ChSTU repository

ЗМІСТ 
 
 Резюме ………….………………………………………………….. 4 
Review ………………………………………….…………………… 7 
 Вступ …………………………………………………….…………. 10 
Розділ 1. Аналіз електричних контактів високоточних  
мікроприводів та їх характеристики ……..………………... 13 
1.1. Сучасний стан питання дослідження електромеханічних  
приладів …..……………………………………………………...13 
1.2. Тріботехнічні явища в зоні ковзаючих електричних   
контактів …………………………………………………………16 
1.3. Класифікація покриттів, методи їх отримання та зміцнення . 19 
 Висновки до розділу 1 ………………………………………… 26 
Розділ 2. Методики проведення досліджень, матеріали та  
обладнання ..…………………………………………..……….27 
2.1. Методи і об‘єкти дослідження ……………………….……… 27 
2.2. Методи формування покриття ………….…………..…………28 
2.3. Метод дослідження триботехнічних характеристик  
покриття ………………………………………………..……… 29 
2.4. Дослідження експлуатаційних характеристик контактів  
струмознімича методами растрової електронної та атомно-  
силової мікроскопії …………………………………………… 31 
Висновки до розділу 2 ………………………………….…….. 47 
Розділ 3. Теоретичні аспекти взаємозв’язку трібомеханічних і  
електричних параметрів електроконтактів ………………… 48 
3.1. Теоретичні аспекти використання ковзаючих електричних  
контактів .................................................................................... 48 
3.2. Моделювання ковзаючих електричних контактів ………….. 52 
Висновки до розділу 3 ………………………………..…….… 52 
Розділ 4. Експериментальні дослідження структури і складу  
 2
функціонального золотого покриття ……………………….. 54 
4.1. Робочі поверхні електричних контактів зі  срібною основою54 
4.2. Тріботехнічні дослідження поверхні покриття …….………. 61 
Висновки до розділу 4 ………………………………..…….… 62 
Розділ 5. Технологічний процес нанесення та дослідження   
зміцненого покриття покриття ………………………………...63 
5.1. Метод нанесення золотого покриття на робочу поверхню  
елктроконтакту ............................................................................63 
5.2. Визначення експлуатаційних характеристик механізмів   
тертя елктроконтакту ………………………………………... 66 
Висновки до розділу 5 ………………………………..…….… 70 
 Висновки ……………………………….……………………………... 72 
 Список використаних джерел ………………………………………74 
 Додатки ………………………………………………...………………78 
 3
РЕЗЮМЕ 
 
Халупко І.С. Підвищення зносостійкості електричних контактів 
високоточних мікроприводів. – Кваліфікаційна робота магістра. 
Кваліфікована робота магістра на здобуття освітнього ступеня магістра за 
спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» за 
освітньою програмою «Робототехнічні системи та автоматизація» – Черкаський 
державний технологічний університет, Черкаси, 2023. 
У кваліфікаційній роботі магістра проводиться удосконалення електричних 
контактів високоточних мікроприводів шляхом підвищення зносостійкості цих 
контактів, що призводить до підвищення їх струмопровідності та забезпечує 
необхідний момент тертя цих контактів. 
Мета і завдання дослідження. Підвищення зносостійкості електричних 
контактів високоточних мікроприводів, їх струмопровідності та забезпечення 
моменту тертя. 
Для вирішення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі: 
 Провести аналіз літературних джерел щодо формування покриттів деталей 
приладів і механізмів. 
 Розглянути тріботехнічні явища в процесі роботи ковзаючих електричних 
контактів.  
 Визначити характеристики матеріалу для покриття робочих поверхнь 
ковзаючих електричних контактів. 
 Вибрати метод формування покриттів електричних контактів. 
 Встановити закономірності формування структури і експлуатаційних 
властивостей покриття.  
 Розробити рекомендації та технологію нанесення покриття на робочі поверхні 
ковзаючих електричних контактів. 
Об'єкт дослідження – деталі контактів тертя механо-електричних 
прецизійних приладів. 
 4
Предмет дослідження – процес формування структури покриття і його 
вплив на зносостійкість та струмопровідність робочих поверхонь електричних 
контактів. 
Наукова новизна отриманих результатів. 
1. Вперше досліджено взаємозв’язок технологічних параметрів 
електрохімічного золочіння для забезпечення високої електропровідності та 
зносостійкості електричних контактів високоточних мікроприводів. 
2. Розроблено новий метод формування покриття та технологічний процес 
нанесення функціональних покриттів на робочі поверхні, чим підвищена їх 
зносостійкість.  
Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному: 
На основі досліджень запропоновано технологічний процес формування 
покриття на робочих поверхнях. Технічним результатом являється значне 
зменшення перехідного опору і коефіцієнта тертя робочих поверхонь та моменту 
тертя контакту. 
В першому розділі пояснювальної записки проведено критичний аналіз 
вітчизняної і зарубіжної науково-технічної літератури з питання підвищення 
зносостійкості електричних контактів високоточних мікроприводів, їх 
струмопровідності та забезпечення моменту тертя цих електричних контактів. 
Також в розділі приведена класифікація покриттів для деталей приладів, що 
мають такі контакти. 
В другому розділі магістерської роботи описано методи та обладнання 
досліджень робочих поверхонь контаків високоточних мікроприводів. До таких 
методів відносяться такі як рентгеноструктурні, металографічні, дослідження 
зношування та електропровідністі струмознімачів, атомно-силової мікроскопії за 
допомогою визначались параметри та характеристики робочих поверхонь 
струмознімача. 
В третьому розділі розглянуті теоретичні аспекти використання контактів, 
змодельовано процес тертя контактної пари. Аналіз дозволяє зробити висновок, 
що при використанні чистих благородних металів в якості матеріалів для ковзних 
 5
електричних контактів адгезійні процеси будуть давати максимальний внесок у 
збільшення сили тертя в початкові (пускові) моменти тертя. При досить низьких 
швидкостях ковзання це приведе до фрикційних коливань. 
В четвертому розділі проводяться дослідження процесів контактування 
різних благородних металів з золотом показали, що практично у всіх випадках 
відбувається адгезійне перенесення золота на поверхню іншого матеріалу. В 
залежності від структури золотого покриття його адгезійна взаємодія з поверхнею 
іншого матеріалу також змінюється. 
В п‘ятому розділі показано результати зміцнення золотого покриття в 
результаті попередньої пластичної деформації. Показало, що укочування поверхні 
золотого покриття є ефективним методом підвищення зносостійкості покриття. 
Застосування при цьому поверхнево-активних мастильних середовищ істотно 
підвищує наклеп золота і покращує якість його поверхні, що в кінцевому 
підсумку призводить до суттєвого підвищення критичного навантаження 
переходу до схоплювання між  матеріалами які труться. Випробування показали, 
що для оптимізації тріботехнічних та електротехнічних властивостей контакту 
найбільш ефективним напрямком по дії і простоті реалізації є попередня хімічна 
пасивація поверхні золотого покриття. 
Ключові слова: зносостійке покриття, електричний контакт, момент тертя, 
перехідний опір. 
 
Список основних публікацій магістранта 
 
1. Підвищення зносостійкості електричних контактів високоточних 
мікроприводів / Халупко І.С., Бондаренко М.О. // Нові та нетрадиційні технології 
в ресурсо- та енергозбереженні: Матеріали міжнародної науково-технічної 
конференції, 6-7 грудня 2023 р., м. Одеса, 2023. – С.ХХ-ХХ. 
 6
REVIEW 
Khalupko I.S. Increasing the wear resistance of electrical contacts of high-
precision microdrives - Master's thesis. 
Master's thesis for obtaining a master's degree in specialty 151 "Automation and 
computer-integrated technologies" under the educational program "Robotic systems and 
automation" - Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2023. 
In the master's thesis, the electrical contacts of high-precision microdrives are 
improved by increasing the wear resistance of these contacts, which leads to an increase 
in their current conductivity and provides the necessary friction moment of these 
contacts. 
The aim and objectives of the study. To increase the wear resistance of 
electrical contacts of high-precision microdrives, their current conductivity and provide 
the friction torque. 
To achieve this goal, it is necessary to solve the following tasks: 
 To analyze the literature on the formation of coatings for parts of devices and 
mechanisms. 
 To consider tribotechnical phenomena in the operation of sliding electrical contacts.  
 Determine the characteristics of the material for coating the working surfaces of 
sliding electrical contacts. 
 Choose a method of forming coatings of electrical contacts. 
 Establish patterns of formation of the structure and operational properties of the 
coating.  
 Develop recommendations and technology for coating the working surfaces of sliding 
electrical contacts. 
Object of research - details of friction contacts of mechanical and electrical 
precision instruments. 
The subject of the study is the process of forming the coating structure and its 
effect on the wear resistance and current conductivity of the working surfaces of 
electrical contacts. 
Scientific novelty of the results. 
 7
1. For the first time, the relationship between the technological parameters of 
electrochemical gold plating to ensure high electrical conductivity and wear resistance 
of electrical contacts of high-precision microdrives was investigated. 
2. A new method of coating formation and a technological process for applying 
functional coatings to working surfaces have been developed, which increases their 
wear resistance.  
The practical value of the results obtained is as follows: 
Based on the research, a technological process for the formation of coatings on 
working surfaces was proposed. The technical result is a significant reduction in the 
transient resistance and friction coefficient of the working surfaces and the contact 
friction moment. 
The first section analyzes the characteristics and types of unmanned aerial 
vehicles. Theoretical studies have proven that the existing types of unmanned aerial 
vehicles, among which the latter are clearly divided by mass and size characteristics into 
light, heavy, mini, midi, and macro vehicles, are very diverse. It is established that 
among the systems designed to combat small airplane and helicopter-type drones, the 
auds system stands out, the advantages of which are that it includes components that 
have been tested in real conditions, for example, the radar is already in service with 
several armies in the form of a ground surveillance radar, which operates in a very noisy 
space. It is shown that the key feature of the auds system is the ability to tune in to 
certain data transmission channels with the exact required level of influence, in 
particular, to jam gps signals received by the uav and radio channels for monitoring and 
controlling it, as well as the possibility of "interception", which will allow the auds 
operator to take over the control of the uav and take it out of the zone. 
In the second section, the element base was selected and the universal uav was 
designed. To ensure the necessary requirements for the unification of the further use of 
the uav under development, the choice of structural elements such as: battery; electric 
motor; engine speed regulator; servo; propeller; landing gear; digital camera for video 
surveillance; lighting system was justified, and the material for the body was selected. 
The analysis of the selected uav configuration suggests that the use of an improved li-po 
 8
battery and a high-quality digital camera will significantly increase the aircraft model's 
ttd, and the installation of multicrystal leds will increase the effective radiation area; the 
use of modified polyurethane foam will allow the uav body to have increased strength 
and maintainability, and the streamlined body, sharp nose, and t-shaped plumage will 
have a positive effect on aerodynamic characteristics. 
In the third section, computer modeling and further study of the universal uav 
model are carried out. For modeling the unmanned aerial vehicle, the 3ds max program 
was chosen, a full-featured professional software system for creating and editing three-
dimensional graphics and animation, as it allows you to implement the most complex 
concepts, conveniently modify and change them, and obtain the closest possible 
photorealistic image for further implementation of the developed model. In the process 
of modeling and further research, it was determined that the uav model under 
development does not require rigging, since the wheels, propeller, ailerons and other 
elements are solid objects that do not deform, and therefore do not require a bone 
system for further animation. 
Keywords: remote control, universal unmanned aerial vehicle, 3d modeling, 
tactical and operational characteristics, aerodynamics. 
 
List of main publications of the master's student 
 
1. Development and research of a universal unmanned aerial vehicle / Kulikov 
Z.A., Bondarenko M.O. // Problems of informatization: the eleventh international 
scientific and technical conference, Cherkasy, November 16-17, 2023: abstracts. - 
Cherkasy - Kharkiv - Baku - Belsko-Biala, 2023. - vol. 1. - p. 102. 
 9
ВСТУП 
 
