Анализ возможных модификаторов для получения композиционных Ni-P покрытий с антифрикционными свойствами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 548.3:669.018

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ Ni-P ПОКРЫТИЙ С АНТИФРИКЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

© 2011 г. И.Н. Щербаков, В.В. Иванов

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Обсуждаются условия, которым должны удовлетворять модифицирующие добавки в раствор для получения эффективных композиционных Ni —P покрытий для защиты деталей узлов трения. Проанализировано возможное влияние модифицирующих добавок в виде ультрадисперсных порошков простых и сложных оксидов со структурами корунда и рутила, простых веществ со структурами магния и вольфрама, а также политетрафторэтилена на трибологические свойства композиционных Ni-P покрытий.

Ключевые слова: моделирование; коэффициент трения; скорость линейного износа; композиционные покрытия; модификаторы.

The necessary conditions for modified addings into electrolyte for the effective compositional Ni-P covers receiving onto details of a friction knots are discussed. The possible influence of modified addings in the form of ultra dispersion powders of the simple and complex oxides with both corunde and rutile structural types, and the simple substances with magnesium and tungsten structural types, and the polytetraftoretylene, too, all on tri-bologic properties of the compositional Ni-P-covers was analysed.

Keywords: modeling; friction coefficient; velocity of linear wear; compositional covers; modificators.

Введение

Химическое модифицирование состава композиционных покрытий (КП) и поверхности трения - один из перспективных способов защиты изделий от корро-зионно-механического изнашивания [1]. Известно, что при получении КП на основе никель-фосфорных покрытий используют различные модифицирующие добавки, приводящие к образованию покрытий систем № - модификатор - Р [2 - 4]. Роль модификатора обычно выполняют ультрадисперсные твердофазные материалы различной природы, которые должны обеспечить присутствие в КП фаз, обладающих антифрикционными свойствами и существенно улучшающих трибологические характеристики поверхности.

Общие требования, которые предъявляются к модифицирующим добавкам (модификаторам) в раствор для нанесения покрытия, могут быть сформулированы следующим образом. Они должны обеспечить, во-первых, необходимый характер фазово-разупоря-доченного состояния КП, во-вторых, одновременное существование в объеме модифицированного слоя твердых износостойких фаз и фаз, обладающих смазочными свойствами, в третьих - образование защитного модифицированного слоя на поверхности изделия с повышенной к ней адгезией. В результате возможных химических и физико-химических процессов в КП при его формировании и при трибоконтакте поверхности покрытия с сопряженной поверхностью узла трения необходимо, чтобы

1) были в наличии определенные фазы, характеризующие твердую и смазочную компоненты КП, и фазы, обеспечивающие адгезию покрытия к металлической основе - материалу защищаемого изделия;

2) было получено определенное распределение этих фаз в объеме КП: равномерное - по поверхности, с положительным градиентом твердости - по толщине, обусловливающее синергизм трибологических свойств компонент КП [4].

В этом случае введение модификаторов, удовлетворяющих данным условиям, должно привести к улучшению свойств поверхности КП по сравнению со свойствами никель-фосфорного покрытия (без модификатора) и обеспечить коррозионную и механическую защиту изделия в узлах трения.

Моделирование антифрикционных свойств композиционных покрытий

1. Система N - Ме203 (структура корунда) -

Ме - Р. Для получения эффективных КП на основе никель-фосфорных покрытий (КНФП) используют, в частности, дисперсные материалы в виде простых оксидов состава Ме203 (Ме - А1, Сг) со структурой типа корунда (пр. гр. R 3с (3)) или ультрадисперсные металлические порошки: Ме - Сг, Мо, W, V, Та с кубической структурой типа вольфрама (пр. гр. 1т3т (2)), Ме - Т^ Zг с гексагональной структурой типа магния (пр. гр. Р63/ттс (2)) [5 - 7]. В структуре типа корунда (аА1203) катионы А13+ занимают октаэдриче-

ские позиции в гексагональной плотнейшей упаковке анионов. Вдоль направления [001] гексагональной ячейки пары АЮб-октаэдров объединены в октаэдри-ческие димеры через общие грани и укороченные расстояния за счет связей преимущественно кова-лентного характера. Соединения структурного типа корунда относятся к ооктаэдрическим структурам, основанным на частичном заполнении (2/3) октаэдри-ческих пустот в ГПУ и принадлежат к следующему ряду структурных типов: Mg (Р63/ттс(2)) ^ FeClз (Р3х 12(6)) ^ ТЮ2 (Р42/тпа(2)) ^ аА120з (И 3с(3)) ^ NiAs (Р63/ттс(2)) [6].

