зносостійких покриттів на контактних
поверхнях
З урахуванням специфіки роботи прецизійних ковзних контактів (малі
швидкості, локальні напруження, електричне навантаження) особливу роль
відіграє вибір технології формування покриттів, яка визначає їхню
мікроструктуру, адгезію до основи та експлуатаційні властивості [1, 3, 4, 5, 20].
Узагальнено методи нанесення захисних і функціональних покриттів можна
поділити на п’ять груп (рис. 1.2).
Методи нанесення захисних покриттів
Хіміко- Термо- Хімічні Фізичні Електро-
термічні механічні фізичні
Рис. 1.2. Методи нанесення захисних покриттів
Хіміко-термічні методи (дифузійні покриття). Формування покриття
відбувається внаслідок дифузії легувальних елементів у поверхневий шар основи
в твердому, рідкому чи газовому середовищі. До цієї групи належать азотування,
цементація, борування, карбонітрування, а також плазмові варіанти цих процесів.
Такі методи забезпечують отримання зміцненого дифузійного шару товщиною
10–40 мкм, який підвищує твердість і зносостійкість основи, але зазвичай
16
Дифузійне
насичення
вуглецем, хромом
та ін.
Плазмове
напилення
Детонаційне
напилення
Осадження з
газової фази
Плазмохімічне
осадження
Йонно - плазмове
напилення
Йонно – променеве
напилення
Електроіскрове
легування
потребує додаткових електропровідних покриттів для оптимізації контактного
опору [2, 5, 7, 20].
Термомеханічні методи (газотермічне, плазмове, детонаційне напилення).
Матеріал покриття у вигляді порошку нагрівають у високотемпературному потоці
(плазма, продукти детонації), плавлять і прискорюють до швидкості, достатньої
для ударно-механічного зчеплення з основою. Плазмове та детонаційне
напилення дозволяють формувати товсті (десятки–сотні мікрометрів) зносостійкі
шари зі складним складом (металеві, керамічні, композити) з високою адгезією [1,
3, 5]. Для ковзних контактів ці методи використовують для нанесення підшарів
або робочих шарів, які потім можуть додатково модифікуватися тонкими
електротехнічними покриттями.
Хімічні методи осадження з парогазової фази (CVD-типу). У цих процесах
навколо деталі створюють газове середовище з летких сполук металоносія й
реактивних газів; на поверхні основи відбуваються хімічні реакції з утворенням
твердого шару та газоподібних побічних продуктів, які видаляються з реакційної
зони. Хімічні методи осадження застосовують, зокрема, для формування захисних
та електропровідних шарів складного складу, включно з карбонітридними та
оксидними системами [1, 3, 20].
Фізичні методи осадження у вакуумі (PVD, іонно-плазмові, іонно-променеві,
реактивні процеси). До цієї групи належать іонно-плазмове та іонно-променеве
розпилення, катодне випаровування, реактивне розпилення в присутності
активного газу тощо. Плівкові покриття формуються шляхом конденсації
розпилених частинок на поверхні деталі. Ці методи є базовими для отримання
DLC-, металевих та композиційних наноструктурованих шарів, що широко
застосовуються для модифікації прецизійних ковзних контактів [1, 4, 5, 20].
Методи, засновані на електричних розрядах та електрохімічній взаємодії.
Сюди відносять електрохімічне осадження (гальванічні покриття), мікродугове
оксидування, електроіскрове легування тощо. Електрохімічне формування
покриттів із благородних металів (Ag, Au, їхніх сплавів), а також композиційних
шарів (наприклад, Ag–graphene) є одним із найбільш ефективних шляхів
17
створення тонких високопровідних і зносостійких покриттів для струмознімачів і
контактних доріжок [3, 8, 10, 16, 17].
Аналіз наведених технологій свідчить, що для прецизійних малошвидкісних
ковзних електричних контактів оптимальним є застосування багатошарових
систем: зміцнений дифузійний або напилений підшар, поверхневий
електрохімічний шар із благородного металу або композиційний Ag/graphene чи
CNT-модифікований шар, а також можливе додаткове наноструктуроване
покриття (DLC, графен) для оптимізації тертя [1, 3, 4, 8–12, 16, 20].
1.6. Обґрунтування вибору методів зміцнення та модифікації покриттів
З позицій фізико-хімічної механіки основна задача інженерії прецизійних
ковзних контактів полягає у формуванні такого поверхневого шару, який
одночасно забезпечує високу механічну міцність, зносостійкість і стабільні
електричні параметри в заданих умовах експлуатації [2, 20]. Це фактично
завдання цілеспрямованого проєктування нових конструкційних і функціональних
матеріалів та їхніх покриттів з контрольованою мікро- та наноструктурою.
Для його вирішення необхідно враховувати дві взаємопов’язані групи
процесів:
− деформаційно-руйнівні процеси у твердому тілі (при терті, циклічних
навантаженнях, дії електричного струму та зовнішнього середовища);
− структуроутворення – формування в поверхневому шарі просторих структур з
заданими механічними й електрофізичними властивостями (дрібнозернисті,
наноструктуровані, зміцнені фази тощо) під дією термомеханічних та хіміко-
фізичних чинників [1, 2, 20].
Важливе місце займає колоїдна фізико-хімія, яка описує поведінку
дисперсних систем і поверхневих явищ. Реальні матеріали контактів мають
складну «колоїдоподібну» структуру з мережею дефектів і мікротріщин; у процесі
навантаження ці дефекти еволюціонують, формуючи нові поверхні, які можуть
або змикатися, або слугувати зародками руйнування. Тому модифікація
поверхневого шару покриттів (легування, наноструктурування, введення
18
дисперсних часток) є ключовим інструментом керування їхньою довговічністю [1,
2, 20].
Особливу увагу приділяють дії активних рідин і мастильних матеріалів,
включно з електропровідними та наномодифікованими мастилами [6, 7, 15].
Адсорбційна взаємодія поверхнево-активних компонентів із матеріалом покриття
може призводити до локалізації пластичних деформацій у тонкому
приповерхневому шарі, полегшуючи згладжування мікронерівностей, зменшуючи
локальні піки напружень і прискорюючи припрацювання контактної пари. Такі
мастила «тренують» поверхню, сприяючи формуванню більш дрібнозернистої
структури з підвищеною твердістю й зносостійкістю, що особливо важливо для
малошвидкісних контактів із тривалим ресурсом [6, 7, 15, 20].
З іншого боку, адсорбційні ефекти можуть знижувати міцність окремих
крихких фаз і сприяти ініціації мікротріщин, тому вибір складу мастильної
системи повинен базуватися на комплексному врахуванні механізмів тертя та
руйнування для конкретної контактної пари.
З урахуванням наведених положень вибір методів зміцнення та модифікації
покриттів прецизійних малошвидкісних ковзних контактів має спиратися на:
− формування зміцненого підшару з підвищеною втомною міцністю;
− нанесення електропровідного поверхневого шару (благородні метали, Ag- та
Au-сплави, Ag–graphene, CNT-модифіковані покриття) з контрольованою
мікроструктурою [3, 8, 10–12, 16, 17];
− використання провідних мастильних матеріалів із нанодобавками, що
підвищують зносостійкість і стабілізують контактний опір [6, 7, 15];
− застосування методів моделювання та машинного навчання для прогнозування
ресурсу контактів та оптимізації складу покриттів і мастильних систем [14, 18,
19].
У підсумку, для підвищення зносостійкості й стабільності експлуатаційних
характеристик прецизійних малошвидкісних ковзних електричних контактів
доцільно розробляти комбіновані технології формування багатошарових та
композиційних покриттів з урахуванням фізико-хімічних механізмів
19
самоорганізації у зоні контакту, а також інтегрувати сучасні підходи електро-
трибології й інтелектуального моніторингу стану контактної пари [3, 6, 8–11, 13,
16, 18–20].
Висновки до розділу 1
1. Проаналізовано будову та функції електромеханічних контактів у
вимірювальній та керувальній техніці, показано ключову роль прецизійних
ковзних контактів у малошвидкісних вузлах і встановлено, що їх надійність і
стабільність перехідного опору визначаються поєднанням конструкції
контактного вузла, вибору матеріалів пари тертя, робочих навантажень і умов
експлуатації, а також тріботехнічними процесами самоорганізації поверхневого
шару.
2. Показано, що застосування спеціальних функціональних покриттів (металевих,
композиційних, вуглецевих, мультишарових) і раціонально підібраних
мастильних систем із нанодобавками суттєво впливає на зниження коефіцієнта
тертя, інтенсивності зношування та контактного опору, а також наведено
класифікацію таких покриттів і узагальнено основні технології їх формування
(дифузійні, газотермічні, CVD, PVD, електрохімічні) з урахуванням вимог до
прецизійних ковзних контактів.
3. Обґрунтовано та доведено доцільність використання комбінованих
багатошарових і композиційних систем покриттів разом із електропровідними
мастильними матеріалами, а також застосування числового моделювання й
методів машинного навчання для прогнозування ресурсу та оптимізації складу
покриттів; встановлено, що врахування фізико-хімічних механізмів
самоорганізації та електро-трибологічних ефектів є необхідною умовою
забезпечення довговічності та стабільних електричних характеристик
малошвидкісних ковзних електричних контактів.
20
РОЗДІЛ 2
МЕТОДИЧНІ ПІДХОДИ ДО ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ,
ВИБІР МАТЕРІАЛІВ ТА ВИМІРЮВАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ
Для розв’язання поставлених у роботі завдань, спрямованих на суттєве
зниження перехідного електричного опору, коефіцієнта тертя робочих поверхонь і
моменту тертя струмознімача, застосовано комплексний методичний підхід, що
поєднує етапи обґрунтованого вибору матеріалів, формування функціональних
покриттів і багаторівневу фізико-хімічну та триботехнічну діагностику.
У дослідженні використано рентгеноструктурні, металографічні й
електронно-мікроскопічні методи, випробування на зношування, а також
вимірювання електропровідності контактної пари струмознімача. Такий
інтегрований підхід відповідає сучасним тенденціям трибології та інженерії
поверхні, де характеристики покриттів оцінюють одночасно за їхньою
структурою, зносостійкістю та електричними параметрами [1, 2, 5, 18, 20].
2.1. Характеристика об’єктів дослідження
Методичні підходи до підвищення електротехнічних параметрів
струмознімача повинні узгоджуватися з вимогами до його трибологічних
властивостей. Оптимізація перехідного опору та надійності електричного
контакту нерозривно пов’язана з необхідністю забезпечення стабільного режиму
тертя та мінімізації зношування, що вимагає для кожного конкретного
застосування експериментального встановлення діапазонів навантажень,
швидкостей ковзання та параметрів мікрорельєфу [1, 3, 5, 13, 20].
Як типовий об’єкт для апробації методики обрано гіроскопічний вузол з
використанням струмознімача типу «щітка – колектор» (рис. 2.1), де реалізується
ковзний електричний контакт у умовах комбінованих механічних і електричних
навантажень.