Актуальність теми дослідження. Сучасний етап розвитку техніки 
характеризується точністю дотримання параметрів деталей приладів, 
інтенсифікацією виробничих процесів, забезпеченням надійності деталей 
приладів і механізмів. Більшість механо-електричних приладів мають механізми 
та деталі, які є рухомими трібологічними узгодженнями, в зоні яких і 
відбуваються функціонально взаємозалежні механізми тертя і перенесення 
електричного заряду. Підвищення вимог до перехідного електроопору у зв’язку з 
розширенням сфер застосування і необхідністю роботи ковзаючих електричних 
контактів в екстремальних умовах експлуатації стимулює використання у ролі 
контактів матеріалів з благородних металів та їх сплавів. 
Особливістю механо-електричних механізмів є одночасна дія на їх деталі 
механічного тертя, температури, що сприяє зношуванню та руйнуванню 
поверхневого шару та погіршення його властивостей, який спричиняє 
руйнування, насамперед, в поверхневого шарі.  
Для підвищення працездатності і струмопровідності гіроскопічних приладів 
і систем широко застосовуються різноманітні методи формування зносостійкого 
поверхневого шару деталей контактів, які працюють в умовах тертя та дозволяють 
зміцнювати поверхневий шар деталей підвищуючи його зносостійкість не 
втрачаючи показника струмопровідності.  
Одним з найбільш ефективних електрофізичних методів, які 
використовують для зміцнення робочих поверхонь деталей електроприладів є 
електрохімічне нанесення покриття, з подальшим пластичним деформуванням. 
Тому, в даній науково-дослідницькій роботі досліджується підвищення 
зносостійкості прецизійних малошвидкісних ковзаючих електричних контактів, їх 
струмопровідності та забезпечення моменту тертя  електричних контактів.  
Мета й завдання дослідження. Підвищення зносостійкості електричних 
контактів високоточних мікроприводів, їх струмопровідності та забезпечення 
моменту тертя. 
 10
Для вирішення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі: 
 Провести аналіз літературних джерел щодо формування покриттів деталей 
приладів і механізмів. 
 Розглянути тріботехнічні явища в процесі роботи ковзаючих електричних 
контактів.  
 Визначити характеристики матеріалу для покриття робочих поверхнь 
ковзаючих електричних контактів. 
 Вибрати метод формування покриттів електричних контактів. 
 Встановити закономірності формування структури і експлуатаційних 
властивостей покриття.  
 Розробити рекомендації та технологію нанесення покриття на робочі поверхні 
ковзаючих електричних контактів. 
Об'єкт дослідження – деталі контактів тертя механо-електричних 
прецизійних приладів. 
Предмет дослідження – процес формування структури покриття і його 
вплив на зносостійкість та струмопровідність робочих поверхонь електричних 
контактів. 
Методи дослідження. базуються на теоретичних і експериментальних 
дослідженнях взаємозв'язку «склад – структура – експлуатаційні властивості» 
фізичних закономірностей, які відбуваються при фрикційному контакті робочих 
поверхонь і струмопровідності електричних контактів. 
Наукова новизна одержаних результатів.  
1. Вперше досліджено взаємозв’язок технологічних параметрів 
електрохімічного золочіння для забезпечення високої електропровідності та 
зносостійкості електричних контактів високоточних мікроприводів. 
2. Розроблено новий метод формування покриття та технологічний процес 
нанесення функціональних покриттів на робочі поверхні, чим підвищена їх 
зносостійкість.  
Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному: 
 11
На основі досліджень запропоновано технологічний процес формування 
покриття на робочих поверхнях. Технічним результатом являється значне 
зменшення перехідного опору і коефіцієнта тертя робочих поверхонь та моменту 
тертя контакту. 
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були 
представлені на міжнародній науково-технічній конференції «Нові та 
нетрадиційні технології в ресурсо- та енергозбереженні» (Одеса: ОНПУ, 2023). 
Публікації. По темі дисертації опублікована 1 теза доповідей. 
 12
РОЗДІЛ 1 
АНАЛІЗ ЕЛЕКТРИЧНИХ КОНТАКТІВ  
ВИСОКОТОЧНИХ МІКРОПРИВОДІВ ТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 
 
1.1. Сучасний стан питання дослідження електромеханічних приладів 
 
Зі збільшенням використання електричних та електромеханічних контактів 
[1] в сучасних пристроях постає важлива задача щодо забезпечення надійності 
контактів та їх ефективності при довготривалій роботі. 
У будь-якої конструкції, яка має електричні пристрої, необхідно 
забезпечити між ними надійний електричний зв’язок [1, 2]. Цей зв’язок в 
основному забезпечується за допомогою електричних контактів, що 
представляють собою конструктивно оформлене з’єднання струмопровідних 
частин. Якість контактів струмопровідних частин повинна бути такою, щоб 
контакти не впливали на параметри переданого сигналу.  
Надійна робота контактів визначається також конструкцією контактного 
пристрою, спроектованого з урахуванням конкретних параметрів комутованих 
ланцюгів і умов експлуатації [3].  
За функціональною і конструктивною ознакою електричні контакти можна 
розділити на нероз’ємні, роз’ємні, розривні та ковзаючі (Рис.1.1).  
 
 Контакти 
 
 Нероз’ємні Роз’ємні Ковзаючі 
 
- Паяні - Штепсельні - Точкові 
 - Зварені - Розривні - Лінійні 
 - Обтиснені - Площинні 
Рис. 1.1. Види контактів, які найчастіше застосовуються в приладах 
 
 13
Нероз’ємні контакти призначені для постійного з’єднання електричних 
ланцюгів. До нероз’ємних контактів висувають такі вимоги: зручне і швидке 
з’єднання; мінімальний опір; механічна міцність; мінімальні розміри з’єднання, 
щоб не збільшувати міжконтактну ємність і не створювати замикань між 
сусідніми контактами.  
В процесі експлуатації не передбачається роз’єднання ланцюгів в місці 
нероз’ємного контакту [4]. Тому для отримання нероз’ємних контактів часто 
використовують такі технологічні процеси, як пайка, зварювання або обтиснення 
[3]. 
 Роз’ємні контакти служать для з’єднання електричних ланцюгів, які 
служать для заміни електроелементів. Їх застосовують також для з’єднання 
конструктивно автономних пристроїв. У цих випадках роз’ємні контакти 
виконують у вигляді штепсельних роз’ємів, що дозволяють одночасно поєднувати 
кілька ланцюгів.  
При необхідності замикання або розмикання ланцюгів, що знаходяться під 
струмом, використовують розривні контакти. Широке поширення отримали 
розривні контакти, що спрацьовують при впливі електромагнітного імпульсу 
(реле) [1].  
Ковзаючі контакти зазвичай працюють без розриву ланцюга. Вони 
характеризуються тим, що в процесі роботи відбувається механічне  переміщення 
контактів відносно один одного (підведення в обмотку ротора сельсина, контакт 
потенціометра тощо).  
В залежності від форми поверхні зіткнення контакти поділяють на точкові, 
лінійні і площинні. Ці контакти застосовують при малих струмах і вимагають 
невеликих контактних зусиль. Лінійні контакти застосовують при струмах від 
кількох до десятків ампер, фактичне зусилля має бути значно більше, ніж у 
точкові контактів. Обсяг контактів також більше. Тому для економії матеріалів 
лінійні контакти часто виконують з пластин.  
В свою чергу передачі електричного сигналу матеріал покриття поверхонь 
контактів виконують з струмопровідних та зносостійких матеріалів [2].  
 14
Так у випадку передачі електричного сигналу в струмознімачах 
використовується лінійна система контактних пар «щітка - колекторне кільце».  
Незважаючи на досягнуті успіхи в області тріботехніки електричних 
контактів та фізико-хімічній механіці, в даний час відсутні досить чіткі уявлення 
про взаємозв’язок трібо-механічних і електричних характеристик цих контактів. 
Не завершено також розробка наукових принципів створення матеріалів і мастил 
для ковзаючих контактів [10]. Електричні методи розрахунку найважливіших 
контактних характеристик, таких як фактична площа контакту і його перехідний 
електроопір, що мають важливе значення не тільки в електротехніці, але і в теорії 
тертя та зносу.  
В силу зазначених причин матеріали трибоспряжень для струмознімача 
підбираються переважно емпіричним шляхом. Підвищення вимог до перехідного 
електроопору у зв’язку з розширенням сфер застосування і необхідністю роботи 
струмознімання в екстремальних умовах експлуатації стимулює застосування в 
якості таких матеріалів благородних металів і їх сплавів. При цьому однак, в силу 
зменшення ролі окисних і інших хімічних плівок забезпечується не тільки 
зменшення перехідного електроопору, а й підвищення схильності до адгезійною 
взаємодії сполучених поверхонь, збільшення тертя і зносу. З іншого боку, 
економічна доцільність забезпечує переважне застосування в струмознімачах 
благородних металів як різних покриттів їх робочих поверхонь. У ряді випадків 
це додатково створює специфічні структурні передумови для розвитку процесів 
пошкоджуваності цих покриттів в зоні тертя. Таким чином, процес покращення 
електротехнічних характеристик струмознімача на практиці дуже часто вступає в 
протиріччя з необхідністю підтримки його оптимальних властивостей, як 
трібоспряження, і, тому, вимагає в кожному конкретному випадку 
експериментального визначення умов його експлуатації.  
 
 15
1.2. Тріботехнічні явища в зоні ковзаючих електричних контактів 
 
В контактних парах лінійних контактів струмознімачів  відбуваються 
тріботехнічні явища які можна пояснити з точки зору синергетики – явищ 
самоорганізації [3]. Суть цього явища полягає в тому, що під дією зовнішнього 
збурення будь-яка термодинамічно відкрита нелінійна система 
переналагоджується таким чином, що її реакція у відповідь  
У техніці і технології процеси самоорганізації найяскравіше проявляються в 
триботехнічних системах і полягають у формуванні вторинних контактних 
структур при терті і зношуванні [1, 3 – 5].  
Тертя і зношування, без сумніву, можна віднести до нерівноважних 
термодинамічних процесів, тому самоорганізуючі реакції, що протікають в них, 
неменучі і обов’язкові. Внутрішнім проявом самоорганізації при терті є наступні 
процеси: 
 формування вторинних структур з більш високою міцністю і зносостійкістю 
в порівнянні з початковою; 
 розвиток рівноважної шорсткості незалежно від початкової мікрогеометрії 
поверхонь тертя; 
 підвищення фактичної площі контакту за рахунок припрацьованого 
зношування і, як наслідок цього, зниження контактних навантажень; 
 реалізація ефекту виборчого переносу тощо. 
Зовнішнім проявом самоорганізації є зниження і стабілізація практично всіх 
енергетичних, силових і триботехнічних параметрів процесу тертя і зношування, 
зокрема коефіцієнта тертя, температури, інтенсивності зношування тощо.  
Прості трибосистеми [4, 6] складаються з двох об’єктів. До них можна 
віднести: вузли тертя, кочення і ковзання, що працюють без мастила; взаємодія 
поверхні із сухою абразивною масою; взаємодія інструменту з оброблюваним 
матеріалом при різанні насухо тощо [5].  
Складні трибосистеми доповнюються активним зовнішнім середовищем, 
мастильно-охолоджуючими речовинами і штучно введеними джерелами енергій. 
 16
Триботехнічну систему можна розбити на підсистеми контактної взаємодії, 
об’єднані по режимним, структурним, геометричним та іншим ознакам 
спорідненості [4]. Вони, у свою чергу, складаються з підсистем ще вищого 
порядку, у рамках яких реалізуються мікроструктурні процеси, у тому числі 
масоперенесення. 
Еволюція самоорганізуючих систем представляє кінетичний процес, що 
закінчується або її повною деградацією (руйнуванням), або виходом на 
принципово відмінне від початкового стану положення стійкої або нестійкої 
динамічної рівноваги [1, 2].  
Напрями течії процесу самоорганізації визначаються критерієм Пригожина-
Гленсдорфа, який представляється у вигляді:   
P
 0  
t
де Р – виробництво ентропії, t – час процесу. 
Згідно з цим критерієм в будь-якій нерівноважній системі мимовільні 
процеси йдуть так, що швидкість зміни виробництва ентропії, обумовлена зміною 
термодинамічних сил, зменшується. Стаціонарні, або стійкі, термодинамічні 
процеси характеризуються мінімальним виробництвом ентропії. Таким чином, 
критерій Пригожина - Гленсдорфа відображає природне прагнення будь-якого 
кінетичного процесу йти шляхом найменших енергетичних втрат [5], і він 
прикладений до еволюційного аналізу трибосистем незалежно від їх рівня. 
Стосовно процесу тертя стійкі, або стаціонарні, стани в підсистемі першого 
рівня проявляються в стабілізації силових і температурних параметрів при виході 
в зону сталого періоду. У підсистемах другого рівня стійкість зв’язується з 
формуванням «рівноважної» шорсткості пар тертя, зниженням силових і теплових 
питомих навантажень за рахунок збільшення фактичної площі контакту. У цих 
процесах особлива роль відводиться припрацьованому зношуванню, що 
призводить до оптимізації мікрорельєфу контакту [2, 7].  
Вся механічна енергія, що підводиться, поглинається поверхневим шаром 
тіла, що треться, у вигляді пружної енергії деформації. В результаті контактні 
 17
структури переходять в нерівноважний стан. Паралельно з етапом поглинання 
пружної внутрішньої енергії починається її трансформація в інші енергетичні 
форми. Наприклад, в акустичну, магнітну, електричну, теплову тощо. Всі можливі 
енергетичні форми можна розділити на два види: зворотні і незворотні. 
Незворотні – це такі види енергій, які у своєму розвитку досягли стану, при якому 
потенційно неможлива їх подальша трансформація в інші форми. Вони не можуть 
бути задіяні в процесах перетворення структур і безповоротно покидають 
підсистему, розсіюючись в навколишньому середовищі. До таких видів, в першу 
чергу, можна віднести теплову, акустичну і світлову енергії. Незворотні 
енергетичні форми є домінуючими в усіх триботехнічних і деформаційних 
процесах [7, 9].  
Зворотні – це такі енергетичні форми, які не досягли стану повного 
виродження і мають потенційні можливості для перетворення в інші енергетичні 
види. Вони контролюють процеси структурних перетворень і у своїй подальшій 
еволюції наближаються до незворотніх форм.  
Отже, велика частина зворотніх енергетичних форм знаходиться в 
кінетичному стані як проміжна стадія між механічною енергією, що підводиться, і 
її виродженими або незворотніми видами. Лише незначна доля зворотніх 
енергетичних форм може відносно довго знаходиться в стійкому стані, і саме 
вони визначають властивості вторинних, у тому числі дисипативних, структур. 
Вони ж управляють процесами масоперенесення всередині підсистеми [1]. 
Зношування представляє комплексний процес поверхневого руйнування, що 
включає безліч різних механізмів. Більшість процесів механічного стирання 
протікають на фоні і при активній участі адгезійної взаємодії контактуючих 
матеріалів. Адгезійна взаємодія при зношуванні полягає в утворенні адгезійних 
зв’язків у вигляді «містків зварювання» між матеріалами трибосполучення, а 
потім їх розриву, що супроводжується відривом мікрочастинок зношування від 
поверхні тертя з більш ослабленою контактною структурою [11, 12]. 
Контактна взаємодія виражається як ковзання шорсткої поверхні по 
абсолютно гладкій, що має прямолінійну площину тертя. Зношуванню піддається 
 18
тільки шорстка поверхня. Адгезійна взаємодія реалізується по вершинах 
мікронерівностей, де фактичне нормальне напруження перевищує міцність 
граничного шару і викликає деформацію пружнопластичності елементарного 
мікровиступу. 
Процес розвитку адгезійного зв’язку складається з двох етапів. Перший 
характеризується монотонним зростанням стискуючого напруження, що досягає 
до кінця цього етапу максимальних значень. Другий пов’язаний з розвантаженням 
адгезійного зв’язку і закінчується моментом зниження контактного напруження 
до нуля.  
Можна вважити що під час передачі електричного сигналу в зоні тертя 
«щітка - колекторне кільце» струмознімача відбуваються явища самоорганізації. З 
цього слідує, що одним з важливих факторів який впливає на трибологію контаків 
являється саме матеріал пари тертя, його фізичні хімічні та механічні властивості. 
 