Результаты моделирования фазово-разупорядо-ченного состояния некоторых КНФП и свойств их поверхности при трении с поверхностью стали марки Ст45 приведены в табл. 1.

В табл. 1 и последующих табл. 2 - 4 приведенные трибологические свойства Р (скорость линейного износа 1л или коэффициент трения /) рассчитаны по формуле Р = аРта + (1 - а) РСм + 8р (Рта - РСм) при идентичных условиях, указанных в работе [4], с учетом эффекта синергизма в виде 8Р = 4(1 - а) а2 [1 - k (1 - &н)], для расчета которого использовали усредненные для КНФП значения k = 0,5 и &н = 0,05 [4].

Общая характеристика возможного фазово-разу-порядоченного состояния в КНФП систем № - Ме203 - Ме - Р: Ме203 (корунд - пр. гр. И 3с (3), Ме - А1, Сг, Fe, Со, ИЬ, Ga; MII0,5Ti0,5, MII0,5V0,5, где М11 - Mg, Мп, Fe, Со, №, Cd), Ме Ме5/3П1/304 или №Ме204 (дефектная уМе203 или нормальная шпинель - пр. гр. Fd3m (8), Ме - А1, Fe, Сг), Ме (структурный тип Mg -пр. гр. Р63/ттс (2), Ме - А1, Сг, Мо, W, V, Та), фос-

фиды МеР (сфалерит - пр. гр. F 43т (4), Ме - А1, Ga, Ш), интерметаллиды в системах № - Ме (Ме - А1, Fe, V, Ga, Сг, Тц в частности, №3А1 - пр. гр. Рт3т (2), №А1 - пр. гр. Рт3т (4), A13Ni2 - пр. гр. Р 3т1 (1), A13Ni - пр. гр. Рпта (4)) [5 - 7]. Таким образом, в системах № - Ме203 - Ме - Р возможно образование фаз, дополняющих состав твердой и смазочной компонент КП, а также интерметаллических фаз, которые могут обусловить адгезию покрытия к защищаемой основе.

2. Система N1 - Ме203 (корунд) - Ме - политетрафторэтилен - Р. Для получения эффективных КНФП используют дисперсные материалы в виде простых оксидов состава Ме203 со структурой типа корунда (И 3с (3)), ультрадисперсные металлические порошки и твердый смазочный материал, в частности политетрафторэтилен (ПТФЭ), который существенно улучшает антифрикционные свойства любого покрытия. Результаты моделирования фазово-разупоря-доченного состояния некоторых КНФП и свойств их поверхности при трении с поверхностью стали марки Ст45, полученные в соответствии с [4], приведены в табл. 2.

3. Система N1 - Ме02 (структура рутила) - Ме - Р.

Для получения эффективных КНФП используют, в частности, дисперсные материалы в виде простых оксидов состава Ме02 (Ме - Т^ Zг, Се) со структурой типа рутила (пр. гр. Р42/тпа (2)) и ультрадисперсные металлические порошки: Ме - Т^ Zг с гексагональной структурой типа магния (пр. гр. Р63/ттс (2)) или Ме -Сг, Мо, W, V, Та с кубической структурой типа вольфрама (пр. гр. !т3т (2)) [5 -7].

Таблица 1

Фазовый состав и свойства некоторых КНФП системы № - Ме203 - Ме - Р

КП Компоненты и фазовый состав а Скорость линейного износа, /л, мкм/ч Коэффициент трения, f

Ni-P N1, №3Р 0,92 5,95 0,25

№12Р5, №2Р

Ni-P (AI2O3, Al) N1, №3Р, А1203, №;,А1, А1Р 0,89 - 0,90 4,6 - 4,8 0,23

№12Р5, №2Р, А13№2, А13№, А100Н

Ni-P (&2O3, Cr) N1, №3Р, Сг203, Сг№, Сг3Р, СгР 0,89 - 0,90 4,7 - 5,0 0,23

№12Р5, Ni2P, СгООН

Таблица 2 Фазовый состав и свойства некоторых КНФП системы №-Ме2Оз-Ме- ПТФЭ -Р

КП Компоненты и фазовый состав а Скорость линейного износа, /л, мкм/ч Коэффициент трения, f

Ni-P (тв.) N1, Ni3P 0,92 5,95 0,25

(см.) Ni12P5, Ni2P

Ni-P (ПТФЭ) (тв.) Ni, №3Р 0,90 5,0 0,20

(см.) Ni12P5, Ni2P, ПТФЭ

Ni-P (AI2O3, Al, ПТФЭ) (тв.) №, Ni3P, А1203, Ni3A1, А1Р 0,85 0,75 3,8 4,1 0,20 0,17