21
Рис. 2.1. Струмознімач типу «щітка – колектор»
Основним об’єктом дослідження є контактна пара струмознімача, що
утворена платино-іридієвим сплавом ПЛИ-25 (тіло тертя) та золотим покриттям
(контртіло). При цьому аналізується робота фрикційного контакту щітки з
колекторними кільцями з латуні Л62 (ГОСТ 17711-93), на які електролітичним
методом нанесено золоте покриття, а також щітки струмознімача типу
«мухолапки» (рис. 2.2). Така конфігурація є типовою для високонадійних
електричних контактів і відповідає сучасним підходам до використання
благородних та композитних покриттів для зниження зношування і стабілізації
електричного опору [3, 8–13, 16, 17].
Рис. 2.2. Колектор (а) з кільцями із латуні Л62 і щітки (б) струмознімача
2.2 Використані методи одержання покриттів
Формування функціонального покриття на поверхні колекторних кілець
здійснювалося методом електрохімічного золочіння з подальшим
припрацюванням у реальних умовах тертя. Вибір такого підходу зумовлений тим,
22
що електрохімічні технології дозволяють керовано змінювати товщину, хімічний
склад та морфологію шару, що безпосередньо впливає на трибологічні й
електричні характеристики контактної пари [1, 4, 5, 10, 11, 16].
Характеристики отриманих шарів визначаються складом електроліту, його
«віком» (ступенем відпрацювання ванни), щільністю струму та тривалістю
осадження. Для латунних кілець струмознімача реалізовано шість варіантів
режимів нанесення покриття:
1-й варіант. Золоте покриття осаджується зі свіжоприготованого
електроліту:
− Склад електроліту: золото (діціаноаурат) – 23 г/л; ціаністий калій – 15 г/л.
− Щільність струму: 1 А∙дм⁻².
− Час осадження: 2,5 год без реверсу.
2-й варіант. Свіжий електроліт, змінена щільність струму:
− Щільність струму: 0,5 А∙дм⁻².
− Час осадження: 2,5 год без реверсу.
− Товщина покриття: 27,7 мкм.
3-й варіант. Осадження зі «старого» електроліту (відпрацьована ванна).
− Склад: золото (діціаноаурат) – 41,5 г/л; ціаністий калій – 14,5 г/л.
− Щільність струму: 0,5 А∙дм⁻².
− Товщина покриття: 46 мкм.
4-й варіант. Осадження в малоконцентрованій ванні.
− Склад електроліту: золото (діціаноаурат) – 8,4 г/л; ціаністий калій – 11,7 г/л.
− Щільність струму: 0,01 А∙дм⁻².
− Час осадження: 6 год.
23
5-й варіант. Легування золотого покриття сріблом (перше нанесення після
приготування електроліту).
− До складу електроліту додано срібло в концентрації 0,5 г/л.
6-й варіант. Леговане сріблом золоте покриття після певного періоду
експлуатації електроліту.
− Склад електроліту: золото (діціаноаурат) – 8,4 г/л; ціаністий калій – 11,7 г/л.
− Щільність струму: 0,01 А∙дм⁻².
− Час осадження: 4 год.
Після формування покриттів передбачалося їхнє припрацювання в умовах,
наближених до експлуатаційних. Це дозволяє зменшити початкову шорсткість,
стабілізувати контактну пляму та сформувати характерний приповерхневий шар,
що визначає експлуатаційні властивості контактної пари [1, 3, 5, 8, 16].
2.3. Підходи до експериментального визначення триботехнічних
характеристик покриттів
Для моделювання процесів тертя, що реалізуються в електричних
струмознімачах, застосовано машину тертя SRV (Optimol) та спеціально
створений стенд, який геометрично відтворює конфігурацію контактної пари
реального вузла (рис. 2.3). Такий підхід узгоджується з сучасною практикою
трибологічних досліджень, коли лабораторні установки дозволяють масштабувати
та прискорювати процеси, що відбуваються в реальних контактах, з одночасним
контролем навантаження, швидкості ковзання та температури [2, 5, 18, 20].
В основу методики покладено припущення, що для фіксованої комбінації
матеріалів «тіло–контртіло» існує характерний набір триботехнічних процесів,
практично не залежний від конкретної геометрії, тоді як геометричні параметри
(радіус, ширина контакту тощо) визначають лише робочий діапазон навантажень і
швидкостей, у якому той чи інший режим тертя реалізується [5, 18, 20].
24
Рис. 2.3. Схема тертя, що реалізується на стенді 1 - чотири паралельно
розташованих щітки з ПЛИ-25 (тіло) 2 - латунне кільце (контртіло)
Таким чином, машина тертя дозволяє в прискореному режимі відтворити й
дослідити процеси, характерні для реального струмознімача.
Схематичне зображення моделі пари тертя, що реалізується на машині
тертя, наведено на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Схематичне зображення пари тертя на машині тертя: 1 – щітка із
сплаву ПЛИ-25 (тіло); 2 – золоте покриття на латунній поверхні (контртіло)
Щітка з платино-іридієвого сплаву ПЛИ-25 діаметром 0,32 мм, зігнута по
дузі кола діаметром 8 мм, здійснює зворотно-поступальний рух по плоскій
поверхні золотого покриття товщиною близько 28 мкм, нанесеного
електролітично на латунь.
Довжина ходу ковзання: 5 мм;
Частота зворотно-поступального руху: 50 Гц.
Стендові дослідження виконуються з модельними струмознімачами типу
«щітка – колектор». Як щітку використовують утримувач, у якому паралельно
25
спаяні відрізки дроту з ПЛИ-25 діаметром 0,32 мм. Колектор являє собою набір
співвісно розташованих латунних кілець, по контуру покритих золотом товщиною
28 мкм. Схема тертя між чотирма дротами ПЛИ-25 і позолоченим кільцем
наведена на рис. 2.3.
Процес тертя створюється обертанням колектора відносно щітки з частотою
6 хв⁻¹. Нормальна сила притиснення дротів до кільця змінюється в діапазоні 5–15
г. У ході випробувань реєструються:
− момент тертя;
− стабільність перехідного електричного опору між щіткою та колектором;
− глибина вироблення золотого покриття.
Такий методичний підхід дає змогу пов’язати механічні параметри тертя
(знос, момент тертя) із електричними характеристиками контакту, що особливо
актуально для електричних контактів ковзання в умовах змішаного або
граничного змащування [2, 6, 10, 11, 13].
Після завершення стендових випробувань проводиться детальний аналіз
стану робочих поверхонь струмознімача з використанням комплексу фізико-
хімічних методів.
2.4. Аналіз експлуатаційного стану контактів струмознімача методами
растрової електронної мікроскопії
Для оцінювання структури, хімічного складу та пошкоджень приповерхневих
шарів колекторних кілець застосовано растрову електронну мікроскопію (РЕМ),
електронну оже-спектрометрію, атомно-силову мікроскопію (АСМ) та
рентгеноструктурний аналіз (РСА). Попередній контроль якості поверхні
здійснювався за допомогою бінокулярного оптичного мікроскопа.
Електронно-растрові та оже-спектральні дослідження виконувалися на
приладі JAMP-1 OS (JEOL).
26
У режимі електронної мікроскопії застосовували прискорюючу напругу 10
кВ та діаметр електронного пучка 25 нм.
Оже-аналіз проводили при напрузі прискорення 5 кВ, струмі пучка 1 мкА та
діаметрі пучка 100 нм (для високої просторової роздільної здатності) або 100 мкм
(для інтегрального аналізу).
Для дослідження розподілу хімічних елементів по глибині поверхневих шарів
застосовано пошарове розпилення іонами аргону з енергією 2,5 кВ. Кількісний
склад поверхні визначався за диференціальними оже-спектрами з використанням
факторів відносної чутливості.
Рентгеноструктурний аналіз зразків здійснювали на дифрактометрі ДРОН-
УМ-1 з використанням CuKα-випромінювання. Для досягнення високої роздільної
здатності використовували набір колімуючих щілин (0,01–1 мм) та реєстрацію
рентгенограм у режимі дискретного рахунку по точках. Така методика відповідає
сучасним підходам до аналізу мікроструктури та фазового складу покриттів, що
працюють в умовах тертя й електричного навантаження [1, 2, 5, 18, 20].
Комплексний характер застосованих методів забезпечує швидке, оглядове та
водночас високоточне визначення впливу зовнішніх факторів (механічне
навантаження, електричний струм, середовище) на стан поверхонь пар тертя, що є
критично важливим для надійності вимірювальних приладів і прецизійних
механізмів.
Растрова електронна мікроскопія. Растровий електронний мікроскоп (РЕМ)
ґрунтується на телевізійному принципі розгортки тонкого електронного пучка по
поверхні об’єкта. При цьому досліджуються непрозорі для електронів матеріали:
поверхня зразка сканується тонким електронним зондом (порядку 50–100 Å),
сформованим системою електронних лінз. Рухаючись по поверхні, зонд формує
растрову структуру, а взаємодія електронів із зразком (поглинання, розсіювання,
випромінювання вторинних електронів і рентгенівських квантів) забезпечує
формування сигналу з високою інформативністю.
Головними перевагами РЕМ є:
27
− висока роздільна здатність (можливість розрізнення близько розташованих
деталей);
− широкий діапазон збільшень;
− можливість поєднання з локальним хімічним аналізом (EDS, Оже-
спектроскопія).
Підготовка зразків. Для непровідних матеріалів або неметалевих включень у
металевій матриці необхідно забезпечити відвід заряду. З цією метою на
установці ВУП-5 наносять тонку металеву плівку (наприклад, золота чи вуглецю).
Нерівна або похила поверхня може призвести до геометричних спотворень
зображення, тому при дослідженні в режимі МРСА (мікроаналіз) бажана
максимально плоска поверхня.
На рис. 2.5 наведено фрактограму бічного зламу зразка ротора п’єзодвигуна з
п’єзокерамічного матеріалу (ПКМ) з пористим срібним електродом.
Рис. 2.5. Фрактограма бічного зламу зразка із п’єзокерамічного матеріалу
(ПКМ) з пористим срібним електродом, отримана за допомогою електронного
мікроскопа
Атомно-силова мікроскопія (режим контактний). Дослідження
мікрорельєфу поверхні за допомогою АСМ виконували шляхом сканування
плоскої ділянки (до 13×13 мкм) з метою отримання тривимірного зображення
мікрорельєфу. Для підвищення точності було обрано статичний (контактний)
28
режим роботи, у якому вимірювальна система відслідковує відхилення
кантилевера в діапазоні ±1,5·10⁻⁶ м. Геометричні параметри кантилевера:
− ширина: (35±3)·10⁻⁶ м;
− довжина: (350±5)·10⁻⁶ м;
− товщина: (0,7…1,3)·10⁻⁶ м.
Використовувався кремнієвий зонд Ultrasharp CSC12 (MikroMasch, США),
що забезпечує високу роздільну здатність сканування.
Вертикальне підведення зразка до зонду здійснюють поетапно:
− спочатку зразок наближають на відстань ~1 мм із максимальною швидкістю
(1,28·10⁻³ м/с);
− далі переходять на мінімальну швидкість (0,16·10⁻³ м/с) для точного
автоматичного підведення.