1.3. Класифікація покриттів, методи їх отримання та зміцнення 
 
Для підвищення надійності струмознімачів та ефективної їхньої роботи на 
протязі тривалого часу широко застосовують покриття тому в процесі 
виробництва електор-механічних деталей приладів і  механізмів все більшу роль 
відіграють процеси нанесення покриттів на робочі поверхні., що надає виробам 
захисні, функціональні властивості, забезпечує їх надійну і довговічну роботу в 
різних експлуатаційних умовах. 
Покриття поділяють за такими ознаками [4, 13]: 
а) за видом матеріалу; 
б) за призначенням. 
В залежності від виду матеріалу покриття поділяють на: металеві покриття 
– покриття, які утворюються з металів, їхніх сплавів та композицій. Метали, які 
застосовуються для формування металевих покриттів: цинк, нікель, хром, 
алюміній, олово, мідь, свинець, срібло, золото, платина, паладій, родій, залізо, 
кобальт, індій, титан, цирконій, молібден, вольфрам. Сплави: сталі (леговані, 
 19
кислотні, жаростійкі), латуні, бронзи. Композити: свинець - олово - мідь, свинець 
- цинк, олово - нікель, вольфрам – кобальт, вольфрам - нікель, кобальт - молібден, 
кобальт - хром, цинк - алюміній, цинк - залізо [13]. 
За призначенням покриття поділяють на: захисні, технічні, декоративно-
захисні [5, 6].  
Захисні покриття призначені для захисту виробів від шкідливого впливу 
навколишнього середовища (атмосфери, хімічних факторів) і механічних впливів. 
Зазначені покриття, враховуючи тривалість їхнього існування, діляться на 
покриття для короткострокового захисту та міцності.  
Покриття служать для захисту поверхні виробів у процесі їх експлуатації. 
Функціональні покриття - покриття призначені для надання виробу певних 
фізико-механічних властивостей.  
Технічні покриття поділяють на: зносостійкі покриття, технологічні 
покриття, електротехнічні покриття, регенераційні покриття, каталітичні 
покриття, термофізичних покриття, оптичні покриття [3, 5, 13]. 
Найбільш часто з метою підвищення зносостійкості струмопровідності 
застосовується дорогоцінні метали товщиною 10...30 мкм. У разі важких умов 
роботи вузлів тертя застосовуються пористі золоті, срібні та індієві покриття. 
Кращу зносостійкість і струмопроовідність мають більш покриття з благородних 
металів [4]. 
Електротехнічні покриття застосовуються в електротехніці та електроніці і 
служать для поліпшення провідності електричних контактів. Найчастіше 
використовується золоті, срібні, міді, латунні та бронзові покриття. [3, 13]. 
Методи нанесення зносостійких покриттів. 
Існуючі методи отримання покриттів на робочих поверхнях деталей з 
урахуванням специфіки протікання процесів формування покриттів, можна 
розділити на 5 груп (рис.1.2). 
 20
Методи нанесення захисних покриттів 
Хіміко- Термо- Хімічні Фізичні Електро-
термічні механічні фізичні 
 
Рис. 1.2. Методи нанесення захисних покриттів 
 
До першої групи належать методи, в процесі яких формування покриття 
здійснюється переважно за рахунок дифузійних реакцій між насичуємими 
елементами і структурами матеріалу основи.  
До другої групи можна віднести методи формування покриттів за рахунок 
взаємодії матеріалу основи з високоенергетичним потоком механічних частинок 
або плазми.  
У третю групу входять методи формування покриттів, де останнє 
формується за рахунок реакцій між парогазовими сумішами, що складаються із 
з’єднання металоносія і другого компонента, газом – транспортером і 
відновником. При цьому одночасно в процесі формування покриття великий 
внесок вносять субструктура поверхні матеріалу основи і інтердифузійні реакції 
між конденсатом і матеріалом основи.  
До четвертої групи можна віднести методи формування покриттів за 
рахунок хімічних і плазмохімічних реакцій потоку частинок одночасно в обсягах 
простору, що безпосередньо примикає до поверхонь матеріалу основи.  
До п’ятої групи можна віднести методи формування покриттів за рахунок 
фізичної взаємодії матеріалу основи з еродуючим матеріалом, яка відбувається 
під дією електричного розряду. 
 21
Дифузійне 
насичення  
Плазмове 
Детонаційне 
напилення 
Осадження з 
газової фази 
Плазмохімічне 
осадження 
Йонно - плазмове  
напилення 
Йонно – променеве 
напилення 
Електроіскрове 
легування 
До першої групи належать хіміко-термічні методи формування покриттів 
(ХТМ), засновані на твердофазовому, рідкофазовому і газофазовому насиченні 
поверхні основи.  
Дифундійні елементи можуть наситити поверхню основи безпосередньо без 
проміжних реакцій, або з попередньою хімічною реакцією на границі між 
матеріалом основи і покриттям, або ж в обсязі вихідних реагентів. ХТМ в цілому 
може включати такі процеси, як насичення поверхні основи азотом і вуглецем в 
газових і рідких середовищах, йонне азотування і цементація в плазмі тліючого 
розряду та ін. ХТМ дозволяють отримати покриття товщиною 10-40 мкм, що дає 
можливість збільшити стійкість деталей [2, 5, 7].  
До другої групи методів нанесення зносостійких покриттів можна віднести 
термомеханічні методи, серед яких найбільш поширеними є плазмові та 
детонаційні методи. 
Сутність плазмового напилення полягає в тому, що високотемпературному 
плазмовому струмені піддається матеріал, який нагрівається, плавиться і у вигляді 
двофазного потоку спрямовується на поверхню деталі. При ударі і деформації 
відбувається взаємодія частинок з поверхнею основи і формування покриття [2, 
5].  
Детонаційне напилення – один з різновидів газотермічного напилення 
покриттів, в основі якого лежить принцип нагріву напилюючого матеріалу 
(зазвичай порошку) з наступним його перенесенням на напилювану поверхню за 
допомогою продуктів детонації [5, 7].  
До третьої групи методів нанесення зносостійких покриттів на робочі 
поверхні деталей можна віднести хімічні методи осадження покриття. Методи цієї 
групи також представляють собою методи формування зносостійких покриттів за 
комплексним методом, але в даному випадку великий внесок вносять 
інтердіффузійні реакції між конденсатом і матеріалом поверхні основи [2]. 
Даний метод полягає у формуванні навколо поверхні основи (деталі) 
газового середовища, що містить леткі сполуки і створення таких умов, при яких 
на поверхні основи протікає хімічна реакцій утворення твердого покриття. Крім 
 22
того, продуктами реакцій є газоподібні речовини, які безперервно видаляються з 
поверхні. 
До четвертої групи методів нанесення зносостійких покриттів можуть бути 
віднесені методи фізичного осадження (ФОП), засновані на процесах йонно-
плазмовій обробці у вакуумі. Це розпорошення матеріалу, що використовується 
для отримання плівкових покриттів на поверхнях [2, 7]. 
Йонно - плазмовий метод нанесення покриттів полягає в отриманні 
плівкових покриттів розпиленням в плазмі інертних газів матеріалу мішені при 
подачі на неї від’ємного електричного потенціалу.  
Йонно - променеве нанесення покриттів полягає в отриманні плівкових 
покриттів розпиленням матеріалу мішені спрямованим пучком енергетичних 
йонів інертних газів. Розпорошені частки матеріалу мішені досягають основу 
поверхні без зіткнення з газом середовища і зберігають свою енергію до 
конденсації на поверхні.  
Реактивне йонно-плазмове нанесення полягає в одержанні складних по 
складу плівкових покриттів розпиленням мішені в плазмі, що містить хімічно 
активний (реактивний) газ. Плівки формуються в результаті хімічної взаємодії 
розпорошеного матеріалу і реактивного газу на поверхні деталі.  
Реактивне йонно-променеве нанесення покриття – процес одержання 
складних по складу плівкових покриттів розпиленням мішені пучком, що містять 
йони реактивного газу [1, 5].  
Розглянувши описані методи і технологію нанесення покриття по кожному 
методу можна судити, що одним з найбільш ефективних методів являється 
формування покриття на робочих поверхня струмознімача електрохімічним 
способом, використовуючи при цьому благородні метали. 
Обгрунтування методів зміцнення покриття. 
Основним завданням науково обгрунтованого синтезу є характеристики  
міцності  твердого тіла тобто по суті являється проблемою створення нових 
раціональних конструкційних матеріалів в сучасній техніці. Це перш за все і 
 23
визначає актуальність фізико-хімічної механіки, її дуже велике прикладне 
значення.  
Для вирішення основного завдання фізико-хімічної механіки необхідна 
розробка двох проблем. Вони зводяться до вивчення фізико-хімічних  
закономірностей і механізму деформаційних процесів та руйнування твердого тіла 
(в залежності від його складу і структури, впливу тертя та зовнішнього 
середовища), процесів структуростворення (просторові структури, що утворюють 
тверде тіло з заданими механічними властивостями).  
Характерно, що ті й інші процеси - виникнення та руйнування структур 
певною мірою протилежні один одному, в данному випадку кінетична 
закономірність являється вирішальною.  
Перша проблема пов’язана з розвитком теорії різного роду процесів 
механічної обробки твердих тіл тиском. Друга проблема примикає до теорії 
утворення нових дисперсних твердих фаз з первісного рідкого середовища, 
розплаву, перенасиченого розчину, або шляхом пресування спочатку не 
пов’язаних один з одним твердих частинок матеріалу.  
Таким чином, сюди відносяться по суті всі фізико хімічні питання 
отримання нових методів підвищення стійкості матеріалу. Сюди також 
відноситься актуальне завдання синтезу нових матеріалів шляхом переробки 
різноманітних високомолекулярних сполук з добавками як активних 
наповнювачів, так і пластифікаторів, що дозволяє керувати структурою, а через 
неї і механічними властивостями.  
У розвитку обох основних проблем фундаментальне значення знаходить 
колоїдна хімія в тих же її сучасних формах, які склалися в значному ступені під 
впливом потреб фізичко-хімічної механіки та відповідних розділів науки і 
практики технології тонкого подрібнення твердих матеріалів. Велике значення 
колоїдної хімії, тобто вчення про дисперсні системи і поверхневі явища, у 
розвитку фізико-хімічної механіки повязано з двома обставинами.  
Перш за все, всі реальні тверді тіла, включаючи і окремі кристали, має 
своєрідною колоїдною структурою у вигляді сітки дефектів – 
 24
ультрамікробтріщин, статистично розподілених на середній відстані 0,01 – 0,1 
мкм один від одного  на відстані сотні атомних розмірів (параметри кристалічної 
решітки). При деформації в твердому тілі з цих дефектів поступово розвиваються 
нові поверхні, які після розвантаження знову змикаються молекулярними силами, 
тоді як розвиток окремих найбільш слабких місць, тобто найбільш великих 
дефектів, призводить до руйнування тіла. 
Дія активних рідин в основному зводиться до адсорбційного розм’якшення 
тонкого поверхневого шару оброблюваного матеріалу при дії досить високих 
дотичних напружень. При цьому деформація, що захоплювала глибокі шари 
оброблюваного металу, в присутності активного мастила локалізується в тонкому 
поверхневому шарі, що облягає і покращує обробку.  
Так, активні рідини прискорюють припрацювання деталей щойно 
випущеного механізму, полегшуючи згладжування нерівностей, на яких 
виникають високий місцевий тиск.  
«Тренування» металу в поверхнево-активному середовищі при періодичних 
впливах, не призводять до руйнування, а навпаки може викликати зміцнення 
внаслідок полегшення пластичних деформацій в поверхневих шарах, що є 
результатом тонкого внутрішнього диспергування кристалічної решітки зерен. 
При оптимальній температурі, поблизу початку рекристалізації даного металу, що 
призводить до виникнення спочатку більш дрібнокристалічної структури з більш 
високою твердістю.  
Адсорбційні ефекти зниження міцності твердих тіл, які крихко руйнуються 
в звичайних умовах, також являються в ряді випадків вирішальним значенням.  
В результаті чого для підвищення зносостійкості деталей приладів, 
підвищення експлуатаційних характеристик та необхідних параметрів             
розробляється метод формування покриття  на робочих поверхнях деталей та 
механізмів. 
 
 25
Висновки до розділу 1 
 
Таким чином, в роботі визначився напрямок дослідження з підвищення 
зносостійкості ковзаючих електричних контактів, які працюють в умовах тертя та 
дозволяють зміцнювати поверхневий шар деталей підвищуючи його 
зносостійкість не втрачаючи показника струмопровідності.  
Для досягнення найбільш ефективного забезпечення роботи прецизійних 
малошвидкісних ковзаючих електричних контактів, зменшення перехідного опору 
і коефіцієнта тертя робочих поверхонь та моменту їх тертя необхідно вирішити 
наступні задачі: 
1. Розробити узагальнену модель процесу формування покриттів 
електрохімічним золочінням. 
2. Дослідити взаємозв’язок технологічних параметрів електрохімічного 
золочіння для забезпечення високої електропровідності та зносостійкості. 
3. Розробити метод формування покриття та технологічний процес нанесення 
зносостійких покриттів на робочі поверхні струмознімачі. 
4. Провести експериментальні дослідження робочих поверхонь сформованого 
покриття за допомогою методу атомно-силової мікроскопії. 
5. Розробити рекомендації з підвищення надійності робочих поверхонь 
ковзаючих електричних контактів.  
6. Запропонувати метод формування покриття на робочих поверхнях ковзаючих 
електричних контактів. 
 