(см.) №12Р5, Ni2P, A13Ni2, А13№, А100Н, ПТФЭ

Ni-P (Cr2O3, Cr, ПТФЭ) (тв.) Ni, №3Р, Сг203, CrNi, Сг3Р, СгР 0,85 0,75 4,0 4,4 0,21 0,17

(см.) №12Р5, Ni2P, Сг00Н, ПТФЭ

В структуре типа рутила (ТЮ2) катионы Т12+ занимают октаэдрические позиции в гексагональной плотнейшей упаковке анионов. Каркасная структура состоит из цепей ТЮб-октаэдров, в которых каждый октаэдр связан с соседним по двум противоположным ребрам. Между собой эти цепи сочленяются вершинами октаэдров. Соединения структурного типа рутила относятся к ооктаэдрическим структурам, основанным на частичном заполнении (1/2) октаэдрических пустот в ГПУ и принадлежат к следующему ряду структурных типов: Mg (Р63/ттс(2)) ^ FeCl3 (РЗ112(6)) ^ ТЮ2 (Р42/тпа(2)) ^ аА^Оз (И 3с(3)) ^ NiAs (Рб3/ттс(2)) [6, 7].

Результаты моделирования фазово-разупорядо-ченного состояния некоторых КНФП и свойств их поверхности при трении с поверхностью стали марки Ст45 приведены в табл. 3.

Общая характеристика возможного фазово-разу-порядоченного состояния в КНФП систем № - МеО2 -- Ме - Р: МеО2 (рутил - пр. гр. Р42/тпа(2), Ме - Т1, V, Сг, Мп, Ии, Os, 1г, Zr, Мо, W, Ge, Sn, РЬ и возможные разупорядоченные твердые растворы оксидов этих металлов; №2МеО4 (шпинель - пр. гр. Fd3m (8), Ме -V, Сг, Мп, Ge, Sn, РЬ), Ме (структурный тип Mg - пр. гр. Р63/ттс (2), Ме - Ti, Zг, Hf), фосфиды МеР (пр. гр. Р63/ттс и Рстп, Ме = Ti, V, Сг, Мп, Zг, W), Ме3Р (пр. гр. Р42/п и I 4, Ме = И, V, Сг, Мп, Zr), Ме2Р (пр. гр. Р 62т, Ме = К, Мп), интерметаллиды в системах №-Ме (в частности, №3Т1 - пр. гр. Р63/ттс (4), №Т12 -пр. гр. Fd3m (32)) [5 - 7]. Таким образом в системах № - МеО2 - Ме - Р возможно образование фаз, дополняющих состав твердой и смазочной компонент КП, а также вероятных интерметаллических фаз, ко-

торые могут обусловить адгезию покрытия к защищаемой основе.

4. Система N1 - Ме02 - Ме - политетрафторэтилен - Р. Для получения эффективных КНФП кроме дисперсных материалов в виде простых оксидов состава МеО2 (Ме - Т1, Zr, Се) со структурой типа рутила (пр. гр. Р42/тпа (2)) и ультрадисперсных металлических порошков используют твердые смазочные материалы, в частности ПТФЭ. Введение ПТФЭ как правило приводит к существенному улучшению трибологических свойств КНФП. Результаты моделирования фазово-разупорядоченного состояния некоторых КНФП и свойств их поверхности при трении с поверхностью стали марки Ст45, полученные в соответствии с [1], приведены в табл. 4.

Обсуждение результатов моделирования

Использование модифицирующих добавок в виде высокодисперсных порошков оксидов переходных металлов со структурами корунда и рутила в раствор для получения КНФП приводит к существенному улучшению износостойкости (примерно на 20 %) и незначительному снижению коэффициента трения поверхности №-Р покрытий (рис. 1). Эффект улучшения трибологических свойств в этом случае даже несколько выше, чем при использовании в качестве модификаторов твердых смазочных материалов со слоистыми структурами (MoS2 и С (гексагональный графит)). Однако по износостойкости эффект улучшения несколько ниже, чем для КНФП с модифицирующей добавкой в виде ультрадисперсного нитрида бора (рис. 1).