Після підведення встановлюється оптимальна сила взаємодії вістря з
поверхнею F = (3…6)·10⁻⁶ Н та зменшується відносна швидкість зворотного
зв’язку υзв = 45…65% для уникнення самозбудження (наявність періодичних
перешкод на зображенні).
Після запуску сканування на екран виводиться вікно тривимірної
візуалізації отриманого зображення поверхні та додаткове вікно профілю по
обраній траєкторії сканування.
2.5. Дослідження експлуатаційних параметрів контактів струмознімача
за допомогою атомно-силової мікроскопії
Серед численних методів оцінювання експлуатаційних властивостей пар
тертя особливе місце займає атомно-силова мікроскопія, яка дозволяє поєднати
кількісні вимірювання мікрорельєфу з локальним аналізом механічних
властивостей поверхні. Для задач трибології електричних контактів доцільним є
використання динамічного режиму «обстукування» (tapping mode), що забезпечує
зменшення поверхневих пошкоджень при збереженні високої чутливості [2, 5, 18,
20].
29
У цьому режимі консоль коливається поблизу своєї резонансної частоти з
амплітудою порядку 100 нм. Під час кожного коливання вістря короткочасно
торкається поверхні в нижній точці траєкторії, що й зумовило назву режиму. На
відміну від жорстко контактного режиму, тут суттєво знижуються латеральні
(бічні) сили, які відповідають за тертя й «протягування» вістря по поверхні, тому
ризик механічного пошкодження зразків значно менший.
Разом із тим вертикальна сила, що діє на зонд у режимі «обстукування»,
повинна перевищувати капілярну силу (~10⁻⁸ Н), щоб вістря могло вільно входити
й виходити з тонкого шару вологи без затримки. Для м’яких і пружних матеріалів
це може призводити до помітної деформації поверхні, тому отримані зображення
часто несуть змішану інформацію про топографію та пружні властивості шару.
Аналогом сканувальної тунельної спектроскопії для АСМ є криві
підведення/відведення (force–distance curves), які відображають залежність сили
взаємодії зонда з поверхнею від відстані між ними. За їх формою можна оцінити:
− величину прикладеної вертикальної сили;
− в’язкість забруднень і товщину мастильного шару;
− локальні варіації пружних властивостей поверхні.
На таких кривих зазвичай виділяють характерні ділянки (А–В, В–С, С–D,
D–Е, Е–F, F–G), які схематично показані на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Номограма кривих підведення-відведення
30
Суцільною лінією зображено криву, отриману у вакуумі; пунктиром
позначено варіації кривої, зумовлені пружними властивостями зразка та
наявністю шару вологи й мастила (забруднень).
Коротко їх можна інтерпретувати так.
Ділянка А–В. Зонд віддалений від поверхні, консоль не згинається, сили
взаємодії практично відсутні.
Ділянка В–С. Відбувається «стрибок до контакту» – під дією
притягувальних сил (ван-дер-ваальсових, електростатичних, капілярних) зонд
різко притягується до поверхні. Зміна сили на цій ділянці може бути перерахована
в переміщення за законом Гука F = –k∙Δx, що дозволяє оцінити товщину
адсорбованого шару.
Ділянка С–D. Подальше підведення зонду супроводжується майже лінійним
згином консолі та визначає ефективний модуль пружності системи «зонд–
поверхня». Відхилення від лінійності пов’язують з переходом від пружної до
пластичної деформації, зміною складу або структурою поверхневого шару.
Ділянка D–Е. Початок відведення зонду. За відсутності гістерезису ділянка
повторює хід С–D; відмінності між ними містять інформацію про пластичну або
повільно відновлювальну пружну деформацію.
Ділянка Е–F. При подальшому відведенні проявляються адгезійні сили (ван-
дер-ваальсові, електростатичні, капілярні). Характер і довжина цієї ділянки
залежать від товщини та в’язкості приповерхневих шарів (волога, мастило,
забруднення).
Ділянка F–G. У точці F зонд відривається від поверхні; відповідне зусилля є
мірою сумарної адгезійної сили. За наявності декількох шарів (вода, мастило)
можливі кілька точок відриву (F₁, F₂).
Аналізуючи ці ділянки, можна кількісно оцінити адгезійні взаємодії,
товщину мастильних і забруднювальних шарів, а також локальну жорсткість
поверхні, що є важливим для розуміння механізмів зношування та втрати
електричного контакту в струмознімачах [2, 6, 13, 18].
31
2.6. Вибір і характеристика атомно-силового мікроскопа NT-206
Для реалізації описаної методики використано атомно-силовий мікроскоп
NT-206, який у поєднанні з програмним забезпеченням забезпечує вимірювання
та аналіз мікро- і субмікрорельєфу поверхонь у мікро- та нанометровому діапазоні
з високою просторовою роздільною здатністю. Сфера застосування АСМ NT-206
охоплює фізику твердого тіла, тонкоплівкові та нанотехнології, мікро- і
нанотрибологію, мікроелектроніку, оптику та прецизійні вимірювальні системи
[1, 2, 5, 20].
Зображення отримуються під час сканування зразка по горизонталі (X–Y)
зондом з радіусом вістря від десятків до сотень нанометрів, закріпленим на
чутливому кантилевері. Система керування підтримує постійну відстань «голка–
зразок» у кожній точці сканування, а зміни положення зонда вздовж осі Z
формують масив АСМ-даних, що далі обробляється, візуалізується та
аналізується.
− АСМ NT-206 має такі основні особливості:
− лазерна система детектування відхилення та кручення кантилевера;
− робота у статичних і динамічних режимах, реалізація силової спектроскопії;
− цифрова система керування скануванням;
− автоматизоване переміщення вимірювальної голівки відносно зразка;
− інтегрована відеосистема для спостереження за зондом і сканованою областю;
− зв’язок з керуючим ПК через USB-інтерфейс;
− модульна структура електронного блоку та ПЗ, що полегшує адаптацію
приладу до специфічних дослідницьких задач.
Комплектація АСМ NT-206 включає:
− блок сканування (рис. 2.7);
− блок електроніки керування (рис. 2.7);
− комплект кабелів (з’єднання блока сканування з електронним блоком, USB-
кабель, мережевий шнур);
32
− компакт-диск з ПЗ: програма керування «SurfaceScan», програмний пакет
обробки АСМ-даних «SurfaceView», драйвери відеокамери.
Опційно можуть постачатися:
− набір зондів для статичного та динамічного режимів;
− комплект калібрувальних граток;
− додаткові тримачі зондів.
Рис. 2.7. Загальний вигляд атомно-силового мікроскопа NT-206 в базовій
конфігурації: блок сканування (на передньому плані) з блоком електроніки
керування (на задньому плані)
Рекомендовано використовувати окремий персональний комп’ютер із ОС
Windows XP/Vista/7 для керування АСМ, збору, зберігання, обробки та
візуалізації даних. Орієнтовні вимоги: процесор Pentium Core 2 Duo 2 GHz, RAM
≥1 Gb, HDD ≥160 Gb, USB-порт, відеопам’ять 256 Мб, монітор 19".
Для розширення можливостей налаштування корисно додатково
застосовувати довгофокусний оптичний мікроскоп (збільшення ×50…400) та
осцилограф із чутливістю 5 мВ/поділку. Витратні матеріали (зонди, калібрувальні
гратки) доцільно закуповувати у спеціалізованих виробників, зокрема Mikromasch
тощо.
33
У табл. 2.1 наведено основні технічні характеристики АСМ NT-206.
Таблиця 2.1.
Характеристики атомно-силового мікроскопа NT-206
Статичний (включаючи контактний режим і
мікроскопію латеральних сил); Динамічний
Режими роботи (включаючи безконтактний і змішаний /аналог
Tapping Mode®/ режими)
Статична/динамічна силова спектроскопія.
У динамічному/змішаному режимі – одночасне
отримання зображення топографії і зображення
фазового контрасту; у статичному режимі –
Багаторежимна робота
одночасне отримання зображення топографії,
карти локальних сил тертя (кручення) і карти змін
відхилення кантилевера.
Максимальне поле
20 20 3 мкм
сканування
Розмір матриці
До 1024*1024 точок і більше
сканування
Швидкість сканування 10 мкм/с в площині X - Y
Система детектування
Лазерно-променева схема з чотирьохсекційним
відхилення
позиційно-чутливим фотодетектором.
кантилевера
Зразок переміщається в площині XY
Схема сканування (горизонтальній) і в направленні Z
(вертикальному) під нерухомим зондом.
Корекція нелінійності Програмна
Промислові чіпи, розміром 3.4*1.6*0.4 мм з АСМ-
Зонд
зондами.
34
Максимальні розміри 30 30 8 мм (ширина-глибина-висота)
досліджуваного зразка
Діапазон
автоматизованих
10*10 мм в площині XY
переміщень
вимірювальної голівки
Поле огляду 1*0.75 мм, розмір вікна візуалізації 640*480
відеосистеми пікселей.
відкрите повітря, 760±40 мм рт. ст., 22±4°С,
Умови роботи
відносна вологість <70%
Рекомендується використовувати додаткову
Віброізоляція
віброізоляцію для діапазону частот 4-100 Гц
Характеристики Потужність на виході – до 5 мВт; довжина хвилі
джерела лазерного випромінювання – 650 нм; фокусна відстань – 40
випромінювання мм; діаметр променя у фокусі – близько 20 мкм.
Розрядність ЦАП
16
сканера
Вихідна напруга
високовольтного 200 В
підсилювача
Блок сканування : 185 185 290 мм; Блок
Габаритні розміри
електроніки управління : 470 210 195 мм (ш-г-в)
Блок сканування : 4.7 кг; Блок електроніки
Маса блоків, не більша
управління : 7.7 кг
Напруга живлення 220 В, 50 Гц
Споживана потужність Не більше 300 Вт
35
Далі в тексті детально розглянуто конструкцію блоку сканування NT-206
(рис. 2.8), що забезпечує зручний доступ до зразка, точне позиціонування та
стабільні умови вимірювань.
18 21
17
19
9 20
10
15
8
11
14
13
5
6
4
7
3
2 16
12
1
Рис. 2.8. Блок сканування атомно-силового мікроскопа NT-206: 1 – корпус
(базова платформа); 2 – ступінь грубого позиціонування по Y; 3 – кроковий
електродвигун по Y; 4 – ступінь грубого позиціонування по X; 5 – кроковий
електродвигун по X; 6 – з’єднання типу «ластівковий хвіст»; 7 – гвинт фіксації
вимірювальної голівки; 8 – вимірювальна голівка; 9,10 – ручки регулювання
лазера по X та Y; 11 – вісь повороту дзеркала; 12 – утримувач зонду; 13 – гвинт
фіксації утримувача; 14,15 – ручки регулювання фотодетектора; 16 – предметний
столик на торці п’єзосканера; 17 – труба відеосистеми; 18 – модуль відеокамери;
19 – кільце тонкого фокусування; 20 – кабель голівки; 21 – USB-кабель
відеосистеми
Блок сканування реалізує схему з нерухомим зондом і рухомим зразком:
прецизійні переміщення забезпечуються п’єзотрубкою, на торці якої розміщено
36
предметний столик. Грубе горизонтальне позиціонування (XY) здійснюється
кроковими двигунами з кроком 2,5 мкм та діапазоном переміщення 10 мм у
кожному напрямку. Вертикальний механізм підведення п’єзосканера має хід 20
мм з кроком близько 200 нм.