 26
 РОЗДІЛ 2 
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ, МАТЕРІАЛИ ТА ОБЛАДНАННЯ 
 
Для вирішення поставлених в роботі задач які направлені на значне 
зменшення перехідного опору і коефіцієнта тертя робочих поверхонь та моменту 
тертя струмознімачата, використовували комплекс методів досліджень, який 
включає: рентгеноструктурні, металографічні і елекронно-мікроскопічні 
дослідження, дослідження зношування та електропровідність струмознімачів.  
 
2.1. Методи і об'єкти дослідження  
 
Методика покращення електротехнічних характеристик струмознімача на 
практиці дуже часто вступає в протиріччя з необхідністю підтримки його 
оптимальних властивостей, як трібоспряження, і, тому, вимагає в кожному 
конкретному випадку експериментального визначення умов його експлуатації. На 
рис. 2.1 зображений гіроскоп в якому використовується струмознімач типу «щітка 
– колектор». 
    
Рис. 2.1.  Струмознімач типу «щітка – колектор» 
 
Об’єктом дослідження являється контактна пара струмознімача – платино-
іридієвий сплав ПЛИ-25 (тіло) - золото (контртіла). При цьому досліджувалися 
робочі поверхні фрикційного контакту струмознімача з колекторними кільцями з 
 27
латуні Л62 (ГОСТ 17711-93) з осадженим електролітичним способом золотим 
покриттям і і щітки струмознімача типу «мухолапки» (рис. 2.2). 
   
Рис. 2.2. Колектор (а) з кільцями із латуні Л62 і щітки (б) струмознімача 
 
2.2. Метод формування покриття 
 
Покриття формується на поверхні деталі способом електро-хімічного 
золочіння з наступним припрацюванням. Характеристика нанесеного шару 
залежить від часу нанесення  електроліту та його складу. 
Режими нанесенння золотого покриття на робочу поверхню (латунь) 
деталей струмознімача: 
1-й варіант: Золоте покриття наноситься з свіжо приготованого електроліту. 
Склад електроліту: золото (діціаноаурат) 23 г/л ціаністий калій 15 г/л. Щільність 
струму 1 А∙дм-2 час нанесення 2,5 години без реверса. 
2-й варіант: Золоте покриття наноситься з свіжо приготованого електроліту. 
Щільність струму 0,5А∙дм-2 , час нанесення 2,5 години без реверсу. Товщина 
покриття 27,7 мкм. 
3-й варіант: Золоте покриття наноситься з  старого електроліту (стара 
ванна). Склад електроліту: 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: Золоте покриття наноситься 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 нанесення 6:00 
 28
5-й варіант: Золоте покриття легується сріблом, при першому нанесенні 
після виготовлення електроліту. В склад електроліту входило срібло в 
концентрації 0,5 г/л 
6-й варіант: Золоте покриття легується сріблом, при нанесенні після 
опрацювання електролітом. Склад електроліту: золото (діціаноаурат) 8,4 г/л; 
ціаністий калій 11,7 г /л. Щільність струму 0,01 А ∙дм-2; час нанесення 4 години. 
Для того щоб покращити властивості покриття його піддавали наступному 
припрацюванню. 
 
2.3. Метод дослідження триботехнічних характеристик покриття 
 
Процеси тертя, що спостерігаються в електричних струмознімача, 
моделюються на машині тертя SRV (Фірма Optimol) і стенді, в точності з 
геометричними розмірами струмознімача (рис. 2.3).  
 
Рис. 2.3. Схема тертя, що реалізується на стенді 1 - чотири паралельно 
розташованих щітки з ПЛИ-25 (тіло) 2 - латунне кільце (контртіло)  
 
В процесі досліджень на машині тертя застосовується методичний підхід. 
Згідно цьому підходу для кожної фіксованої пари матеріалів незалежно від 
геометричних розмірів і конфігурації їх поверхонь тертя спостерігається один і 
той же набір процесів тертя. Геометричні розміри і конфігурація поверхонь при 
цьому впливають лише на величину діапазону навантажень і швидкостей, в якому 
той або інший процес тертя спостерігається. Таким чином, машина тертя дозволяє 
 29
 реалізувати і прискореним чином дослідити процеси тертя, які можуть мати місце 
і в реальному струмознімачі. [2] 
Пара тертя, схематично представлена на рис. 2.4.  
 
Рис. 2.4. Схематичне зображення пари, тертя, яка реалізується на машині тертя:  
1 - щітка із сплаву ПЛИ-25 (тіло) 2 - золоте покриття на латунній поверхні (контр 
тіло) 
 
Щітка із сплаву ПЛИ -25 діаметром 0,32 мм, вигнутий наприкінці по 
окружності діаметром 8 мм, виконував зворотно-поступальне переміщення по 
плоскій поверхні золотого покриття товщиною 28 мкм, електролітично 
нанесеного на латунь. Довжина шляху ковзання становить 5 мм. Частота 
зворотно-поступального руху має величину 50 Гц.  
Стендові випробування проводяться з модельними струмознімачами типу 
«щітка – колектор». В якості щітки використовується утримувач зі спаяними 
паралельно один одному відрізками дроту з ПЛИ -25 діаметром 0,32 мм. Колектор 
представляє собою набір соосно розташованих латунних кілець, покритих по 
контуру золотом товщиною 28 мкм. Схема тертя між чотирма дротами з ПЖ -25 і 
позолоченим кільцем приведена на рис. 2.3. Процес тертя здійснюється шляхом 
обертання колектора щодо щітки з частотою обертання 6 хв. Нормальне 
навантаження між дротами і кільцем змінюється в діапазоні від 5 до 15 Г. 
Вимірюється момент тертя і стабільність перехідного електроопору між щіткою і 
колектором. Оцінюється глибина вироблення золотого покриття. 
В результаті виконуються стендові випробування пари тертя «щітка - 
коллектор» струмознімача, після чого за допомогою комплексу методів 
досліджень отримуються результати робочої поверхні струмознімача. 
 
 30
2.4. Дослідження експлуатаційних характеристик контактів  
струмознімича методами растрової електронної та атомно-силової 
мікроскопії 
 
Дослідження методом растрової електронної мікроскопії. Кільця 
досліджується методами електронно-растрової мікроскопії, електронної оже- 
спектрометрії, атомно-силової мікроскопії рентгеноструктурного аналізу. 
Лабораторна оцінка якості поверхні визначалася з допомогою бінокулярного 
оптичного мікроскопа. [14] 
Електронно-растрові і оже-спектральні дослідження поверхні зразків 
проводяться на приладі JAMP-1 OS (Фірма JEOL). В режимі електронної 
мікроскопії використовуються прискорююча напруга 10 кВ і діаметр 
електронного пучка 25 нм. Оже-аналіз проводять при прискорюючій напрузі 5 кВ, 
струм електронного пучка 1 мкА і діаметр 100 нм (високий просторовий дозвіл) 
або 100 мкм (інтегральний оже-аналіз поверхні). 
Для вивчення характеру розподілу хімічних елементів в поверхневих шарах, 
коли кількісний склад яких визначається по диференціальним оже-спектрам з 
допомогою факторів відносної чутливості, застосовується метод пошарового 
розпилення поверхонь іонами аргону з енергією 2,5 кВ .  
Рентгеноструктурний аналіз зразків проводиться на приладі ДРОН - УМ 1, 
використовуючи CuKα випромінювання. Для досягнення максимальної роздільної 
здатності застосовується набір коллімуючих щілин від 0,01 до 1 мм з реєстрацією 
рентгенограм методом дискретного рахунку та по точкам.  
Комплексна методика направлена на повнооглядове, експресне та 
високоточне визначення впливу зовнішніх шкідливих факторів на стан поверхні 
пар тертя механізмів вимірювальних приладів шляхом залучення растрової 
електронної та атомно-силової мікроскопії, а також акустично-спектрометрії. 
Растровий електронний мікроскоп (РЕМ) – це прилад, в основу роботи 
якого покладений телевізійний принцип розгортки тонкого пучка електронів на 
поверхні досліджуваного об’єкту. РЕМ використовується при дослідженні 
 31
непрозорих для електронів об’єктів. Поверхня зразка сканується дуже тонким (50-
100 А) електронним пучком-зондом, створеним за допомогою трьох електронних 
лінз. Електронна пляма, рухаючись по поверхні об’єкту, утворює на ній систему 
строк-растр. Звідси і назва – скануючий або растровий мікроскоп. Потрапляючи 
на досліджувану поверхню, електрони частково поглинаються, відбиваються, 
розсіюються, вибивають вторинні електрони, викликають рентгенівське 
випромінювання. 
Основною перевагою РЕМ є висока інформативність і роздільна здатність – 
найменша відстань між двома деталями об’єкту, що роздільно зображаються на 
сканограмі. 
Вимоги до об’єктів і підготовка поверхні до дослідження методом РЕМ. 
При дослідженні непровідних матеріалів або неметалічних включень в 
металевому зразку, електрони можуть збиратися на їх поверхні через відсутність 
стоку зарядів і їх накопичення приводить до створення області просторового 
заряду і засвічування плівки при фотографуванні В цьому випадку застосовується 
додаткове напилення на ВУП-5 тонкої плівки металу. 
При дослідженні в режимі МРСА необхідно мати дійсно плоску поверхню 
зразків у всіх випадках крокового сканування електронного зонда для отримання 
достовірних результатів по концентраційному розподілу елементів. У разі похилої 
і нерівної поверхні зразка виникає спотворення зображення. 
На рис.2.5 представлена фрактограма бічного зламу зразка (ротора 
п’єзодвигуна) із п’єзокераміки (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  
 32
Дослідження методом атомно-силової мікроскопії. Дослідження 
мікрорельєфу поверхні зразка методом АСМ проводиться шляхом сканування 
плоскої площадки (максимально 13х13 мкм) з метою одержання зображення її 
мікрорельєфу. Для одержання найбільш точного зображення мікрорельєфу 
поверхні обирався статистичний (контактний) режим роботи АСМ. Головною 
особливістю даного режиму є здатність вимірювальної системи відслідковувати 
діапазон відхилень кантилевера (консолі) ±1.5∙10-6м ширина (35±3)∙10-6м, довжина 
(350±5)∙10-6м, товщина (0.7…1.3)∙10-6м від нейтрального (вільного) положення. В 
даній методиці використовувався кремнієвий зонд моделі Ultrasharp CSC12 
(«MikroMasch», виробництво США). 
В приладі передбачено вертикальне переміщення платформи (предметного 
столика) зі зразком на різних швидкостях в процесі підготовки до сканування: 
спочатку необхідно підвести зразок до зонду (на відстань порядку 1 мм) на 
максимальній швидкості (1,28 10-3 м/с), потім, встановивши мінімальну швидкість 
вертикального переміщення (0,1610-3 м/с), завершити процес автоматичного 
підведення. 
Після завершення процесу підведення встановлюється оптимальна сила 
впливу вістря зонда на поверхню F=(3…6)∙10-6 H/m та зменшується відносна 
швидкість зворотного зв’язку υзв=45…65% для запобігання самозбудження 
вимірювальної системи (ознаки появи самозбудження в системі – періодичні 
перешкоди на зображенні). 
Після запуску процесу сканування на екран виводиться вікно візуалізації 
відсканованого зображення і додаткове вікно візуалізації профілю, який 
сканується. 
В теперішній час нараховується велика кількість методів, за допомогою 
яких досліджуються експлуатаційні характеристики механізмів пар тертя 
приладів. Проте, слід відзначити, що на сьогодні жодна методика не дозволяє 
якісно і швидко визначати характеристики зносостійкості пар тертя при 
відсутності іншої інформації. Але за допомогою методу атомно-силової 
мікроскопії (АСМ) в режимі «обстукування» можна проводити обмежену 
 33
ідентифікацію матеріалів з метою отримання топограм жорсткості та в’язкості 
поверхонь як діелектричних, так і провідних матеріалів. 
Режим «обстукування» по суті є реалізацією контактного АСМ в 
динамічному режимі, принцип дії якого подібний безконтактному. В режимі 
«обстукування» вимірювальна консоль коливається на своїй резонансній частоті з 
високою амплітудою близько 100 нм. При кожному коливанні вістря торкається 
зразка в своїй нижній точці (звідси термін режим «обстукування»). При роботі в 
режимі «обстукування» пошкодження зразка менш ймовірно, ніж в контактному, 
оскільки й процесі переходу до кожної подальшої точки сканування усуваються 
бічні (латеральні) сили (тертя або простягання) між зразком і вістрям. Проте 
вертикальні сили в режимі «обстукування» повинні бути значно вищими, ніж 
капілярна сила (10-8Н), для того, щоб дати вістрю скануючої голки можливість 
проникати всередину і виходити з водного шару без затримки. Ця вертикальна 
сила достатньо велика, щоб деформувати поверхню м’яких і пружних матеріалів. 
Тому зображення, отримані в режимі «обстукування», часто є сумішшю 
топографії і пружних властивостей поверхні зразка [15]. 
Аналогом скануючої тунельної спектроскопії для АСМ є можливість 
знімати криві залежності сили взаємодії зонда з поверхнею зразка від відстані між 
ними — криві підведення/відведення. Ці криві важливі для вимірювання 
вертикальної сили, що прикладається до поверхні з боку вістря в процесі 
сканування. Крім того, аналізуючи зміни форми цієї кривої, можна оцінювати 
в'язкість забруднень поверхні, товщину шару мастила, а також місцеві варіації 
пружних властивостей поверхні. 
Крива підведення/відведення є графіком залежності відхилення 
вимірювальної консолі від подовження скануючого пристрою. Ван-дер-Ваальсови 
сили представляють тільки одну складову, що впливає на відхилення консолі: на 
вимірювання додатково впливатимуть тонкий шар вологи, звичайно присутній 
при роботі АСМ на відкритому повітрі, а також мастила і забруднення. 
 34
Криві підведення/відведення, одержувані в лабораторії, достатньо складні і 
специфічні для кожного конкретного зразка, проте для них можна виділити 
загальні характерні ділянки, схематично зображені на рис.2.6. 
Ділянка А-В. В лівій частині кривої скануючий пристрій повністю 
відведений, і консоль не згинається, оскільки вістря не торкається зразка. При 
підводі зонда до поверхні консоль продовжує залишатися незігнутою до тих пір, 
поки вістря не наблизиться до поверхні зразка настільки, щоб на нього почала 
діяти притягаюча Ван-дер-Ваальсова сила (т. В). На цій ділянці крива не містить 
ніякої корисної інформації. 
Ділянка В-С. В точка В консоль раптово згинається у напрямку до поверхні, 
і голка торкається поверхні (т.В). Ця ділянка відома як «стрибок до контакту». 
При роботі в повітряному середовищі окрім притягаючої Ван-дер-Ваальсової і 
електростатичної сил на вістря додатково впливатиме капілярна складова із 
сторони адсорбованого шару вологи, а також забруднень або мастила. Зміна 
величини сили на ділянці В-С кривої може бути перерахований в зсув за законом 
Гука (F=-k∙∆x), що дозволяє оцінити товщину адсорбованого на поверхні шару. 
 