КНФП Компоненты и фазовый состав а Скорость линейного износа, /л, мкм/ч Коэффициент трения, f

Ni-P N1, №3Р 0,92 5,95 0,25

№12Р5, №2Р

Ni-P (TiO2, Ti) N1, №3Р, ТЮ2, №3Т1, №Т12, Т13Р 0,89 - 0,90 4,6 - 4,8 0,24

М12Р5, №2Р,

Ni-P (ZrO2, Zr) N1, №3Р, ггО2, 0,89 - 0,90 4,5 - 4,7 0,23

N1^, М2Р, NiloZr7,

Таблица 4 Фазовый состав и свойства некоторых КНФП системы № - Ме02 - Ме - ПТФЭ - Р

КНФП Компоненты и фазовый состав а Скорость линейного износа, /П, мкм/ч Коэффициент трения, f

Ni-P (тв.) N1, №3Р 0,92 5,95 0,25

(см.) №12Р5, Ni2P

Ni-P (ПТФЭ) (тв.) N1, Ni3P 0,90 5,0 0,20

(см.) №12Р5, Ni2P, ПТФЭ

Ni-P (TiO2, Ti, ПТФЭ) (тв.) N1, №3Р, ТЮ2, Ni3Ti, NiTi2, Т13Р 0,85 0,75 3,9 4,3 0,21 0,17

(см.) №12Р5, Ni2P, ПТФЭ

Ni-P (ZrO2, Zr, ПТФЭ) (тв.) N1, №3Р, ZrO2, 0,85 0,75 3,8 4,1 0,22 0,18

(см.) №12Р5, Ni2P, Ni10Zr7, ПТФЭ

Таблица 3

Фазовый состав и свойства некоторых КНФП системы М - Ме02 - Ме - Р

о - BN

V - А1203, Сг203 л - ТЮ2, Zr02 = - С Л - MoS2

.. +ПТФЭ

Рис. 1. Диаграмма^ - 1л для КНФП с различными модификаторами без ПТФЭ (а) и с добавлением ПТФЭ (б, в). Свойства рассчитаны для условий трения без жидкого смазочного материала: величина удельной нагрузки Р = 1 МПа, скорость трения 0,048 м/с, сопряженная поверхность -сталь Ст45 - в соответствии с методикой [4]

При совместном введении модификаторов ПТФЭ и оксидов металлов коэффициент трения КНФП существенно снижается (на 20 - 40 % по сравнению с аналогичным показателем для НФП, в зависимости от концентрации ПТФЭ). В этом случае по эффективности модифицирования поверхности покрытия оксиды переходных металлов с указанными структурами занимают промежуточное положения между твердыми смазочными материалами со слоистыми структурами и ультрадисперсным ЕШ (рис. 1 и 2).

(^л^тр) « о — вы

V - А!203, Сгг03 А - ТЮ2, 2Г02 = - С Я - Мо5,

+ПТФЭ

0,5

0.05 0.10 й. 15 о,:о а Рис. 2. Диаграмма (1лfp) - а для КНФП с различными модификаторами

При использовании всех видов модифицирующих добавок в раствор значения износофрикционности КНФП (1л /) закономерно уменьшаются по мере увеличения объемной концентрации а-фаз смазочной компоненты композиционных покрытий (рис. 2).

Выводы

Предложены качественные критерии выбора веществ, которые могут быть использованы как модифицирующие добавки в раствор для получения КНФП на основе №-Р покрытий. В соответствии с критериями проанализирована возможность использования в качестве модификаторов оксидов металлов со структурами корунда и рутила с добавлением соответствующих металлических порошков и ПТФЭ. Проанализировано возможное состояние фазовой разупоря-доченности на поверхности КНФП, инициированное трибомеханическим воздействием сопряженной поверхности стали Ст45. Сравнительным анализом три-бологических свойств, рассчитанных по синергиче-ской модели «концентрационной волны», с аналогичными данными для других КНФП (с модификаторам типа MoS2 и С) установлена их потенциальная эффективность для повышения износостойкости и анти-фрикционности №-Р покрытий.

Работа выполнялась в рамках гранта Президента РФ № МК-1859.2010.8. для государственной поддержки молодых ученых.

Литература

2

Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М., 1976. 152 с.

Синергический эффект в композиционных материалах при трении и износе / В.В. Иванов [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 3. С. 46 - 49.

3. Анализ синергического эффекта в композиционных Ni-P-покрытиях на стали / В.В. Иванов [и др.] // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 4. С. 42 - 44.

4. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. Ростов н/Д., 2006. 112с. Брэгг У., Кларингбулл Г. Кристаллическая структура минералов. М., 1967. 390 с.

Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. М., 1987. 276 с.

7. Уэллс А. Структурная неорганическая химия: в 3 т. Т. 1. М., 1987, 1988. 408 с.

5

6

Поступила в редакцию

24 мая 2011 г.

Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Иванов Валерий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая и неорганическая химия», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Sherbakov Igor Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Motor Transport and Road Traffic Organization», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Ivanov Valeriy Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Common and Inorganic Chemistry», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).