Вимірювальна голівка містить механічні, оптичні та електронні вузли, а
також спеціально інтегровану відеокамеру. Регулювання положення лазерного
променя на кантилевері й настроювання фотодетектора дозволяють точно
детектувати як вертикальне відхилення, так і кручення консолі. Це важливо для
одночасного отримання топографії та карти латеральних сил (локального
коефіцієнта тертя), що широко застосовується в нанотрибологічних дослідженнях
[1, 2, 5, 20].
Під час сканування зразок переміщується за растровою схемою (рис. 2.9), а
форма і принцип роботи системи сканування та детектування зображені на рис.
2.10–2.11.
Рис. 2.9. Рух зразка під зондом у процесі збору АСМ-даних
Рис. 2.10. Схема організації системи сканування і детектування положення зонду
37
Рис.2.11. Детектування вертикального Δz та горизонтального Δτ (torsion)
відхилень консолі фотодетектором: а – вимір вертикального відхилення
двосекційним детектором; b – чотирьохсекційний детектор латерального
силового мікроскопа для одночасного виміру вертикального та горизонтального
відхилень
По зміні положення світлової плями на фотодетекторі електронна система
визначає відхилення кантилевера й керує напругою на Z-електроді п’єзотрубки,
підтримуючи відстань «зонд–зразок» сталою. Виміряні значення напруги
формують матрицю висот рельєфу, на основі якої отримують дво- та тривимірні
АСМ-зображення поверхні, а також карти локальних сил тертя, що
використовуються для аналізу зношування й оцінки працездатності контактних
пар струмознімача [2, 5, 18, 20].
Висновки до розділу 2
Проаналізовано комплексний методичний підхід до зниження перехідного
електричного опору, коефіцієнта тертя та моменту тертя струмознімача, який
поєднує обґрунтований вибір матеріалів пари тертя «ПЛІ-25 – золоте покриття»,
кероване електрохімічне формування функціональних шарів та багаторівневу
38
фізико-хімічну й триботехнічну діагностику, що узгоджується з сучасними
тенденціями інженерії поверхні.
Показано, що використання спеціалізованого стенда й машини тертя SRV,
які геометрично та навантажувально моделюють вузол «щітка – колектор»
гіроскопічного приладу, дає змогу в прискореному режимі відтворити реальні
умови експлуатації, кількісно пов’язати момент тертя, знос і стабільність
перехідного опору з режимами осадження золотих покриттів та параметрами
притиснення щіток.
Доведено, що застосування комплексу високороздільних методів
поверхневої діагностики (растрової електронної мікроскопії, оже-спектроскопії,
рентгеноструктурного аналізу й атомно-силової мікроскопії NT-206 у статичних і
динамічних режимах) забезпечує інформативне оцінювання мікрорельєфу,
фазового складу, адгезійних і пружних характеристик покриттів, що є критично
важливим для прогнозування довговічності та надійності прецизійних
струмознімальних контактів.
39
РОЗДІЛ 3.
ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗКУ ТРІБОМЕХАНІЧНИХ ТА
ЕЛЕКТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ СТРУМОЗНІМАЧА
Незважаючи на інтенсивний розвиток тріботехніки ковзних електричних
контактів, на сьогодні відсутня достатньо завершена теоретична картина
взаємозв’язку між трібомеханічними (сила тертя, знос, пошкоджуваність
поверхні, характер мікроконтактів) та електричними параметрами струмознімача
(фактична площа контакту, перехідний електроопір, стабільність ВАХ тощо) [2,
13, 20]. Недостатньо розробленими залишаються загальні наукові принципи
добору матеріалів та покриттів для ковзних струмознімальних контактів, здатних
одночасно забезпечувати низький знос, стабільний контактний опір і високу
надійність роботи в широкому діапазоні режимів навантаження [1, 3, 5].
Аналітичні та електрофізичні методи розрахунку ключових контактних
характеристик, зокрема, реальної площі дотику та перехідного електроопору,
поки що лише частково доведені до рівня інженерних методик проєктування, хоча
саме ці параметри є фундаментальними як для електротехнічних задач, так і для
сучасної теорії тертя та зношування [18, 20]. Унаслідок цього підбір матеріалів
трибоспряжень для струмознімача в більшості практичних застосувань і надалі
здійснюється переважно емпіричним шляхом, із суттєвою кількістю повторних
випробувань та корекцій конструкції [3, 9, 13].
3.1 Особливості теоретичного опису роботи малошвидкісних ковзних
електричних контактів
Підвищення вимог до перехідного електроопору, обумовлене розширенням
діапазону робочих режимів і необхідністю забезпечення надійного
струмознімання в складних (у тому числі екстремальних) умовах експлуатації,
зумовлює активне застосування покриттів на основі благородних металів та їх
сплавів у струмознімачах [1, 3, 5]. Використання таких покриттів, поряд зі
зменшенням впливу окисних та інших хімічних плівок на контактних поверхнях,
40
дійсно сприяє зниженню перехідного електроопору. Водночас це посилює
адгезійну взаємодію в зоні контакту, що призводить до зростання сили тертя та
інтенсивності зношування, особливо в перехідних (пускових) режимах [2, 13, 20].
Економічні та технологічні міркування додатково стимулюють використання
благородних металів саме у вигляді тонких та багатошарових покриттів
струмознімальних поверхонь [1, 3]. Такі покриття, з одного боку, дозволяють
оптимізувати витрату дорогих матеріалів, а з іншого — формують на поверхні
специфічну мікроструктуру, яка суттєво впливає на механізми зародження й
розвитку пошкоджуваності в зоні тертя (рис. 3.1). У результаті практичне
покращення електротехнічних характеристик струмознімача нерідко конфліктує з
необхідністю забезпечення його оптимальних трибологічних властивостей як
трібоспряження. Це потребує для кожної конкретної конструкції
експериментального визначення допустимих режимів навантаження та умов
експлуатації, а також узгодження вимог до зносу й до контактного опору [5, 9,
13].
Рис. 3.1. Схематичне зображення пари тертя: 1 - тіло; 2 - контртіла
Усі процеси, що відбуваються при зовнішньому терті, визначаються
взаємодією робочих поверхонь контактуючих твердих тіл між собою та
взаємодією цих поверхонь з оточуючим середовищем. Для ковзних електричних
контактів струмознімача вирішальне значення мають процеси формування в
контактній зоні проміжних шарів, які, з одного боку, захищають поверхню від
41
схоплювання, а з іншого – безпосередньо впливають на стабільність перехідного
падіння напруги і, відповідно, на рівень контактного опору [6, 10, 11, 15].
У режимах сухого тертя та за низьких швидкостей відносного переміщення
контактуючих поверхонь коефіцієнт тертя й інтенсивність пошкоджуваності
визначаються, головним чином, адгезійною взаємодією на мікроділянках
фактичного контакту. При досягненні критичної кількості адгезійних зв’язків у
зоні контакту можливе схоплювання тіл, аж до формування локально нероз’ємних
з’єднань. Для більшості металів із очищеною поверхнею контакт
супроводжується значним адгезійним переносом матеріалу в момент розриву
зчеплення: як правило, перенос відбувається від матеріалу з меншою когезійною
міцністю до матеріалу з більшою, оскільки джерела когезійного зчеплення на
межі розділу часто виявляються міцнішими за внутрішні когезійні зв’язки в
об’ємі [2, 20].
Величину адгезійних зв’язків у реальних умовах практично неможливо
надійно обчислити, виходячи лише з об’ємних характеристик матеріалів.
Додаткові труднощі створює вплив пластичної деформації поверхневих шарів, що
висуває на перший план задачу експериментального визначення сумісності
матеріалів у парі тертя струмознімача [13, 18].
Дослідження взаємодії благородних металів із золотом показують, що в
переважній більшості випадків спостерігається адгезійний перенос золота на
поверхню іншого матеріалу. Це свідчить про те, що когезійна міцність золота є
нижчою, ніж у ряду інших металів, наприклад платини чи іридію. Виняток
становить срібло: контакт ювенільних поверхонь золота та срібла, як правило,
розривається по межі розділу без суттєвого переносу матеріалу, тобто в цьому
випадку адгезійні зв’язки виявляються слабшими за когезійні.
Важливу роль відіграють параметри кристалічної решітки металу, від яких
залежить енергія адгезійної взаємодії із золотом. Для металів платинової групи,
що контактують із золотом або вольфрамом, різниця в енергії адгезії зумовлює
відмінності в характері переносу матеріалу. Так, для родію експериментально
реєструється інтенсивний адгезійний перенос золота на його поверхню, тоді як
42
для іридію реалізується епітаксійний «острівковий» механізм переносу: частинки
золота осаджуються лише в регіонах, де вони «продовжують» кристалічну сітку
основного металу.
Величина адгезійної взаємодії суттєво залежить і від навантаження, що
стискає пару тертя, і від часу взаємодії, що відображається у відповідних
експериментальних залежностях сили адгезії золота від параметрів навантаження
для різних металів (нікель, мідь тощо). Аналогічний характер фрикційної
поведінки фіксується й для пари з однакових платинових зразків. Водночас для
платини при навантаженнях на пару тертя менше 1 Г металева провідність
контактної зони зникає, а вольт-амперна характеристика (ВАХ) набуває
вираженої нелінійності, що свідчить про формування суцільної оксидної плівки
на поверхнях тертя.
Ковзний електричний контакт струмознімача можна розглядати як пару
тертя, що складається з тіла та контртіла. Тілом називають нерухомо закріплений
елемент, частина поверхні якого постійно перебуває в зоні контакту та тертя.
Контртілом є рухомий відносно тіла елемент, окремі ділянки поверхні якого
періодично входять у зону тертя та покидають її.
Модель контактної зони тертя двох металевих поверхонь, як з адгезійним
характером мікроконтактів, так і з контактуванням через надтонкі оксидні або
адсорбційні шари та через об’ємні захисні структури з дифузійною провідністю
наведено на рис. 3.2.
а) б) в)
Рис. 3.2. Модель контактної зони тертя двох металевих поверхонь:
1 – адгезійний характер мікроконтакту, провідність; 2 – контактування через
надтонкий оксидний або адсорбційний шар; 3 – контактування через об’ємні
захисні структури, дифузна провідність
43
Для тертя різнорідних металів вирішальним є не лише співвідношення їх
когезійної міцності та хімічної активності, а й їх розподіл ролей у парі тертя (який
елемент є тілом, а який – контртілом). Наприклад, при ковзанні золота (тіло) по
міді (контртіло) руйнування поверхневої оксидної плівки на мідній поверхні
практично не спостерігається. У цьому випадку тип контакту відповідає схемі,
зображеній на рис. 3.2, а, і лише поблизу критичного навантаження переходу до
схоплювання починає паралельно проявлятися тип контактування, схематично
представлений на рис. 3.2, б. Перехідний електроопір при цьому залишається
досить високим [10, 11].