Рис. 2.6. Номограма кривих підведення/відведення. Суцільною лінією 
схематично показана крива, яка була одержана у вакуумі. Пунктирними лініями 
відзначені варіації кривої підведення/відведення, обумовлені пружними 
властивостями зразка і присутністю на поверхні шару адсорбованої вологи і 
мастила (забруднень) 
 35
Ділянка С-D. Ця ділянка характеризує подальше підведення зонда до зразка, 
що супроводжується притисненням вістря голки до поверхні і майже лінійним 
вигином вимірювальної консолі в напрямі від поверхні. По конфігурації ділянки 
С-D можна судити про модуль пружності системи «зонд-поверхня». У випадку, 
якщо вимірювальна консоль набагато м’якша поверхні зразка, як наприклад, у 
разі неруйнуючого сканування, нахил кривої переважно відображає величину 
константи пружності самої консолі. Проте, коли жорсткість консолі набагато 
більше жорсткості поверхні, нахил ділянки С-D дозволяє досліджувати пружні 
властивості зразка. Ділянка С-D не обов’язково повинна бути прямою лінією: 
зміни нахилу в межах цього сегменту кривої указують на відмінність в реакції 
поверхні на різну силу, що прикладається. Це може відбуватися внаслідок 
переходу від пружної до пластичної деформації, відмінності в поверхневих і 
об’ємних властивостях, а також зміни у складі зразка по глибині. 
Ділянка D-Е. Точка D відповідає завершенню фази підведення і початку 
відведення зонда від поверхні. За відсутності гістерезису скануючого пристрою 
сегмент D-Е практично повторює ділянку С-D кривої, отриману при підводі. 
Якщо обидва ці ділянки прямі і паралелі один одному, то додаткової інформації 
(окрім відзначеної вище) вони не містять. У разі їх непаралелі відмінність між 
ними дає можливість оцінити або пластичну, або пружну деформацію зразка 
(якщо швидкість відновлення його геометричних розмірів менше швидкості 
відведення зонда). 
Ділянка Е-F. Точка Е відповідає нейтральному відхиленню консолі. При 
подальшому відведенні зонда від поверхні консоль починає згинатися у напрямі 
до зразка, оскільки на вістря впливає притягаюча, або адгезійна сила. На 
конфігурацію ділянки Е-F впливає наявність на поверхні адсорбованих шарів. У 
разі роботи у вакуумі на вістря голки впливають Ван-дер-Ваальсова і, можливо, 
електростатична сили. Якщо ж зняття кривих відбувається на повітрі, то до них 
звичайно додається достатньо могутня капілярна сила з боку шару вологи, 
мастила або забруднень. Товщина приповерхневого шару впливає на довжину 
ділянки Е-F, а його нахил, відмінний від нахилу ділянки, відповідної реакції 
 36
жорсткого зразка, указуватиме на підняття адсорбованих шарів вслід за зондом, 
що відводиться. 
Ділянка F-G. Коли пружна реакція консолі перевищує притягаючу силу, зонд 
відривається від зразка. На кривій підведення/відведення цьому відповідає Точка 
F, відома під назвою точки відриву. Величина зусилля в точці F рівна 
максимальній загальній адгезійній силі між зондом і зразком і представляє 
ключову інформацію при дослідженнях адгезії. Якщо шар вологи додатково 
покритий шаром мастила або забруднень, то можна спостерігати не одну точку 
відриву (тт. F1 і F2). Положення точок F1 і F2 залежить від в’язкості і товщини цих 
шарів. Перехід між ділянками Е-F і F-G не обов’язково є різким стрибком. Якщо 
адсорбційний шар достатньо в’язкий, то зонд може відходити від поверхні 
поступово, а перехід Е-F → F-G матиме в цьому випадку округляючі контури. 
Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) NT-206 в комплексі з управляючим 
програмним забезпеченням і засобами обробки АСМ-зображень призначений для 
виміру і аналізу мікро- і субмікрорельєфу поверхонь, об’єктів мікро- і 
нанометрового розмірного діапазону з високою роздільною здатністю. 
Сфери застосування АСМ – фізика твердого тіла, тонкоплівкові технології, 
нанотехнології, мікро- і нанотрибологія, мікроелектроніка, оптика, випробувальні 
системи прецизійної механіки, магнітного запису, вакуумної техніки тощо. 
АСМ може використовуватися в наукових і промислових лабораторіях. 
Зображення поверхні в атомно-силовому мікроскопі отримують при 
скануванні зразка в горизонтальній площині зондом з радіусом кривизни вістря 
близько десятки-сотень нанометрів, який зафіксований на чутливій консолі. 
Управляюча система стежить за положенням зонду відносно поверхні зразка в 
кожній вимірюваній точці і підтримує відстань голка-зразок на постійному 
заданому рівні. Зміни вертикального положення зонду в кожній точці вимірів 
утворюють матрицю АСМ даних, яка записується у файл, і використовується 
надалі для обробки, візуалізації і аналізу. 
Прилад характеризується наступними особливостями: 
 37
 використання лазерної системи для детектування відхилення консолі і 
кручення; 
 робота в статичному і динамічному режимах, реалізація статичної і 
динамічної спектроскопії; 
 цифрова система управління скануванням; 
 автоматизована система переміщення вимірювальної голівки відносно 
зразка; 
 відеосистема, інтегрована у вимірювальну голівку для спостереження за 
зондом і сканованою областю поверхні зразка; 
 з’єднання з управляючим комп’ютером через USB - порт; 
 модульна структура електронного блоку управління і програмного 
забезпечення, забезпечуюча можливість модифікації для вирішення специфічних 
дослідницьких завдань. 
Комплект атомно-силового мікроскопа NT - 206 включає: 
 Блок сканування (Рис. 2.7); 
 Блок електроніки управління (Рис. 2.7); 
 Комплект  кабелів для з’єднання: 3 кабелі для з’єднання блоку сканування з 
блоком електроніки управління, кабель USB (A - to - B) для з’єднання блоку 
електроніки управління з управляючим комп’ютером, шнур живлення для 
підключення блоку електроніки управління до електричної мережі; 
 Компакт-диск з комплектом програмного забезпечення: управляюча 
програма «SurfaceScan»; програма обробки, візуалізації і аналізу АСМ-даних 
«SurfaceView»; драйвери для інтегрованої відеокамери. 
Опційно: 
 Набір зондів для роботи в статичному і динамічному режимах; 
 Набір калібрувальних грат; 
 Додатковий(і) утримувач(і) зондів. 
 38
 
Рис. 2.7. Загальний вигляд атомно-силового мікроскопа NT-206 в базовій 
конфігурації: блок сканування (на передньому плані) з блоком електроніки 
управління (на задньому плані) 
 
АСМ працює під управлінням спеціалізованого програмного забезпечення, 
яке виконується на персональному комп’ютері з операційною системою Windows 
XP/Vista/7. Рекомендується виділити окремий персональний комп’ютер для цілей 
управління АСМ, збору даних, зберігання, обробки, візуалізації і аналізу АСМ-
зображень. Рекомендована конфігурація ПК має бути не нижче: Pentium Core 2 
Duo 2 GHz, RAM 1 Gb, HDD 160 Gb, USB -порт, VRAM 256, монітор 19", 
операційна система Windows XP/Vista/7. 
Додатково рекомендується дооснастити АСМ довгофокусним оптичним 
мікроскопом із збільшенням x50…400 і осцилографом з чутливістю 5мВ/дел для 
забезпечення зручності при налаштуванні і роботі. 
Витратні матеріали (зонди, калібрувальні грати) рекомендується купувати у 
їх виробників (наприклад, Mikromasch, NT - MDT тощо.).  
В таблиці 2.1 описані характеристики АСМ NT - 206  
 
 39
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. 
Максимальні розміри 30 30 8 мм (ширина-глибина-висота) 
досліджуваного зразка 
 40
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 
 
Блок сканування, який зображено на рис. 2.8, призначений для роботи на 
відкритому повітрі і надає зручний доступ для установки зразка і зміни зонду. У 
приладі застосована вимірювальна схема з нерухомим зондом над рухливим 
 41
зразком. В ході вимірів прецизійні переміщення зразка забезпечуються 
трубчастим п’єзосканером, на якому встановлюється зразок. Перед вимірами зонд 
може бути переміщений в необхідну область над зразком за допомогою 
автоматизованої платформи.  
Блок сканування складається з базової платформи (1) і змінної 
вимірювальної голівки (8). Усі механізми змонтовані на верхній плиті корпусу, 
яка є базовою. З нижньої сторони (усередині корпусу) базової плити встановлений 
механізм вертикального переміщення п’єзосканера. Даний механізм забезпечує 
підведення (підйом) і відведення п’єзосканера з образом на предметному столику, 
встановленому на верхньому (рухливому) торці п’єзотрубки (16), відносно зонду 
(вертикальне або Z -переміщення). Діапазон ходу механізму вертикального 
переміщення складає 20 мм з кроком близько 200 нм. 
На верхній стороні базової плити змонтована платформа горизонтального 
(XY) переміщення для підготовчих пересувань вимірювальної голівки над 
зразком (грубе XY – позиціонування) для вибору необхідної області. Платформа 
горизонтального переміщення складається з Y – ступеня (2) з приводним 
кроковим двигуном (3) і X – ступеня (4) з відповідним кроковим двигуном (5). 
Платформа XY – перемещіщення забезпечує діапазон ходу 10 мм в обох напрямах 
з кроком 2,5 мкм.  
Зверху на ступені X змонтована направляюча «ластівковий хвіст» (6), в якій 
встановлюється вимірювальна голівка (8). Вимірювальна голівка (8) вставляється 
в ластівковий хвіст спереду рухом її в горизонтальній площині. Гвинт (7) служить 
для надійної фіксації вимірювальної голівки на базовій платформі. Для 
підключення вимірювальної голівки до систем приладу, вставте її кабель (20) в 
роз’єм на задній стінці корпусу. Додатково необхідно підключити USB - кабель 
(21) відеокамери (18) до вільному USB –роз’єму на управляючому комп’ютері. 
Щоб зняти вимірювальну голівку з базової платформи (корпуси), від’єднаєте її 
роз’єми (кабель вимірювальної голівки і кабель USB відеокамери), звільніть 
фіксувальний гвинт (7) і вийміть вимірювальну голівку з ластівкого хвоста (6). 
 