Протилежна ситуація реалізується при ковзанні мідного індентора (тіло) по
золоту (контртіло): оксидна плівка на мідній поверхні під дією навантаження
понад 1 Г руйнується та виноситься продуктами зносу. У результаті домінуючим
стає тип контактування, відповідний схемі рис. 3.2, б, і лише частково – рис. 3.4,
а; це супроводжується зниженням перехідного електроопору контактної зони
тертя приблизно на порядок.
3.2 Математичне та комп’ютерне моделювання процесів у ковзних
електричних контактах
Як і в попередньому підрозділі, ключові процеси в контактній зоні
розглядаються з позицій взаємодії робочих поверхонь твердих тіл між собою та з
оточуючим середовищем. Для ковзних електричних контактів першорядного
значення набувають механізми утворення й еволюції проміжних шарів у зоні
тертя, які одночасно визначають рівень захисту поверхонь від схоплювання та
стабільність перехідного падіння напруги на контактній ділянці [6, 10, 11, 15].
З урахуванням сучасних уявлень про структурно-фазовий стан поверхневих
шарів і мікроконтактів контактна зона може бути схематизована так, як показано
на рис. 3.3. У ній мікроконтакти двох дотичних металевих поверхонь
відповідають трьом принципово різним режимам тертя, які можуть співіснувати в
межах однієї й тієї ж зони контакту.
44
Мікроконтакт 1 відображає адгезійну (або, за високих швидкостей ковзання,
дифузійну) взаємодію поверхонь двох металів. Для такого режиму характерні
високі контактні напруження, значний внесок адгезійних сил у загальну силу
тертя та, зазвичай, лінійна ВАХ у разі металевого контакту (рис. 3.3, а).
Мікроконтакт 2 описує випадок, коли на одній чи обох дотичних поверхнях
присутні надтонкі (порядку 1 нм) оксидні або адсорбційні шари, що
перешкоджають прямій адгезії металів. За цих умов пошкоджуваність і знос
поверхонь, які труться, істотно зменшуються, а ВАХ контактної зони може
ставати виражено нелінійною (рис. 3.3, б). Таку нелінійність найчастіше
спостерігають у діапазоні напруг від 0 до 0,5 В (інколи до 1 В). За напруг вище 1
В внеском тунельної провідності, як правило, можна знехтувати: відбувається
пробій потенційного бар’єра в контактній зоні, і ВАХ електричного контакту
переходить до квазілінійного характеру (рис. 3.3, б).
а б в
Рис. 3.3. Вольт-амперні характеристики мікроконтактів
Мікроконтакт 3 (рис. 2.4) відповідає ситуації, коли контакт між
мікронерівностями поверхонь металів здійснюється через відносно товсті
(об’ємні) захисні шари з дифузійною електропровідністю. Такі структури істотно
знижують коефіцієнт тертя, рівень пошкоджень та інтенсивність зношування
контактуючих поверхонь ковзного електричного контакту, але водночас майже
повністю визначають його електричні характеристики. Для мікроконтакту 3 ВАХ
є лінійною, а перехідний електроопір зумовлений значенням об’ємної
(дифузійної) провідності захисної структури та може змінюватися в широких
межах залежно від її фазового складу, товщини та мікроструктури (рис. 3.3, в). У
ролі таких захисних структур можуть виступати товсті оксидні чи інші хімічні
45
плівки дифузійного походження, перенесені шари продуктів зносу, а також
спеціально сформовані композиційні покриття на основі вуглецевих, графенових
чи металевих компонентів [3, 4, 10–12, 16, 17].
У рамках математичного та комп’ютерного моделювання взаємозв’язку
трібомеханічних та електричних параметрів струмознімача такі мікроконтакти
розглядаються як елементи еквівалентної електричної схеми, де кожному типу
режиму тертя відповідають власні параметри «механічного блоку»
(навантаження, площа дотику, локальні напруження, швидкість ковзання) та
«електричного блоку» (опір, ємність, нелінійні елементи тощо). Це дозволяє
будувати моделі, які описують еволюцію контактного опору й ВАХ у процесі
зношування поверхонь, зміни мікроструктури покриттів або умов мастила [6, 13,
18]. Сучасні підходи включають як класичні розрахункові схеми, так і числові
методи (метод скінченних елементів та інші), а також використання методів
машинного навчання для прогнозування контактного опору й морфології
зношування за експериментальними сигналами (наприклад, акустичної емісії) [14,
18, 19].
Висновки до розділу 3
Проаналізовано сучасний стан тріботехніки ковзних електричних контактів
і встановлено, що відсутність завершеної теоретичної моделі взаємозв’язку між
трібомеханічними (тертя, знос, мікроконтакти) та електричними параметрами
струмознімача (реальна площа контакту, перехідний опір, ВАХ) зумовлює
переважно емпіричний характер добору матеріалів і покриттів, що потребує
численних повторних випробувань і корекцій конструкції.
Показано, що застосування тонких і багатошарових покриттів на основі
благородних металів одночасно покращує електротехнічні характеристики
ковзних контактів (зменшує вплив окисних плівок і перехідний опір) та
ускладнює їх трібологічну поведінку через посилення адгезійної взаємодії, зміну
мікроструктури поверхні й реалізацію різних типів мікроконтактів, що вимагає
46
індивідуального встановлення допустимих режимів навантаження й умов
експлуатації для кожної конструкції струмознімача.
Розроблено концептуальний підхід до математичного й комп’ютерного
моделювання ковзних електричних контактів, у межах якого різні типи
мікроконтактів (адгезійні, контакти через надтонкі плівки та через об’ємні захисні
шари) подаються як елементи еквівалентної електричної схеми з власними
механічними та електричними параметрами, що дозволяє описувати еволюцію
контактного опору й ВАХ у процесі зношування та створює підґрунтя для
подальшого застосування числових методів і алгоритмів машинного навчання для
прогнозування ресурсу й надійності струмознімачів.
47
РОЗДІЛ 4.
ПОСТАНОВКА ТА ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
З огляду на розширення сфер використання механоелектричних приладів та
ускладнення умов їх експлуатації, особливо за підвищених навантажень і в
агресивних середовищах, виникає потреба у цілеспрямованому
експериментальному дослідженні параметрів перехідного опору й моменту тертя
струмознімачів. Саме ці показники значною мірою визначають надійність і
довговічність рухомих електричних контактів, які є типовими трібоспряженнями з
одночасним перебігом процесів перенесення електричного заряду та механічного
тертя [1, 5, 13, 20].
Підвищені вимоги до стабільності перехідного електричного опору
стимулюють застосування в якості контактних матеріалів, насамперед для
слабкострумових ланцюгів, благородних металів та їх сплавів, а також
спеціальних зносостійких покриттів [3–5, 8–11, 16, 17]. За рахунок зменшення
ролі окисних та інших хімічних плівок таке рішення забезпечує зниження
перехідного опору, але одночасно підвищує схильність до адгезійної взаємодії
поверхонь, що, своєю чергою, може призводити до зростання тертя й
інтенсивності зношування [4, 13]. У низці випадків це створює специфічні
структурні передумови для ініціювання й розвитку пошкоджень покриттів у зоні
контакту, тобто процеси оптимізації електротехнічних характеристик
струмознімача вступають у суперечність із вимогами до його трібологічної
поведінки як вузла тертя [5, 13, 18, 20].
У зв’язку з цим у даному розділі сформульовано й реалізовано комплекс
експериментальних досліджень, спрямованих на:
− вивчення впливу режимів електролітичного осадження на структуру, фазовий
та елементний склад золотих покриттів;
− аналіз ефекту легування золотого шару сріблом на мікроструктуру та
мікродомішки;
48
− дослідження стану робочих поверхонь колекторних кілець зі срібною основою
після роботи в умовах тертя;
− оцінювання зносостійкості та тріботехнічних властивостей контактного дроту зі
сплаву ПЛИ-25 залежно від механічної обробки.
Для досягнення зазначених цілей застосовано комплекс методів
структурного, елементного та трібологічного аналізу: електронну мікроскопію,
оже-спектральний аналіз, лазерну мас-спектрометрію та випробування на тертя й
зношування в режимах, що моделюють роботу струмознімачів [1, 3, 8, 9, 13, 16,
20].
4.1. Дослідження структури та хімічного складу золотого покриття
У межах постановки експерименту з’ясування впливу параметрів осадження
на властивості покриття було обрано діапазон змін складу електроліту та
щільності струму, який забезпечує формування шарів золота з різною
мікроструктурою. Основним завданням було простежити, як умови
електролітичного осадження визначають форму й розмір зерен, щільність
покриття, рівень внутрішніх напружень і ступінь забруднення мікродомішками,
що критично важливо для трібологічної поведінки контактних поверхонь [1, 4, 5,
20].
На рис. 4.1 і 4.2 наведено мікрофотографії золотих покриттів, отриманих зі
свіжоприготовленого електроліту за різних щільностей струму.
У першій серії дослідів (рис. 4.1) покриття осаджували з електроліту
підвищеної концентрації діціаноаурату золота: склад електроліту – золото
(діціаноаурат) 23 г/л, ціаністий калій 15 г/л. Режим нанесення: щільність струму 1
А∙дм⁻², час осадження 2,5 години без реверсу.
Як видно з рис. 4.1, збільшення концентрації золота в електроліті
призводить до трансформації морфології зерна: його форма набуває вигляду,
близького до «лузги», з формуванням характерної рельєфної поверхні.
49
а) х 200 б) х 700
Рис. 4.1. Структура золотого покриття після нанесення з електроліту
У другій серії (рис. 4.2) досліджували покриття, отримані у ванні з меншою
ефективною концентрацією активних іонів золота та за нижчої щільності струму.
Склад електроліту: золото (діціаноаурат) 23 г/л, ціаністий калій 15 г/л. Режими
нанесення: щільність струму 0,5 А∙дм⁻², час осадження 2,5 години, без реверсу.
Товщина покриття становила 27,7 мкм. За таких умов сформувалося зерно
переважно кубічної форми.
а - х 450 б - х 2000
Рис. 4.2. Структура золотого покриття після нанесення з електроліту.
Товщина покриття 27,7 мкм
50
Аналіз мікроструктури, наведеної на рис. 4.1 і 4.2, показує, що незалежно
від морфології зерен їхній характерний лінійний розмір становить близько 10
мкм. Водночас відмінності у формі зерен, чутливі до режимів осадження, свідчать
про зміну щільності та, відповідно, твердості й механічної стабільності покриття
[1, 5, 20].
Подальший етап експериментів полягав у рентгеноструктурному аналізі
зразків (рис. 4.3), який дозволив виявити наявність структурних напружень,
величина й характер яких змінюються залежно від мікроструктури зерен. Для цієї
серії покриття наносили з електроліту складу: золото (діціаноаурат) 41,5 г/л,
ціаністий калій 14,5 г/л. Режим: щільність струму 0,5 А∙дм⁻², товщина покриття 46
мкм.
а) - х 450 б) - х 1500;
в) - х 7000.
Рис. 4.3. Структура золотого покриття після нанесення з електроліту.
Товщина покриття 46 мкм.