 42
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 ступеня грубого позиціонування по Y; 4 – ступінь 
грубого позиціонування по X; 5 – кроковий електродвигун ступеня грубого 
позиціонування по X; 6 – з’єднання типу «ластівковий хвіст» для установки 
вимірювальної голівки; 7 – гвинт фіксації вимірювальної голівки в з’єднанні 
«ластівковий хвіст»; 8 – вимірювальна голівка; 9 – ручка механізму регулювання 
лазера у напрямі X; 10 – ручка механізму регулювання лазера у напрямі Y; 11 – 
вісь повороту дзеркала; 12 – утримувач зонду; 13 – гвинт фіксації утримувача 
зонду; 14 – ручка механізму регулювання фотодетектора у напрямі X; 15 – ручка 
механізму регулювання фотодетектора у напрямі Y; 16 – предметний столик, 
закріплений на торці п’єзосканера; 17 – труба відеосистеми; 18 – модуль 
відеокамери; 19 – поворотне кільце для тонкого фокусування відеосистеми; 20 – 
кабель вимірювальної голівки; 21 – кабель відеосистеми (USB) 
 
Вимірювальна голівка (8) є високоточною системою, що містить механічні, 
оптичні і електронні компоненти і обладнану спеціально розробленою 
 43
відеокамерою (18). У нижній частині вимірювальної голівки встановлюється 
утримувач зонду (12). Гвинт (13) використовується для фіксації утримувача зонду 
після його установки у вимірювальній голівці. Ручки (9) і (10) служать для 
налаштування лазерного променя на зонді при налаштуванні. Джерело лазерного 
випромінювання і відеокамера інтегровані в одній оптичній системі, тому 
відеокамера (18) переміщатиметься разом з джерелом лазерного випромінювання 
при його налаштуванні. Дане рішення забезпечує постійне знаходження області 
навколо центру лазерного променя в полі огляду відеокамери.  
Ручки (14) і (15) використовуються для налаштування фотодетектора на 
промінь, відбитий від зворотної сторони кантилевера зонду. Вісь (11) служить для 
підстроювання положення дзеркала того, що повертає промінь, відбитий від 
зворотної сторони кантилевера зонду, на фотодетектор. Змінюючи кут повороту 
дзеркала, можна виробляти додаткове підстроювання системи детектування 
(проте, рекомендується не змінювати положення дзеркала, встановлене 
виробником, і використовувати цю опцію в крайньому випадку). 
Кільце (19) на трубці відеосистеми (17) служить для точного фокусування 
відеосистеми в діапазоні близько 1 мм уздовж вертикальної осі оптичної системи. 
Модуль відеокамери (18) може бути від’єднаний від оптичної системи шляхом 
звільнення спеціального гвинта на трубці (17) і виїмки модуля вгору. Необхідно 
пам’ятати, що оптична система містить точні оптичні елементи, і тому відкриті 
отвори трубки необхідно захищати від пилу і бруду. 
Горизонтальне переміщення зразка в процесі сканування (переміщення в 
площині XY) здійснюється за допомогою п’єзокерамічного сканера. Зразок 
переміщується під вістрям зонду від точки до точки за растровою схемою (рис. 
2.9).  
 44
 
Рис. 2.9. Рух зразка під зондом в процесі збору даних 
 
Сканер починає переміщуватися уздовж першої лінії сканування і назад. 
Потім він здійснює переміщення на один крок в перпендикулярному напрямі до 
другої лінії сканування, рухається уздовж неї і назад. Потім знову здійснює 
переміщення на один крок в перпендикулярному напрямі до третьої лінії і так 
далі. АСМ реєструє дані тільки при русі зонду в одному напрямі, який 
називається напрямом швидкого сканування. Для переміщення сканера за 
подібною растровою схемою електроніка АСМ прикладає відповідну напругу до 
сегментів п’єзотрубки, що викликає її вигин в площині, паралельній поверхні 
зразка (рис. 2.10). 
 
Рис. 2.10. Схема організації системи сканування і детектування положення зонду 
 
 45
АСМ детектує положення зонду в кожній точці вимірів. Коли вістря зонду 
знаходиться у поверхні зразка на відстані близько декількох нанометрів, консоль 
із зондом згинається під дією молекулярних сил (тяжіння або відштовхування), 
що виникають між вістрям і поверхнею зразка. Для виміру відхилення 
кантилевера зонду використовується позиційно-чутливий фотодетектор (рис. 
2.10). Промінь світла, відбитий від зворотної сторони кантилевера зонду 
потрапляє на фотодетектор. В результаті зміни положення зонду (вигину 
кантилевера) відбувається переміщення відбитої світлової плями по 
фотодетектору. Це переміщення може бути легко виміряне.  
Таким чином, по зміні положення відбитої плями на ФД електронна система 
визначає зміну відстані між зондом і зразком і прикладає відповідну напругу до Z 
- електроду п’єзотрубки, з тим щоб стискувати або подовжити її у напрямі Z і 
підтримати проміжок між зондом і зразком на постійному рівні. В результаті 
вістря зонду переміщується на постійній висоті над поверхнею зразка і в точності 
повторює її рельєф. 
У кожній точці вимірів реєструється величина напруги, прикладеної до 
п’єзотрубки. Це значення запам’ятовується і використовується системою для 
формування матриці АСМ-зображення. На основі отриманих даних про висоту 
рельєфу і відповідних зображень контрастів будується тривимірне АСМ-
зображення поверхні. 
Встановлений в системі чотирьохсекційний фотодетектор дає можливість 
виміряти як відхилення, так і кручення кантилевера. Завдяки цьому можливий 
одночасний вимір топографії і картографування латеральних сил (локальних сил 
тертя) в контактному режимі. Схема цих вимірів, а також відмінність 
двосекційного фотодетектора, що допускає вимір тільки вертикального 
відхилення, показані на рис. 2.11.  
При роботі в динамічному режимі, система збуджує вимушені коливання 
зонду з частотою від 10 Гц до 400 кГц. Частота коливань підбирається відповідній 
власній резонансній частоті зонду, що істотно підвищує чутливість вимірювальної 
 46
системи. Коливання зонду збуджуються додатком модульованої напруги до 
п’єзоактюатору, який сполучений із зондом механічно.   
 
Рис.2.11. Детектування вертикального Δz і горизонтального Δτ(torsion) відхилень 
консолі фотодетектором: а – вимір вертикального відхилення двосекційним 
детектором; b – чотирьохсекційний детектор латерального силового мікроскопа 
для одночасного виміру вертикального і горизонтального відхилень. 
 
 
Висновки до розділу 2 
 
Описано методи та обладнання досліджень робочих поверхонь електричних 
контактів.  
До таких методів відносяться такі як рентгеноструктурні, металографічні, 
дослідження зношування та електропровідністі струмознімачів, атомно-силової 
мікроскопії за допомогою яких визначались параметри та характеристики 
робочих поверхонь струмознімача. 
 47
РОЗДІЛ 3.  
ТЕОРЕТИЧНІ АСПЕКТИ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗКУ ТРІБОМЕХАНІЧНИХ І 
ЕЛЕКТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОКОНТАКТІВ 
 
Незважаючи на досягнуті в області тріботехніки електричних контактів 
успіхи, в даний час відсутні досить чіткі уявлення про взаємозв’язок трібо-
механічних і електричних характеристик цих контактів. Не завершено також 
розробка наукових принципів створення матеріалів для ковзаючих контактів  
Значною мірою не доведені до інженерного рівня аналітично. Електричні 
методи розрахунку найважливіших контактних характеристик, таких як фактична 
площа контакту і його перехідний електроопір, що мають важливе значення не 
тільки в електротехніці, але і в теорії тертя та зносу. В силу зазначених причин 
матеріали трибоспряжень для струмознімача підбираються переважно 
емпіричним шляхом [9]. 
 
3.1 Теоретичні аспекти використання ковзаючих електричних контактів 
 
Підвищення вимог до перехідного електроопору у зв’язку з розширенням 
сфер застосування і необхідністю роботи струмознімання в екстремальних умовах 
експлуатації стимулює застосування в якості таких матеріалів благородних 
металів і їх сплавів. При цьому однак, в силу зменшення ролі окисних і інших 
хімічних плівок забезпечується не тільки зменшення перехідного електроопору, а 
й підвищення схильності до адгезійною взаємодії сполучених поверхонь, 
збільшення тертя і зносу. З іншого боку, економічна доцільність забезпечує 
переважне застосування в струмознімачах благородних металів як різних 
покриттів їх робочих поверхонь. У ряді випадків це додатково створює 
специфічні структурні передумови для розвитку процесів пошкоджуваності цих 
покриттів в зоні тертя. Таким чином, процес покращення електротехнічних 
характеристик струмознімача на практиці дуже часто вступає в протиріччя з 
необхідністю підтримки його оптимальних властивостей, як трібоспряження, і, 
 48
тому, вимагає в кожному конкретному випадку експериментального визначення 
умов його експлуатації (рис.3.1).  
 
Рис. 3.1. Схематичне зображення пари тертя. 1 - тіло; 2 - контртіла 
 
Практично всі явища, що відбуваються при зовнішньому терті, визначаються 
взаємодією робочих поверхонь контактуючих твердих тіл між собою і взаємодії 
цих поверхонь з округлим їх середовищем. Для ковзаючих електричних контактів 
всіх типів першорядне значення при цьому мають процеси утворення в контактній 
зоні тертя проміжних шарів, що захищають по поверхні тертя від схоплювання, 
але, з іншого боку, впливають і на стабільність перехідного падіння напруги.  
При сухому терті і низьких швидкостях відносного переміщення 
контактуючих поверхонь коефіцієнт тертя ушкоджує поверхність твердих тіл 
визначаються переважно їх адгезією на ділянках фактичного контакту. Коли в 
контакті утворюється критичне число адгезійних зв’язків, що труться тіла 
схоплюються аж до утворення нероз’ємних з’єднань.  
Для всіх металів, вільних від забруднень, при контакті їх поверхонь 
спостерігається адгезія, супроводжувана переносом матеріалу при розриві 
контакту. Майже всі метали в рівній мірі проявляють властивість переносу в 
напрямку від менш когезійно-міцного до більш когезійно-міцного. Це пов’язано з 
тим, що джерела когезіонного зв’язку на поверхні розділу дуже часто бувають 
сильніші, ніж когезійний зв’язок в самому матеріалі. Величину адгезійних зв’язків 
практично неможливо в даний час обчислити, виходячи зі знання об’ємних 
 49
характеристик контактуючих металів. Більше того, вплив пластичної деформації 
поверхневих шарів ставить на перше місце питання експериментального 
визначення сумісності матеріалів при терті.  
Дослідження процесів контактування різних благородних металів з золотом 
показують, що практично у всих випадках відбувається адгезійне перенесення 
золота на поверхню іншого матеріалу. Таким чином, когезійна міцність золота 
менше когезійной міцності таких металів, наприклад, як платина та іридій. Єдине 
виключення при цьому становить срібло. Контакт між ювенільними поверхнями 
золота і срібла розривається безпосередньо на межі розділу двох матеріалів без 
перенесення одного з них на інший. У цьому рідкісному випадку адгезійні зв’язки 
поступаються когезійним.  
Разом з тим, в залежності від параметрів кристалічної решітки металу його 
адгезійна взаємодія з золотом також змінюється. Так, результати вимірювання 
енергії взаємодії золота і металів групи платини з вольфрамом свідчать, 
наприклад, що для іридію адгезія до золота менше, ніж для платини. Різна 
величина адгезійної взаємодії в свою чергу сприяє різному адгезійному переносу 
золота на контактуючий з ним метал. Наприклад, оже-спектральні дослідження 
показують, що у випадку родію спостерігається сильний адгезійний перенос 
золота на його поверхню. У той же час, для контакту іридію з золотом характерне 
епітаксійне острівкове перенесення, при якому частинки золота переносяться 
тільки в тих місцях, в яких вони ніби продовжують сітку іридію на його поверхні.  
Величина адгезійної взаємодії також істотно залежить від навантаження, що 
стискає два контактуючих матеріала, і часу взаємодії. Характерні залежності сили 
адгезії золота до нікелю та міді. 
Аналогічна фрикційна поведінка спостерігається і для двох платинових 
зразків. Однак, для платини при навантаженнях на пару тертя нижче 1 Г металева 
провідність контактної зони тертя зникала і при низьких напругах спостерігалася 
нелінійність її ВАХ, що свідчило про наявність суцільної оксидної плівки на 
поверхнях тертя.  
 50
Ковзаючий електричний контакт представляє собою пару тертя, яка 
схематично складається з тіла і контртіла. Тілом називається нерухомо 
закріплений зразок, частина поверхні якого безперервно знаходиться в зоні тертя.  
Контртілом називається рухомий відносно тіла зразок, ділянки поверхні 
якого періодично потрапляють в зону тертя і періодично виходять з неї.  
Модель контактної зони тертя двох металевих поверхонь – адгезійного 
характер мікроконтакту, контактування через над тонкий оксидний або 
адсорбційний шар, а також контактування через об’ємні захисні структури – 
дифузна провідність представлена 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 над 
тонкий оксидний або адсорбційний шар, 3 - контактування через об’ємні захисні 
структури, дифузна провідність. 
 
Для тертя різнорідних металів важливо не тільки співвідношення їх 
когезійної міцності та хімічної активності, але і їх положення в парі тертя.     
Наприклад, при ковзанні золота (тіло) по міді (контртіла) пошкодження 
поверхневої оксидної плівки практично відсутня [11]. При цьому тип контакту 
відповідає схемі зображеній на рис. 3.2 і тільки в районі критичного навантаження 
переходу до схвачування паралельно починає проявлятися тип контактування, 
зображений ний на рис. 3.2, б. Перехідний електроопір контактної зони тертя є 
досить високим. З іншого боку, при ковзанні мідного індентора (тіло) по золоту 
(контртіла) окисна плівка на міді руйнується і віддаляється при зносі під 
навантаженням понад 1 Г. Переважний тип контактування при цьому відповідне 
 51
рис. 3.2, б і тільки частково рис. 3.4, а перехідний електроопір знижується на 
порядок. 
 
3.2. Моделювання ковзаючих електричних контактів 
 
Практично всі явища, що відбуваються при зовнішньому терті, визначаються 
взаємодією робочих поверхонь контактуючих твердих тіл між собою і взаємодії 
цих поверхонь з округлим їх середовищем. Для ковзаючих електричних контактів 
всіх типів першорядне значення при цьому мають процеси утворення в контактній 
зоні тертя проміжних шарів, що захищають поверхні тертя від схоплювання, але, з 
іншого боку, впливають і на стабільність перехідного падіння напруги [15].  
З урахуванням розвинених в роботах уявлень контактна зона може бути 
зображена схематично так, як це зроблено на Рис. 3.3. Тут мікроконтакти двох 
дотичних металевих поверхонь відповідають трьом принципово різним між собою 
режимам тертя, які, однак, можуть існувати одночасно в одній і тій же контактній 
зоні тертя. Мікроконтакт 1 ілюструє адгезійну (або дифузійне при високих 
швидкостях відносного переміщення) взаємодію поверхонь двох металів.  
Мікроконтакт 2 відповідає випадку, коли на одній або на двох дотичних 
поверхнях існують надтонкі (товщиною близько 1 нм) оксидні або адсорбційні 
шари, що перешкоджають адгезії контактуючих металів. В цьому випадку 
пошкоджуваність поверхонь які труться різко знижується, а вольт-амперна 
характеристика (ВАХ) контактної зони тертя може ставати нелінійною (Рис. 3.3, 
б). Однак, подібна нелінійність ВАХ в більшій мірі спостерігається в діапазоні 
електричних напруг від 0 до 0,5 В (в окремих випадках цей діапазон 
розширюється до 1 В). При напругах на електричному контакті понад 1 В 
нелінійністю його ВАХ навіть за умови збереження тунельної провідності можна 
знехтувати. Більш того, при цих напругах вже в більшості випадків настає пробою 
розташованого в контактній зоні електричного потенційного бар’єру і ВАХ 
електричного контакту перетворюється на лінійне ( Рис. 3.3, б).  
 52
 
                            а                               б                                в 
Рис. 3.3. Вольт-амперні характеристики мікроконтактів 
 
 Мікроконтакт 3 (Рис. 2.4) ілюструє зіткнення мікро-часток поверхні двох 
металів через відносно товсті (об’ємні) проміжні шари захисних структур, які 
значно знижують тертя, пошкоджуваність і знос контактуючих поверхонь 
ковзаючого електричного контакту, але при цьому також починають повністю 
визначати і всі електричні властивості контактної зони. Мікроконтакт 3 має 
лінійну ВАХ, а його перехідний електроопір повэ’язано з величиною об’ємної 
(дифузійної) електричної провідності захисної структури і може змінюватися, в 
широких межах залежно від природи і властивостей цієї структури (Рис. 3.3, в). В 
якості захисних структур виступають відносно товсті оксидні або інші хімічні 
плівки на поверхні металу, що мають дифузійну природу виникнення, різні 
перенесені шари тощо. 
 
Висновки до розділу 3 
 
В данному розділі були розглянуті теоретичні аспекти використання 
контактів, змодельовано процес тертя контактної пари. Аналіз дозволяє зробити 
висновок, що при використанні чистих благородних металів в якості матеріалів 
для ковзних електричних контактів адгезійні процеси будуть давати 
максимальний внесок у збільшення сили тертя в початкові (пускові) моменти 
тертя. При досить низьких швидкостях ковзання це приведе до фрикційних 
коливань. 
 53
РОЗДІЛ 4.  
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ І  
СКЛАДУ ФУНКЦІОНАЛЬНОГО ЗОЛОТОГО ПОКРИТТЯ 
 
У зв'язку з розширенням сфер застосування механоелектричних приладів і 
необхідністю забезпечення їх надійної роботи в екстремальних умовах до 
перехідного опору і моменту тертя струмознімачів  підвищені вимоги. Електричні 
струмознімачі є рухомими трібосопряженнями, в зоні тертя яких відбуваються 
функціонально взаємопов'язані механізми перенесення електричного заряду і 
механізми тертя.  
Тому підвищення вимог до перехідного електроопору струмознімачів 
стимулює використання у ролі контактів, особливо слабкострумових, 
благородних металів і їх сплавів. При цьому, в силу зменшення ролі окисних і 
інших хімічних - плівок забезпечується не тільки зменшення перехідного 
електроопору, а й підвищення схильності до адгезійної взаємодії сполучених 
поверхонь, збільшення тертя і зносу [4].  
У ряді випадків це додатково створює специфічні структурні передумови 
для розвитку процесів пошкоджуваності покриттів в зоні тертя. Таким чином, 
процес покращення електротехнічних характеристик струмознімача дуже часто 
вступає в протиріччя з необхідністю підтримки його оптимальних властивостей, 
як трибосопряжень [13].  
  
4.1. Робочі поверхні електричних контактів зі  срібною основою 
 
Досліджувався діапазон зміни структури золотого покриття в залежно від 
параметрів його електролітичного осадження. На рис. 4.1 і 4.2 показані 
мікрофотографії покриттів, нанесених з свіжовиготовленого електроліту при 
різній щільності струму.  
На рис. 4.1. Показані мікрофотографії золотого покриття, нанесеного з 
електроліту при підвищеній концентрації діціаноаурату золота в ванні. Склад 
 54
електроліту: золото (діціаноаурат) 23 г/л ціаністий калій 15 г/л. Режими 
нанесення: щільність струму 1 А∙дм-2 час нанесення 2,5 години без реверса,  
Як видно з рис. 4.1 збільшення концентрації золота в електроліті змінює 
структуру зерна, форма якого починала нагадувати форму «лузги». 
 
а) х 200    б)  х 700 
Рис. 4.1. Структура золотого покриття після нанесення з електроліту. 
 
На рис. 4.2 показані мікрофотографії золотого покриття, нанесеного в  ванні 
з малою концетрацією діціаноурата золота, при низьких струмах через електроліт. 
.Склад електроліту: золото (діціаноаурат) 23 г/л ціаністий калій 15 г/л. Режими 
нанесення: щільність струму 0,5А∙дм-2, час нанесення 2,5 години, без реверсу. 
Товщина покриття 27,7 мкм. Отримане зерно покриття при цьому набуває кубічну 
форму. 
 
а - х 450    б - х 2000 
Рис. 4.2. Структура золотого покриття після нанесення з електроліту.  
Товщина покриття 27,7 мкм 
 
 55
Звертає на себе увагу той факт, що найбільш дрібне зерно золотого 
покриття незалежно від його форми зберігає лінійні розміри близько 10 мкм (Рис. 
4.1, 4.2). Проте, різна форма зерна, легко змінювалась залежно від умов 
осадження, свідчить про різну щільність, а отже, і твердість покриття.  
Рентгеноструктурний аналіз представлених зразків (Рис 4.3) дозволив 
встановити наявність структурних напружень, що змінюються в залежності від 
форми зерна покриття. Покриття наносили з електроліту: золото (діціаноаурат) 
41,5 г /л; ціаністий калій 14,5 г /л. Режими нанесення: 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. 
 
На Рис. 4.4 представлена структура золотого покриття після нанесення з 
малоконцентрованої ванни. Склад електроліту: золото (діціаноаурат) 8,4 г/л; 
 56
ціаністий калій 11,7 г /л. Режими нанесення: щільність струму 0,01 Адм-2; час 
нанесення 6:00 годдин.  
Оже - спектральний аналіз зразка, який не піддавався промивці після 
електролітичного осадження в ванні (Рис. 4.3) показав, що на поверхні золота 
перебувала досить товста (близько 0,3 мкм) вуглецева плівка. Ця плівка повністю 
розчинялася і віддалялася після промивання зразка в ацетоні. На зразку із 
малоконцентрованої ванни (рис. 4.4) подібна плівка мала незначну товщину. 
        
 а - х 450;     б - х 2000 
Рис. 4.4. Структура золотого покриття після нанесення  
з малоконцентрованої ванни 
 
Дослідження елементного складу різних покриттів показало високу чистоту 
золота в зерні і наявність в ряді випадків до 5 ат. % вуглецю і 2 ат. % азоту в зерні. 
Менше всього домішок вуглецю і азоту на кордоні зерена виявилося при кубічної 
структурі зерна (рис.4.4). Більше всього їх виявилося в зразку, отриманому в 
електролітичній ванні з щільністю струму 0,5 А∙дм-2. (рис. 4.3).  
Лазерний масспектральний аналіз цього зразка показав максимальну 
концентрацію в ньому водню, що може свідчити про накопичення органічних 
домішок в міжзерновому просторі покриття.  
Склад мікродомішок всередині зерна в цілому від зразка до зразка 
коливався в діапазоні концентрацій від 0,2 до 1, 0 ат. %. У більш новій ванні були 
отримані зразки з меншою концентрацією мікродомішок, ніж в більш старій 
ванні. В склад мікродомішок у всих випадках входили переважно елементи 
 57
п’ятого періоду періодичної системи: Ag, Cd, In, Sn, Ті, I. Максимальна 
концентрація при цьому спостерігалася у індію (0,2 - 0,5 ат.%).  
З метою зміни структури і властивостей золотого покриття була 
приготовлена модельна електролітична ванна, в яку крім звичайних компонентів 
було введено срібло в концентрації 0,5 г/л.  
Перше осадження золотого покриття супроводжувалося формуванням 
поверхні у вигляді блоків зерен (макроскопічних кристалів з розмірами до 50 
мкм). Опрацювання електролітом усунули цей ефект і на подальших зразках 
спостерігалося щільне покриття (Рис. 4.5).  
Оже - спектральний аналіз показав, що срібло увійшло в структуру зерна в 
концентрації достатньо добре повторюваної від зразка до зразкоа 2 ± 0,2 ат. 
Суттєво, що при цьому в склад покриття не увійшли ніякі інші 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. 
 
..   а- х 1500; б - х 4500 
 58
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 межі зерен при цьому концентрація срібла коливається в діапазоні від 3 
до 8 ат. %.  
Легування золотого покриття сріблом змінило структур зерна. Зерно набуло 
ромбічну форму (рис. 4.6) і значно зменшило в середньому свої розміри. На рис. 
4.6, а видно зерна з розходами від 3 до 10 мкм. Такий склад зерен сприяє більш 
щільній упаковці отже, більш високій міцності покриття. Для цього зразка 
виявлена мінімальна концентрація водню, виміряна методом лазерної 
маесспектрометрії.  
Робочі поверхні колекторних кілець струмознімачів з срібною основою. 
Проведено електронно-мікроскопічний і оже-спектральний  аналіз 
сегментів колекторних кілець, знятих з струмознімача. Колекторні кільця, 
виготовлені з срібла, покрите по контуру золотом товщиною 18 мкм. На рис. 4.7 
показано ділянку робочої поверхні такого колекторного кільця. Показана 
структура вихідного золотого покриття колекторного кільця, яка є, як видно, 
нерівномірною в поперечному напрямку. Зліва розмір зерна в середньому більше, 
ніж справа.  
На рисунку 4.7 чітко видно фазовий контраст поверхні, що свідчить про 
різний елементний склад і структурний стан поверхневих шарів. При розгляді 
можливо відрізнити три виду ділянок поверхні: ділянки вихідного покриття; 
ділянки з пластично деформованими зернами (світлі ділянки); ділянки з 
пластично деформованими і розмазаними уздовж напрями тертя зернами і 
видозміненим хімічним складом поверхні (більш темні ділянки).  
Оже-спектральний аналіз ділянок вихідного покриття показав, що 
основними мікродомішками в структурі зерна є срібло (0,5 ат.%). В Як інших 
легуючих елементів в зерні був присутній індій і телур. На поверхні і по кордонів 
зерен концентрація срібла доходила до 0,9 ат.%. Практично той же склад поверхні 
був і на світлих ділянках з пластично деформованими зернами. Однак, на темних 
 59
пластично деформованих ділянках склад поверхні різко відрізнявся по сріблу. 
Концентрація срібла на них досягала 35 ат.  
а 
б 
в 
 
х 100 
Рис. 4.7. Ділянка робочої поверхні позолоченого срібного колекторного кільця 
струмознімача. Товщина золотого покриття 18 мкм. 
 
х 2000. 
Рис 4.8. Структура ділянки підданої тертю поверхні золотого покриття, ділянка 
якого зображений на рис. 4.7: а - з лівого сторони кільця; б - з правою сторони 
кільця (рис. 4.7) 
 
Видно, що пластично деформовані поверхневі шари на світлих ділянках 
практично  не відрізняються за хімічним складом від вихідного покриття. Однак, 
глибинний профіль на темній ділянці свідчить про наявність на поверхні тертя 
товстого (до 500 нм) срібно - вуглецевого шару захисних структур і видозміненої 
зони  (до 700 нм),  яка містить у вигляді домішок вугілля і срібло. Хімічний склад 
більш нижніх шарів відповідає вихідному покриттю і містить срібло в 
концентрації 0,5 ат. %.  
 60
4.2. Тріботехнічні дослідження поверхні покриття 
 
Досліджувався вплив режиму обробки контакту стркмознімача з сплаву 
ПЛИ-25 при виготовленні мухолапок для щітки колектора. На Рис. 4.6 наведено 
фотографії поверхні контакту, зразки якої відповідали: вихідній поставці, були 
протягнуті крізь фільєри з метою калібрування, а також піддавалися поліровці 
після фільєри.  
             
 
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. 
 
Видно, що протягування крізь фільєру погіршує якість поверхні мухолапки, 
а подальше полірування не усуває повністю подряпини. Враховуючи відносну 
 61
твердість сплаву ПЛИ -25, а також, що при діаметрі контакту 0,32 мм розміри 
його контакту з золотим покриттям є порівняними з розмірами подряпин, можна 
стверджувати, що процес механічної обробки мухолапок дає істотний внесок в 
розкид параметрів тертя між різними мухолапками і золотим покриттям. З метою 
зменшення розкиду і полегшення процесу формування поверхні тертя мухолапки 
при припрацюванні можна рекомендувати вакуумний отжиг дроту після операції 
калібрування.  
Оже - спектральні дослідження зразків дроту дозволили в сплаві платина - 
іридій виявити наявність наступних мікродомішок: Pd, Ru, Cd. Fe, Zn. 
 
 
Висновки до розділу 4 
 
Дослідження процесів контактування різних благородних металів з золотом 
показали, що практично у всіх випадках відбувається адгезійне перенесення 
золота на поверхню іншого матеріалу. В залежності від структури золотого 
покриття його адгезійна взаємодія з поверхнею іншого матеріалу також 
змінюється. 
 62
РОЗДІЛ 5.  
ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПРОЦЕС НАНЕСЕННЯ  
ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЗМІЦНЕНОГО ПОКРИТТЯ ПОКРИТТЯ 
 
Спосіб формування покриття на робочих поверхнях струмознімача, який 
включає електрохімічне золочіння шляхом нанесення з розчину електроліта з 
наступним обкочуванням відрізняється тим, що покриття зміцнюють натянутою 
струною, при цьому в робочу зону додатково вносять поверхнево-активний 
колоїдний розчин на основі ізопропилового спирту і сірки, а натянутій струні 
надають одночасно зворотно-поступальне і коливальне переміщення, 
просушують робочу поверхню і формують надтонкий хемосорбний шар покриття. 
 