51
На рис. 4.4 показано структуру покриття золота, осадженого з
малоконцентрованої ванни. Склад електроліту: золото (діціаноаурат) 8,4 г/л,
ціаністий калій 11,7 г/л. Режими нанесення: щільність струму 0,01 А∙дм⁻², час
осадження 6 годин.
Оже-спектральний аналіз зразка, який не промивали після електролітичного
осадження (рис. 4.3), засвідчив формування на поверхні золота досить товстої
(близько 0,3 мкм) вуглецевої плівки, що повністю видалялась після промивання в
ацетоні. Для зразка, отриманого з малоконцентрованої ванни (рис. 4.4), товщина
аналогічної плівки була суттєво меншою.
а - х 450; б - х 2000
Рис. 4.4. Структура золотого покриття після нанесення
з малоконцентрованої ванни
Дослідження елементного складу покриттів показали високу чистоту золота
в об’ємі зерен та наявність у низці випадків до 5 ат.% вуглецю та до 2 ат.% азоту.
Мінімальний вміст цих домішок на межах зерен було зафіксовано для покриттів із
кубічною структурою зерна (рис. 4.4), тоді як максимальні концентрації
спостерігалися в зразка, осадженого з щільністю струму 0,5 А∙дм⁻² (рис. 4.3).
Лазерний мас-спектральний аналіз цього зразка виявив підвищену
концентрацію водню, що може свідчити про накопичення органічних домішок у
міжзерновому просторі покриття. Склад мікродомішок у тілі зерен у цілому
змінювався від зразка до зразка в діапазоні 0,2–1,0 ат.%. У більш «новій» ванні
52
формувалися покриття з нижчою концентрацією мікродомішок порівняно зі
«старою» ванною. До складу мікродомішок у всіх випадках входили переважно
елементи п’ятого періоду періодичної системи (Ag, Cd, In, Sn, Ti, I), при цьому
найбільша концентрація була характерною для індію (0,2–0,5 ат.%).
З метою цілеспрямованої модифікації структури й властивостей золотого
покриття було підготовлено модельну електролітичну ванну, до складу якої, окрім
базових компонентів, додано срібло в концентрації 0,5 г/л.
Перше осадження в такому електроліті супроводжувалося формуванням
поверхні у вигляді блоків зерен (макрокристалів) з розмірами до 50 мкм.
Подальше «опрацювання» електроліту серією осаджень усунуло цей ефект, і на
наступних зразках спостерігали щільне, рівномірне покриття (рис. 4.5).
Оже-спектральний аналіз показав, що срібло ввійшло до структури зерен у
концентрації, добре відтворюваній від зразка до зразка, близько 2 ± 0,2 ат.%. При
цьому в покриття не були залучені інші додаткові домішки.
а - х 10, б - х 300
Рис. 4.5. Структура золотого покриття, легованого сріблом, при першому
нанесенні після виготовлення електроліту. В склад електроліту входило срібло в
концентрації 0,5 г/л.
53
а) х1500 б) х4500
Рис. 4.6. Структура золотого покриття, легованого сріблом, при нанесенні
після оп-рацювання електроліту. В склад електроліту входило срібло в концентрації
0,5 г/л.
На межах зерен концентрація срібла коливалась у діапазоні 3–8 ат.%.
Легування золотого покриття сріблом суттєво змінило структуру зерен: вони
набули ромбічної форми (рис. 4.6) та в середньому зменшили свої розміри. На
рис. 4.6, а видно зерна розміром від 3 до 10 мкм. Така морфологія сприяє
щільнішій упаковці та, відповідно, зростанню механічної міцності покриття, що
узгоджується з сучасними даними щодо композиційних та легованих покриттів
для електричних контактів [3, 8, 9, 16, 17]. Для цього зразка також виявлено
мінімальну концентрацію водню за результатами лазерної мас-спектрометрії, що
опосередковано вказує на нижчий рівень органічних домішок.
4.1.1 Аналіз стану робочих поверхонь колекторних кілець
струмознімачів зі срібною основою
Наступний етап експериментальних досліджень був спрямований на
вивчення реального стану робочих поверхонь струмознімальних вузлів після
експлуатації. Для цього виконано електронно-мікроскопічний та оже-
спектральний аналіз сегментів колекторних кілець, знятих зі струмознімача.
Кільця виготовлені зі срібла і по контуру вкриті золотим шаром товщиною 18
мкм.
54
На рис. 4.7 наведено ділянку робочої поверхні такого колекторного кільця.
Показана структура вихідного золотого покриття є нерівномірною в поперечному
напрямку: зліва середній розмір зерен більший, ніж справа.
На рис. 4.7 добре виражений фазовий контраст поверхні, що свідчить про
відмінності в елементному складі й структурному стані поверхневих шарів.
Візуально можна виділити три типи ділянок:
− області вихідного покриття без помітної пластичної деформації;
− ділянки з пластично деформованими зернами (світлі зони);
− ділянки, де зерна пластично деформовані й розтягнуті вздовж напряму тертя, зі
зміненим хімічним складом поверхні (темніші області).
Оже-спектральний аналіз вихідних ділянок покриття показав, що основною
мікродомішкою в структурі зерен є срібло (близько 0,5 ат.%). Як легуючі
елементи також виявлені індій і телур. На поверхні та по межах зерен
концентрація срібла досягала 0,9 ат.%. Аналогічний склад поверхні зафіксовано й
для світлих ділянок з пластично деформованими зернами. Натомість для темних
зон із деформованою структурою композиція різко змінюється за вмістом срібла:
його концентрація досягає 35 ат.%. Такий перерозподіл елементів є характерним
для контактів, що працюють в умовах фретинг-зносу та комбінованих електро-
механічних навантажень [8, 9, 13, 16, 20].
а
б
в
х 100
Рис. 4.7. Ділянка робочої поверхні позолоченого срібного колекторного кільця
струмознімача. Товщина золотого покриття 18 мкм.
55
х 2000.
Рис 4.8. Структура ділянки підданої тертю поверхні золотого покриття, ділянка
якого зображена на рис. 4.7: а - з лівої сторони кільця; б - з правої сторони кільця
(рис. 4.7)
Отримані профілі концентрацій показують, що пластично деформовані
поверхневі шари на світлих ділянках практично не відрізняються за хімічним
складом від вихідного покриття. Водночас глибинний профіль для темної ділянки
вказує на формування на поверхні тертя товстого (до 500 нм) срібно-вуглецевого
шару захисного типу та зміненої зони товщиною до 700 нм, яка містить у вигляді
домішок вуглець і срібло. Хімічний склад глибших шарів відповідає вихідному
покриттю й містить срібло в концентрації близько 0,5 ат.%.
З погляду трібології електричних контактів такі результати свідчать про
формування в процесі роботи саморганізованих захисних структур, що можуть
одночасно впливати й на перехідний опір, і на зносостійкість контактної пари [8–
11, 13, 16, 20].
4.2. Дослідження зносостійкості та триботехнічних властивостей
поверхні покриття
Для комплексної постановки експериментів з оцінювання трібологічної
поведінки контактних елементів було досліджено також вплив механічної
56
обробки на стан контактної поверхні дроту зі сплаву ПЛИ-25, що застосовується
для виготовлення так званих «мухолапок» щітки колектора.
На Рис. 4.6 (за вихідним позначенням) наведено фотографії поверхні
контакту, зразки якої відповідали трьом станам:
− вихідна постачальна якість дроту;
− дріт після протягування через фільєри з метою калібрування;
− дріт після протягування через фільєру та додаткового полірування.
а х 200 б х 1500
в х 200 г х 1500
д х 200 е х 1500
Рис. 4.9. Структура поверхні кдроту з сплаву ПЛИ -25: а, б - вихідна
поставка; в, г - після протягування через фільєру; д, е - після фільєри і подальшою
полірування.
57
Встановлено, що операція протягування через фільєру суттєво погіршує
стан поверхні «мухолапки», формуючи подряпини й неоднорідний мікрорельєф.
Подальше полірування частково згладжує поверхню, однак повністю усунути
дефекти не вдається. З огляду на відносно високу твердість сплаву ПЛИ-25 та той
факт, що за діаметра контакту 0,32 мм розміри фактичної контактної плями зі
золотим покриттям є порівнянними з характерними розмірами подряпин, можна
стверджувати, що механічна обробка «мухолапок» дає істотний внесок у розкид
параметрів тертя між окремими контактами й золотим покриттям. Це
узгоджується з літературними даними щодо чутливості електричних контактів до
мікрогеометрії поверхні та способів її формування [3, 9, 13, 18, 20].
З метою зменшення розкиду параметрів тертя та спрощення процесу
формування стабільної поверхні тертя під час припрацювання доцільно
рекомендувати вакуумний відпал дроту після операції калібрування. Такий підхід
є типовим для підвищення стабільності трібологічних характеристик контактних
матеріалів у високонавантажених вузлах [1, 3, 4, 20].
Оже-спектральні дослідження зразків дроту дозволили ідентифікувати в
сплаві платина–іридій мікродомішки Pd, Ru, Cd, Fe, Zn. Їхня присутність також
може впливати на процеси адгезії, окиснення та формування вторинних структур
у зоні тертя, що необхідно враховувати при подальшому удосконаленні технології
виготовлення та обробки контактних елементів [4, 5, 18, 20].
Висновки до розділу 4
1. Проаналізовано вплив режимів електролітичного осадження та легування на
структуру і хімічний склад золотих покриттів струмознімачів; встановлено, що
зміна концентрації електроліту, щільності струму та «віку» ванни визначає
форму й розмір зерен, рівень внутрішніх напружень і вміст мікродомішок, а
введення срібла на рівні ≈2 ат.% забезпечує формування щільної
дрібнозернистої ромбічної структури зі зменшеною кількістю домішок, що
58
створює передумови для підвищення механічної міцності та зносостійкості
контактного шару.
2. Показано, що в процесі роботи позолочених срібних колекторних кілець у
контактній зоні формуються різнотипні ділянки з відмінним рівнем пластичної
деформації й перерозподілом елементів; для темних зон зафіксовано утворення
товстого (до 500 нм) срібно-вуглецевого шару та модифікованої
приповерхневої області з підвищеним вмістом срібла, що свідчить про
саморганізацію захисних структур, які одночасно впливають на перехідний опір
та інтенсивність зношування електричних контактів.
3. Доведено, що механічна обробка дроту зі сплаву ПЛИ-25 (протягування через
фільєри та подальше полірування) істотно впливає на мікрорельєф контактної
поверхні «мухолапок», формуючи подряпини розмірів, співмірних із реальною
площею контакту, що призводить до значного розкиду параметрів тертя;
запропоновано застосовувати вакуумний відпал після калібрування для
стабілізації трібологічних характеристик та враховувати вплив виявлених
мікродомішок (Pd, Ru, Cd, Fe, Zn) під час подальшого удосконалення технології
виготовлення контактних елементів.
59
РОЗДІЛ 5.
РОЗРОБЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ НАНЕСЕННЯ ТА
КОНТРОЛЮ ЗМІЦНЕНОГО ПОКРИТТЯ
Розроблюваний технологічний процес нанесення та контролю зміцненого
покриття на робочих поверхнях струмознімача ґрунтується на поєднанні
електрохімічного золочення, механохімічної обробки та подальшого формування
керованого хемосорбційного шару. На відміну від традиційних технологій, де
покриття після осадження практично не зазнає цілеспрямованої доробки, у
запропонованому підході використано натягнуту струну як інструмент
локального зміцнення та текстурування поверхні в присутності поверхнево-
активного колоїдного розчину на основі ізопропілового спирту й сірки.
Завершальним етапом є сушіння й формування надтонкого (порядку 1 нм)
хемосорбційного шару, який виконує роль протизношувального бар’єра та знижує
схильність до адгезійного зчеплення в зоні контакту, що узгоджується із
сучасними тенденціями в інженерній триботехніці та технологіях модифікації
поверхні [1, 5, 20].
5.1 Вибір та опис методу нанесення золотого покриття на робочу
поверхню струмознімача
У межах розроблення технологічного процесу нанесення зміцненого
покриття для струмознімачів обрано електрохімічне золочення як базовий метод
формування функціонального шару, доповнений хімічною пасивацією та
механічною обкаткою натягнутою струною. Такий підхід відповідає сучасним
уявленням про створення зносостійких та стабільних за електричними
характеристиками покриттів для вузлів електричного контакту [1, 3, 5].
На етапі модифікації поверхні на робочу частину колекторних кілець
подається поверхнево-активна речовина на основі ізопропілового спирту й сірки,
у складі якої відбувається дисоціативна хемосорбція молекул
дипропанолдисульфіду на поверхні золота. Розрив хімічного зв’язку між атомами
60
сірки призводить до того, що одна молекула дипропанолдисульфіду пасивує два
активні поверхневі центри, формуючи хемосорбційний шар із радикалів типу
C₂H₄OH–CH₂–S– товщиною менше 1 нм. Такий моношар перешкоджає прямій
адгезії золотого покриття до платино-іридієвого сплаву, але не блокує тунельний
перенос електронів через контактну зону. У результаті зменшується адгезійна
складова тертя, суттєво знижується момент тертя струмознімача за одночасного
збереження низького перехідного електричного опору, що є критично важливим
для довготривалої експлуатації контактних вузлів [5, 20]. Додатковою перевагою
хімічної пасивації є зниження чутливості поверхні золота до корозійного впливу
навколишнього середовища.
Електрохімічне нанесення покриття здійснювали на колекторні кільця
струмознімача з латуні Л62 (ГОСТ 17711-93), використовуючи електроліт на
основі діціаноаурата калію, лимоннокислого калію та лимонної кислоти.
Концентрація діціаноаурата калію в електроліті становила 8,4; 23,0 та 41,5 г/л, а
густину струму змінювали в межах 0,01–1,0 А/дм² при тривалості осадження від
2,5 до 6 годин. Регулювання параметрів електроліту й режимів струму дозволяє
цілеспрямовано формувати структуру та властивості покриття, що відповідає
підходам, описаним у сучасних роботах з трибології зносостійких покриттів [1, 3,
5].
Подальше зміцнення золотого шару реалізується згідно зі схемою,
наведеною на Рис. 5.1. Після осадження покриття (3) на робочу поверхню
колекторних кілець (1) струмознімача (2) з електроліту золота здійснюють
механохімічну обробку натягнутою струною (4), закріпленою в рамі (5). Рама (5)
забезпечує одночасний зворотно-поступальний та коливальний рух інструмента,
створюючи контрольований контакт струни (4) з поверхнею колекторного кільця
(1). У робочу зону між струною (4) і колекторним кільцем (1) додатково подають
поверхнево-активну речовину (6) на основі ізопропілового спирту і сірки. Після
завершення операції обкочування поверхню колекторних кілець просушують,
унаслідок чого формується надтонкий хемосорбційний шар покриття (3) на
робочих поверхнях колекторних кілець струмознімача (2).
61
Рис. 5.1 Схема процесу зміцнення покриття робочої поверхні
струмознімача натянутою струною [16]
Як приклад реалізації технологічного процесу розглянемо наступний
режим. Після нанесення золотого покриття електрохімічним способом із
електроліту, що містить діціаноаурат калію KAu(CN)₂ (8,4 г/л) та ціаністий калій
KCN (11,7 г/л), при густині струму 0,01 А/дм² і тривалості осадження 6 годин,
проводять операцію зміцнення. Для цього застосовують інструмент (Рис. 5.1),
який складається з рами (5) з закріпленою в ній струною (4) з платино-іридієвого
сплаву ПЛИ-25. Геометричні параметри вузла мають задовольняти умову
2�� > ��,
де 2R – діаметр колекторного кільця (1) струмознімача (2), а d – діаметр струни
(4) інструмента.
У процесі обробки струмознімачу (2) надають кутову швидкість обертання
n=116 об/хв, а рама (5) з натягнутою струною здійснює зворотно-поступальний
рух зі швидкістю VP = 1,5…2,0 рази на секунду. Одночасно струна (4) виконує
поперечні коливання вздовж твірної колекторного кільця (2) з частотою
VC = 1,5…2,0 рази на секунду. Такий кінематичний режим забезпечує
інтенсивний, але керований мікропластичний деформувальний вплив на верхній
шар покриття в присутності поверхнево-активного середовища (6).
У ході хімічної пасивації золота та подальшого сушіння покриття (3) на
поверхні колекторних кілець (1) формується хемосорбційний шар товщиною
≈1 нм на основі поверхневих хімічних сполук, що супроводжується перебудовою
62
електронних оболонок атомів і утворенням упорядкованого моношару.
Застосування поверхнево-активного мастильного середовища (6) у поєднанні з
механічною обкаткою сприяє інтенсивному наклепу золотого шару (3) та
вирівнюванню мікрорельєфу. Це, своєю чергою, призводить до підвищення
критичного навантаження переходу до схоплювання та зниження інтенсивності
зношування в зоні контакту ковзання, що відповідає підходам, описаним у
сучасних дослідженнях з підвищення зносостійкості електричних контактів
шляхом модифікації поверхневих шарів [3, 8, 9, 10, 13].
5.2. Оцінювання експлуатаційних характеристик вузлів тертя
струмознімача
У рамках розроблення технологічного процесу нанесення зміцненого
покриття важливо не лише відпрацювати режими осадження й механохімічної
обробки, а й сформувати підхід до контролю структури, пористості, товщини та
триботехнічних властивостей отриманого шару. З цією метою для діагностики
пористості й товщини покриття використовували метод атомно-силової
спектроскопії на модельних зразках струмознімачів, що дає змогу комплексно
оцінити мікрорельєф та локальні механічні характеристики поверхні. Такий
рівень деталізації контролю відповідає сучасним вимогам до вивчення
електротрибологічної поведінки покриттів контактів у вузлах електричних машин
[6, 10, 13, 16].
Паралельно проводили аналіз елементного складу покриттів методом
енергомасспектрометрії (методика РЕМ), що дозволило кількісно оцінити чистоту
золота в об’ємі зерен і вміст домішок на межах зерен. Встановлено, що зерна
золотого покриття відзначаються високою чистотою, тоді як у приповерхневих
зонах меж зерен у ряді випадків фіксується до 5 ат.% вуглецю та до 2 ат.% азоту.
Максимальний вміст домішок виявлено в зразках, отриманих з електролітичної
ванни з підвищеною концентрацією діціаноаурата (41,5 г/л) при густині струму
0,5 А/дм², де покриття формується у вигляді блоків зерен (макрокристалітів)
розміром до 50 мкм. Наявність вуглецево-азотних плівок на межах зерен сприяє
63
зростанню перехідного електричного опору в зоні контакту струмознімача, що є
небажаним з точки зору його функціональної надійності [3, 8, 13].
Найменший вміст домішок вуглецю й азоту спостерігався у випадку
формування покриття з кубічною структурою зерна, отриманого в електроліті зі
зниженою концентрацією діціаноаурата (8,4 г/л) і малою густиною струму 0,01
А/дм². У цьому режимі середні розміри зерен кубічної форми становили близько
3–10 мкм, що забезпечує більш щільну упаковку, підвищену міцність покриття та
зниження ризику виникнення міжзернових дефектів. Така керована зміна
морфології зерен добре узгоджується з уявленнями про вплив умов осадження на
трибологічні характеристики покриттів [1, 5, 20].
Експериментальні дослідження робочих поверхонь колекторних кілець
струмознімача з нанесеним золотим покриттям та щіток типу «мухолапки»
виконували методом атомно-силової мікроскопії (АСМ) на приладі моделі «NT-
206» (виробник ТДВ «Мікротестмашини», м. Гомель, Білорусь) з використанням
кремнієвого зонда CSC-12 (додатки Б, В). Вимірювання проводили у контактному
(статичному) режимі при навантаженні на зонд 8 нН, досліджуючи ділянки 13×13
мкм як на колекторних кільцях, так і на поверхні щіток до та після експлуатації
протягом 250 годин при зусиллі взаємодії 0,1 мг, визначеному методом
грамометрії.
Результати аналізу плями контакту щіток з колекторними кільцями
струмознімача подано на Рис. 5.2–5.5.
а б
64
в
Рис. 5.2. Топограмма (а), відновлене тривимірне зображення (б) і профіль (в)
ділянки поверхні щітки, яка не піддавалася силовій взаємодії
а б
в
Рис. 5.3. Топограмма (а), відновлене тривимірне зображення (б) і профіль (в)
досліджуваної ділянки (13×13 мкм) поверхні щітки струмознімача після
експлуатації протягом 250 годин при зусиллі 0,1 мг
65
а б
в
Рис. 5.4. Топограмма (а), відновлене тривимірне зображення (в) і профіль (г)
ділянки поверхоні колекторного кільця струмознімача, який не піддавався
силовому навантаженню.
а б
66
в
Рис. 5.5. Топограмма (а), відновлене тривимірне зображення (б) і профіль (г)
досліджуваної ділянки (13×13 мкм) колекторного кільця струмознімача після
експлуатації протягом 250 годин, зусилля 0,1 мг
За результатами АСМ-аналізу встановлено, що ділянки поверхні
струмознімача, які не зазнавали силової взаємодії, характеризуються більш
розвиненим мікрорельєфом: мікронерівності становлять Ra ≈ 38…180 нм для
щіток типу «мухолапки» та Ra ≈ 49…55 нм для колекторних кілець. При цьому
макронерівності поверхні не перевищують приблизно 60 мкм для щіток і 200 нм
для кілець. На таких ділянках не виявлено слідів зносу, руйнування покриття чи
мікротріщин, а параметри мікрогеометрії добре корелюють із розмірами та
структурою кристалітів золота, сформованих у процесі осадження.