 
5.1. Метод нанесення золотого покриття на робочу поверхню 
електроконтакту 
 
В процесі зміцнення золотого покриття на робочих поверхнях (колекторних 
кільцях) струмознімача додатково подається поверхнево-активна речовина на 
основі ізопропилового спирту і сірки, внаслідок чого відбувається дисоціативна 
хемосорбція молекул дипропанолдисульфіду на поверхні золота. Диссоціація 
протікає по хімічному зв’язку між двома атомами сірки, в результаті чого 
хемосорбція однієї молекули дипропанолдисульфіду супроводжується 
пассивацією двох активних поверхневих центрів. При цьому на поверхні золота 
формується хемосорбційний шар з радикалів C2H4OH-CH2-S- товщиною менше 1 
нм. який запобігає адгезії золота до платино-іридієвого сплаву, але не 
перешкоджає тунельному переносу електронів між їх контактуючими 
поверхнями. Таким чином, хімічна пасивація поверхні золота, запобігає 
адгезійній взаємодії поверхонь в зоні тертя, що призводить до різкого зменшення 
моменту третя струмознімача при його достатньо низькому перехідному 
електричному опору, що дає можливість в процесі припрацювання краще 
 63
підготувати (наклепати) золоте покриття до умов довготривалої експлуатації. 
Побічним позитивним ефектом хімічної пасивації є захист поверхні золота від 
корозійного впливу довкілля. 
Покриття наносили електрохімічним способом на колекторні кільця 
струмознімача з латуні і Л62 (ГОСТ 17711-93) з електролітичного розчину, який 
складався з діціанаурата калію, лимоннокислого калію і лимонної кислоти, при 
цьому концентрація діціанаурата калію в електроліті становила 8.4 г / л, 23,0 г / л -
1 і 41 , 5 г / л -1. Щільність струму змінювали від 0,01 А / дм - 2 до 1,0 А / дм -2, а 
період нанесення становив від 2,5 до 6:00.  
Спосіб виконується наступним чином. Після нанесення на робочу поверхню 
– колекторні кільця (1) струмознімача (2) золотого покриття (3) електрохімічним 
способом із розчину електроліту, його робочі поверхні зміцнюють натянутою 
струною (4), яка закріплена в  рамі (5) 
При цьому рама (5) на якій закріплена струна (4) виконує одночасно 
зворотно-поступальне і коливальнене переміщення. Одночасно в робочу зону між 
струною (4) і колекторним кільцем (1) додатково вносять поверхнево-активну 
речовину (6) на основі ізопропилового спирту і сірки. Після закінчення операції 
обкочування робочі поверхні струмознімача (2) просушують і внаслідок чого 
формують надтонкий хемосорбний шар покриття (3) на поверхнях колекторних 
кілець (2) струмознімача (2). 
Приклад. Після нанесення покриття електрохімічним способом із розчину 
електроліту золота, що складається, наприклад, із діціаноаурату калію KAu(CN)2 
вмістом 8,4 г/л і ціаністого калію KCN – 11,7 г/л. Щільність струму 0,01 А дм-2; 
термін нанесення 6 годин. 
Для процесу зміцнення використовують інструмент (Рис. 5.1), який 
складається з рами (5) в якій закріплена струна (4) з платино-ірідієвого сплаву 
ПЛИ-25.  
При цьому необхідно щоб виконувалась умова:  
2R > d, 
 64
де 2R – діаметр колекторного кільця (1) струмознімача (2), а d – діаметр струни 
(4) інструменту. 
Струмознімачу (2) надають швидкість обертання n = 116 об/хв., а раму (5) 
перемішують зворотно-поступально із швидкістю, VР = 1,5…2,0 рази в секунду, 
при цьому струна (4) виконує поперечні коливання VС = 1,5…2,0 рази в секунду 
вздовж твірної колекторного кільця (2)   
В процесі хімічної пасивації поверхні золота і після просушення покриття 
(3) з нанесеним ізопропиловим спиртом і сіркою на робочих поверхнях 
колекторних кілець (1) формується хемосорбційний шар (товщиною ≈ 1 нм) на 
основі поверхневих хімічних сполук які супроводжується перебудовою 
електронних оболонок атомів і створені моношару. 
Використання при цьому поверхнево-активних мастильних середовищ (6) 
суттєво підвищує наклеп золотого покриття (3) і покращує якість його робочої 
поверхні, що в призводить до суттєвого підвищення критичного навантаження 
переходу до схвачування між матеріалами які труться. 
        
Рис. 5.1 Схема процесу зміцнення покриття робочої поверхні  
струмознімача натянутою струною [16] 
 
Аналіз структур покриття проводився методами растрової електронної 
мікроскопії (JAMP-1OS, фірми JEOL) і атомно-силової мікроскопії (фірма-
виробник ТДВ "Мікротестмашини", м.Гомель, Білорусь).  
Дослідження методом РЕМ отриманих в різних умовах покриттів показали, 
що зерна золота мають різну форму і розміри. Так, збільшення щільності струму 
 65
0,01 А / дм -2; до 1.0 А / дм -2 в середньому призводить до зростання зерна від 10 
до 40-80 мкм. При цьому зменшення концентрації золота в електроліті змінює 
структуру зерна - воно набуває кубічну форму, а збільшення концентрації золота - 
призводить до того, що структура зерна набуває лускату форму.  
Звертає на себе увагу той факт, що найбільш дрібне зерно золотого 
покриття незалежно від його форми зберігає лінійні розміри близько 10 мкм. 
Проте, різна форма зерна, легко змінюється в залежності від умов осадження, 
свідчить про різної щільності, а отже, і твердості покриття.  
 
 
5.2. Визначення експлуатаційних характеристик механізмів тертя 
елктроконтакту 
 
Для діагностики ступеня пористості і товщини шару на основі нанесеного 
золотого покриття нами використовувався метод атомно-силової спектроскопії, 
протестований на модельних зразках струмознімачів. Дослідження елементного 
складу різних покриттів методом енергомасспектрометріі (методика РЕМ) 
показало високу чистоту золота в зерні та наявність в ряді випадків до 5 ат. % 
Вуглецю і 2 ат. % Азоту на межі зерна. При цьому, найбільше домішок вуглецю 
та азоту на межі зерен виявилося в зразку, отриманому в електролітичній ванні з 
підвищеною концентрацією діціаноаурата - 41,5 г/л у ванні зі щільністю струму 
0,5 А/дм, при цьому покриття супроводжувалося формуванням поверхні у вигляді 
блоків зерен (макроскопічних кристалітів з розмірами до 50 мкм).  
Наявність плівок з вуглецю та азоту на межі зерен сприяють суттєвому 
збільшенню перехідного електричного опору струмознімача і тому, їх поява на 
поверхні золотого покриття є негативним фактором.  
Найменше домішок вуглецю та азоту виявилося при кубічної структурі 
зерна отриманому у ванні зі зниженою концентрацією діціаноаурата 8,4 г / л і 
низькою щільністю струму - 0,01 А / дм -2. Зерно кубічної форми суттєво 
зменшило в середньому свої розміри від 3 мкм до 10 мкм. Такий склад зерен 
сприяє більш щільній упаковці і отже, більш високої міцності покриття.  
 66
Експериментальні дослідження робочих поверхонь колекторних кілець 
струмознімача з нанесеним золотим покриттям і щіток типу «мухолапк і» 
проводилися методом АСМ на приладі моделі "NT-206" з використанням як 
вимірювального інструмента кремнієвого зонда CSC-12 (додатки А, Б). Виміри 
проводилися в контактному (статичному) режимі при навантаженні на зонд 8 ПН. 
При цьому досліджували ділянки поверхні колектора і щіток - 13х13 мкм після 
нанесення покриття і після їх експлуатації протягом 250 годин при зусиллі 
взаємодії 0,1 мг, яке визначали методом граммометріі.  
Проведені дослідження плями контакту щіток з колекторними кільцями 
струмознімача, дозволили отримати наступні зразки поверхні струмознімача. 
                   
а                                        б 
 
в 
Рис. 5.2. Топограмма (а), відновлене тривимірне зображення (б) і профіль (в) 
ділянки поверхні щітка, яка не піддавалася силовій взаємодії 
 67
                 
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 
               
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. 
 68
         
а                                        б 
 
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 
 
В результаті проведених досліджень можна відмітити, що ділянки поверхні 
струмознімача, які не перебували в силовій взаємодії мають значно більш 
розвинену поверхню з мікронерівностями порядку Ra 38 ... 180 нм (для 
«мухолапок») і Ra 49 ... 55 нм (для колекторних кілець), тоді як макронерівності 
поверхні даних ділянок не перевищують 60 мкм і 200 нм, відповідно. При цьому, 
на поверхнях повністю відсутні місця відпрацювання, руйнування покриття і 
мікротріщин, а наведені значення мікрогеометрії ділянок поверхні - повністю 
відповідають розмірам і структурі утворених в процесі осадження кристалітів 
золота.  
Мікронерівності ділянок поверхонь струмознімача, які перебували в силовій 
взаємодії при їх контактуванні протягом 250 годин при зусиллі 0,1 мг склали Ra 3 
... 12 нм (для електроконтактів) і Ra 9 ... 27 нм (для колекторних кілець), тоді як 
макрогеометрії поверхні даних ділянок становила близько 160 ... 200 мкм і 240 ... 
450 нм, відповідно.  
 69
Однак, на досліджуваних ділянках чітко проглядаються місця виробітку 
(рис. 5.4   б, зверху) шириною 7 мкм при їх глибині в 180 ... 320 нм. Місцями 
також проглядаються сколи і мікротріщини (рис. 5.4 б, внизу), пов’язано з 
наявністю твердих включень в ковзаючих поверхнях. Поява таких включень є 
результатом порушення технологічного процесу нанесення покриття, або 
попадання абразивних частинок ззовні - в процесі експлуатації пристрою.  
Проведені дослідницькі роботи по розробці технології нанесення золотого 
покриття на робочі поверхні струмознімача і експериментальні дослідження 
підтвердили правильність вибраного режиму нанесення золотого покриття і 
механічної обкатки і показали, зменшення перехідного опору і коефіцієнта тертя 
робочих поверхонь струмознімача. 
Таким чином, реалізація зазначених прийомів і технологічних режимів 
запропонованого способу формування покриття на робочих поверхня 
струмознімача що заявляється, дозволяє сформувати зносостійке покриття на 
робочих поверхнях струмознімачів та зменшити перехідний опір і коефіцієнт 
тертя робочих поверхонь струмознімача, що дозволяють підвищити надійність і 
точність роботи струмознімачів, а також значною мірою скоротити трудомісткість 
іх виготовлення і, відповідно, собівартість продукції. 
 
 Висновки до розділу 5 
 
Зміцнення золотого покриття в результаті попередньої пластичної 
деформації показало, що укочування поверхні золотого покриття є ефективним 
методом підвищення зносостійкості покриття. Застосування при цьому 
поверхнево-активних мастильних середовищ істотно підвищує наклеп золота і 
покращує якість його поверхні, що в кінцевому підсумку призводить до суттєвого 
підвищення критичного навантаження переходу до схоплювання між  
матеріалами які труться. 
 70
Попереднє деформаційне зміцнення золотого покриття з використанням 
поверхово-активних колоїдних розчинів відкриває широкі можливості 
подальшого вдосконалення методики зміцнення. 
Випробування показали, що для оптимізації тріботехнічних та 
електротехнічних властивостей струмознімача найбільш ефективним напрямком 
по дії і простоті реалізації є попередня хімічна пасивація поверхні золотого 
покриття.  
 71
ВИСНОВКИ 
 
В результаті виконання магістерської кваліфікаційної роботи з підвищення 
зносостійкості ковзаючих електричних контактів, їх струмопровідності та 
забезпечення моменту тертя цих електричних контактів отримані наступні 
результати: 
1. Проведено аналіз літературних джерел щодо формування покриттів деталей 
приладів і механізмів в результаті чого визначився напрямок дослідження з 
підвищення зносостійкості ковзаючих електричних контактів, які працюють в 
умовах тертя та дозволяють зміцнювати поверхневий шар деталей 
підвищуючи його зносостійкість не втрачаючи показника струмопровідності. 
2. Визначені найефективніші методи дослідження триботехнічних характеристик 
покриття до яких відносяться такі як рентгеноструктурні, металографічні, 
дослідження зношування та електропровідністі електроконтактів, атомно-
силової мікроскопії за допомогою яких визначались параметри та 
характеристики робочих поверхонь.  
3. Встановлено, що при використанні чистих благородних металів в якості 
матеріалів для ковзних електричних контактів адгезійні процеси будуть давати 
максимальний внесок у збільшення сили тертя в початкові (пускові) моменти 
тертя, а при досить низьких швидкостях ковзання це приведе до фрикційних 
коливань. 
4. Дослідженні процеси контактування різних благородних металів з золотом, які 
показали, що практично у всіх випадках відбувається адгезійне перенесення 
золота на поверхню іншого матеріалу, а в залежності від структури золотого 
покриття його адгезійна взаємодія з поверхнею іншого матеріалу також 
змінюється. 
5. Зміцнення золотого покриття в результаті попередньої пластичної деформації 
показало, що укочування поверхні золотого покриття є ефективним методом 
підвищення зносостійкості покриття. Застосування при цьому поверхнево-
активних мастильних середовищ істотно підвищує наклепування золота і 
 72
покращує якість його поверхні, що в кінцевому підсумку призводить до 
суттєвого підвищення критичного навантаження переходу до схоплювання 
між  матеріалами які труться. 
6. Розроблені рекомендації та технологію нанесення покриття на робочі поверхні 
електричних контактів. 
В цілому виконані дослідження можуть служити основою для подальшого 
поглиблення знань про тріботехнічних і електротехні особливості роботи 
електричних контактів і сприяти подальшій розробці практичних рекомендацій 
щодо їх виготовлення та застосування. 
 73