Для ділянок, що працювали в умовах контактної взаємодії протягом 250
годин при зусиллі 0,1 мг, мікронерівності зменшуються до Ra ≈ 3…12 нм для
«мухолапок» і Ra ≈ 9…27 нм для колекторних кілець, тоді як макрогеометрія
поверхні становить близько 160…200 мкм і 240…450 нм відповідно. На
топограмах чітко ідентифікуються зони виробітку (Рис. 5.4, б, верхня частина)
шириною близько 7 мкм та глибиною 180…320 нм. Локально спостерігаються
також сколи й мікротріщини (Рис. 5.4, б, нижня частина), зумовлені наявністю
твердих включень у ковзних поверхнях. Такі включення можуть виникати як
67
внаслідок порушення режимів технологічного процесу нанесення покриття, так і в
результаті потрапляння абразивних частинок ззовні під час експлуатації.
Комплекс проведених досліджень технології нанесення золотого покриття
та його механохімічної обробки натягнутою струною підтвердив коректність
обраних режимів формування зміцненого шару. Встановлено, що реалізація
такого технологічного процесу призводить до зменшення перехідного
електричного опору контакту й коефіцієнта тертя робочих поверхонь
струмознімача, що узгоджується з сучасними тенденціями підвищення надійності
й довговічності електричних контактів шляхом оптимізації структури та
властивостей поверхневих покриттів [3, 8, 9, 10, 13, 16].
Отже, застосування розробленого технологічного процесу нанесення та
контролю зміцненого золотого покриття на робочих поверхнях струмознімачів
забезпечує формування зносостійкого, стабільного за електричними
характеристиками шару, зменшує перехідний опір і коефіцієнт тертя, підвищує
точність і надійність роботи струмознімачів, а також дозволяє скоротити
трудомісткість їх виготовлення й відповідно знизити собівартість продукції. Це
повністю узгоджується з сучасними дослідженнями в галузі трибології та
інженерії покриттів для електричних контактів [1, 3, 5, 8, 10, 13, 16, 20].
Висновки до розділу 5
1. Проаналізовано технологічний процес нанесення зміцненого золотого покриття
на робочі поверхні струмознімача, який ґрунтується на поєднанні
електрохімічного золочення, механохімічної обробки натягнутою струною в
поверхнево-активному середовищі на основі ізопропілового спирту та сірки й
подальшого формування надтонкого хемосорбційного шару, що знижує
адгезійну складову тертя та узгоджується з сучасними підходами до інженерії
зносостійких покриттів.
2. Показано, що оптимізація складу електроліту та режимів електрохімічного
осадження (концентрація діціаноаурата калію, густина струму, тривалість
процесу) дає змогу цілеспрямовано керувати морфологією та чистотою
68
золотого покриття, мінімізувати вміст вуглецево-азотних домішок на межах
зерен, формувати щільну кубічну структуру кристалітів і тим самим
забезпечувати сприятливий комплекс триботехнічних і електричних
характеристик.
3. Доведено, що застосування розробленого технологічного процесу,
підтверджене результатами атомно-силової мікроскопії та елементного аналізу,
приводить до зменшення перехідного електричного опору й коефіцієнта тертя в
зоні контакту, підвищує зносостійкість і надійність роботи струмознімача та
створює передумови для зниження трудомісткості виготовлення й собівартості
вузлів електричного контакту.
69
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
У результаті виконання магістерської роботи з підвищення зносостійкості
прецизійних малошвидкісних ковзних електричних контактів, покращення їх
струмопровідності та забезпечення стабільного моменту тертя отримано такі
узагальнені результати:
1. Проведено системний аналіз літературних джерел щодо матеріалів та
технологій формування покриттів деталей приладів і механізмів, зокрема
контактних пар струмознімачів. На основі огляду уточнено вимоги до покриттів
за показниками зносостійкості, перехідного електроопору та стабільності тертя
в умовах малих швидкостей ковзання.
2. Детально проаналізовано триботехнічні процеси в зоні контакту струмознімача,
описано механізми формування мікроконтактів, адгезійної взаємодії, появи
захисних плівок та їх впливу на зношення і перехідний опір. Показано, що саме
характер контактної зони визначає довготривалу стабільність електричних і
механічних параметрів вузла.
3. Обґрунтовано вибір матеріалу покриття та конструкції контактної пари
струмознімача. Як базовий варіант розглянуто латунні колекторні кільця Л62 з
електрохімічно нанесеним золотим покриттям, для якого встановлено типові
режими осадження та діапазони товщин покриття (приблизно 28–46 мкм
залежно від складу електроліту, густини струму та часу процесу).
4. Встановлено закономірності формування структури і експлуатаційних
властивостей покриття. Показано, що варіювання концентрації компонентів
електроліту, густини струму (0,01–1 А·дм⁻²) та тривалості процесу (2,5–6 год)
дає змогу керувати товщиною, однорідністю й адгезією золотого шару, що
безпосередньо впливає на перехідний електроопір та інтенсивність зносу
робочих поверхонь струмознімача.
5. Запропоновано удосконалений метод формування покриттів на робочих
поверхнях контактів струмознімача. На відміну від традиційного
електрохімічного золочіння, метод передбачає додаткове зміцнення покриття
70
натягнутою струною з одночасним зворотно-поступальним і коливальним
рухом у присутності поверхнево-активного колоїдного розчину на основі
ізопропілового спирту та сірки. Це забезпечує формування надтонкого (менше
1 нм) хемосорбційного шару, який знижує схильність до схоплювання та не
погіршує електропровідність контактної зони.
6. Розроблено технологію нанесення та припрацювання покриття й практичні
рекомендації щодо експлуатації вузла. Експериментально показано, що вибрані
режими золочіння та механічної обкатки, у поєднанні з використанням
поверхнево-активних мастильних середовищ, приводять до помітного
зниження перехідного опору та коефіцієнта тертя контактних поверхонь,
підвищення критичного навантаження переходу до схоплювання і, відповідно,
до зростання надійності та точності роботи струмознімача та зменшення
трудомісткості й собівартості його виготовлення.
У цілому виконані дослідження поглиблюють уявлення про триботехнічні
та електротехнічні особливості роботи прецизійних малошвидкісних ковзних
електричних контактів зі зміцненими золотими покриттями та можуть бути
використані як основа для подальшої розробки інженерних методик
проєктування, технологічних регламентів виготовлення і практичних
рекомендацій щодо підвищення ресурсу та надійності струмознімачів.
71
СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ
1. Ahmed, M., & Dakre, V. (Eds.). (2022). Tribology and characterization of surface
coatings. Wiley.
2. Meng, Y., Xu, J., Jin, Z., Prakash, B., Hu, Y., & Wang, H. (2022). A review of
advances in tribology in 2020–2021. Friction.
3. Wang, Y., Feng, C., Lin, T., Zhu, R., Zhang, J., Yang, H., Yi, S., He, J., Tu, M., &
Wei, G. (2025). A review of wear-resistant coatings for steel substrates:
Applications and challenges. Metals, 15, 1231.
https://doi.org/10.3390/met15111231
4. Al-Asadi, A. F., & Al-Tameemi, A. F. (2022). A review of tribological properties
and deposition methods of various DLC coatings on substrates. Tribology
International, 167, 107430.
5. Jakovljević, S., Fořt, T., & Martínek, L. (2023). Tribological coatings—Properties,
mechanisms, and applications in surface engineering. Coatings, 13(7), 1305.
6. Xi, H., Wang, H., Zhang, Y., Li, J., Gao, K., & Xu, J. (2025). A comprehensive
review of electro-tribological behavior in conductive lubricants. Friction.
https://doi.org/10.1007/s40544-025-00877-4
7. Tajedini, M., Vakis, A. I., & Mortazavi, B. (2024). Triboelectrical evaluation of
Ti3C2MXene as a lubricant additive under boundary lubrication in cylinder-on-flat
sliding contact. Friction.
8. Ding, H., Zhang, C., Fan, L., Jia, X., Xiao, J., Feng, K., Lan, J., Li, Y., Zhang, M.,
& Jiang, F. (2025). How to improve the sliding electrical contact and tribological
performance of electrical contacts by nickel coating. Coatings, 15, 89.
9. Zhang, M., Lan, J., Fan, L., Ding, H., Xiao, J., Jiang, F., & Feng, K. (2025). Wear
evolution of coated wire-on-flat sliding electrical contact under different normal
loads and sliding speeds. Tribology International, 204, 108060.
10. Wang, Y., Chen, J., Li, Z., Zhang, M., Yang, H., & Wei, G. (2022). Effect of two
graphene coatings on friction and wear in sliding electrical contact. Lubricants,
10(4), 71.
72
11. Wang, Y., Chen, J., Li, Z., Zhang, M., Yang, H., & Wei, G. (2024). Lubrication
performance of graphene in sliding electrical contact: Test methods and
mechanisms. Friction.
12. Alderete, G. S., García, E., & Tieu, A. K. (2023). Wear reduction in electrical
contact brushes via carbon nanotube-based coatings. Tribology Letters, 71, 42.
13. Wang, H., Xi, H., Zhang, Y., Li, J., Gao, K., & Xu, J. (2025). A comprehensive
review of fretting wear of electrical contact interface: Mechanisms, influencing
factors and mitigation strategies. Tribology International, 192, 108166.
14. Qiu, H., Yang, S., Liu, X., & Chen, J. (2023). Prediction of contact resistance of
electrical contact wear using different machine learning algorithms. Tribology
International, 181, 108219.
15. National Lubricating Grease Institute, & Auburn University. (2022). Evaluation of
electrically conductive nanoparticle additives in greases (Final report). National
Lubricating Grease Institute.
16. Yuan, J., Deng, C., Zhou, Y., Li, X., & Wang, S. (2025). Microstructure and
tribological behaviour of silver–graphene composite coatings for electrical contacts.
Lubricants, 13(5), 182.
17. Yuan, J., Li, X., Zhou, Y., Deng, C., & Wang, S. (2023). Lifetime improvement of
contact brush units of automotive power machines using composite spraying.
Lubricants, 11(9), 415.
18. Zhang, X., Wang, L., & Chen, W. (2025). Review of numerical techniques for
frictional contact and wear problems. Tribology International, 192, 108211.
19. Tian, J., Deng, H., Li, X., & Zhang, M. (2025). Real-time prediction of wear
morphology and the coefficient of friction in automotive disc brakes based on
acoustic emission signals and deep neural networks. Tribology International, 192,
108210.
20. Stachowiak, G., & Batchelor, A. W. (2013). Engineering tribology (4th ed.).
Butterworth-Heinemann.
73
Додаток А
Мікрофотографія (а), Топограма (б), відновлене тривимірне зображення (в) і
профіль (г) ділянки (13 × 13 мкм) поверхні «мухолапки» (зверху) і колекторного кільця
токознімача (внизу), які не піддавалися силовій взаємодії
Ділянка поверхні «мухо лапки»»
а б
в г
Ділянка поверхні колекторного кільця струмознімача
а б
в г
74
Додаток Б
Мікрофотографія (а), Топограма (б), відновлене тривимірне зображення (в) і
профіль (г) досліджуваного ділянки (13 × 13 мкм) поверхні «мухолапкі» (зверху) і
колекторного кільця токос'емника (внизу) в процесі їх експлуатації на протязі 250 годин
при зусиллі взаємодії 0,1 мг (визначалося методом грамометрії)
Ділянка поверхні «мухо лапки»»
а б
в г
Ділянка поверхні колекторного кільця струмознімача
а б
в г
75