CC BY
14
УДК 541.1: 548.3: 669.018
ФАЗОВАЯ РАЗУПОРЯДОЧЕННОСТЬ И СИНЕРГИЗМ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ N1 - Р ПОКРЫТИЙ
© 2013 г. И.Н. Щербаков *, П.Д. Дерлугян * *, В. Т. Логинов * *
*Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
**ФГУП ОКТБ «ОРИОН»
*South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
**FSUB ODTB «ORION»
Обсуждаются состояние фазовой разупорядоченности на поверхности и эффект синергизма компонентов композиционных Ni—P покрытий. Представлена также возможность моделирования антифрикционных свойств и получения новых эффективных композиционных покрытий.
Ключевые слова: композиционные Ni-P покрытия; фазовая разупорядоченность; эффект синергизма; антифрикционные свойства; моделирование.
Phase disordering condition of the surface and the synergism effect of the compositional Ni-P coating components were discussed in this micro-review. The possible of the anti-frictional properties modeling and receipt of the novel effective compositional coatings was presented.
Keywords: compositional Ni-P coating; phase disordering; synergism effect; anti-frictional properties; modeling.
Введение
Успехи теоретической физики и химии, а также теории диссипативных структур открыли большие возможности для решения задач повышения надежности и долговечности современной техники. С использованием представлений о самоорганизации и саморегулировании связаны возможности изучения и освоения физической природы трения как фундаментального явления. Открываются возможности в создании новых композиционных материалов для трибологиче-ских систем, обладающих уникальными физико-механическими характеристиками. Все это относится и к композиционным покрытиям (КП) с металлической матрицей, которые наносятся на изделия в процессе их изготовления [1, 2]. Использование принципов самоорганизации позволяет значительно снизить основной недостаток этих покрытий - сравнительно небольшую долговечность, определяемую износом в процессе работы толщины слоя КП.
Особое место в области композиционных материалов занимают №-Р покрытия, которые находят все большее применение в машиностроении. Высокая износостойкость такого КП и низкая интенсивность изнашивания сопряженной поверхности, высокие удельные нагрузки и скорости скольжения, сравнительно низкий коэффициент трения и способность сопротивляться значительным циклическим контактным нагрузкам служат важными характеристиками покрытия. Одним из важных свойств КП является технологичность его нанесения с помощью метода химического осаждения и возможность при этом вводить в композит твердые смазочные материалы. Несмотря на большой объем научных исследований, посвященных №-Р покрытиям, имеется сравнительно мало работ, в которых рассмотрены их структурные
состояния в зоне трения, с помощью которых можно объяснить их сравнительно высокие трибологические характеристики [1, 2]. Две концепции - концепция фазово-разупорядоченного состояния поверхности и концепция синергизма трибологических свойств функциональных компонентов КП - в определенной мере предопределяют удовлетворительную интерпретацию их высокой эффективности.
Фазово-разупорядоченное состояние поверхности композиционного покрытия
Функционирование антифрикционных и износостойких материалов в существенно неравновесных условиях в основном определяется индивидуальными характеристиками этих материалов и их способностью участвовать в процессе самоорганизации трибосисте-мы. Важная роль в этом процессе отводится структурной приспосабливаемости поверхностей материалов. Под ней понимают совокупность макроструктурных изменений, минимизирующих энергию трибосистемы. В число этих изменений входят возможные фазовые изменения и изменения макроструктурных характеристик фаз. Можно считать, что в результате этих изменений поверхностные слои материалов переходят в специфическое состояние, которое характеризуется как фазово-разупорядоченное по отношению к исходному состоянию [3, 4]. Данное состояние можно считать откликом самоорганизующейся трибосистемы при ее функционировании и возможным вариантом реализации процесса структурной приспосабливаемо-сти поверхностей. Эффективность этого процесса зависит от возможности участия каждой из фаз в формировании фазовой и структурно-фазовой разупо-рядоченности на поверхности материала.
Методики анализа фазовой и структурной разупо-рядоченности - основных компонентов фазово-разу-порядоченного состояния поверхности антифрикционных материалов и композиционных №-Р покрытий, представлена в работах [1, 2]. Аналогичная методика теоретического анализа фазово-разупорядоченного состояния поверхности использована и для других типов КП, в том числе композиционных №-В покрытий. В случае многофазных материалов, химические и физико-химические свойства которых определяются характером разупорядочения определенных компонентов химической системы по двум и более фазам с разными структурами и свойствами, могут быть также использованы некоторые экспериментальные методы, в частности РФА.
Моделирование антифрикционных свойств композиционных покрытий с учетом эффекта синергизма
Наличие межфазных «дефектов» является прямым следствием фазово-разупорядоченного состояния, особенно для фаз-компонентов системы в ультрадисперсном состоянии [1, 2, 5]. В этом случае может проявляться эффект синергизма - отклонение свойства материала от величины, которая может быть получена по аддитивной схеме с учетом индивидуальных характеристик фаз. В соответствии с моделью «концентрационной волны» [1] трибологическое свойство Р (скорость линейного износа или коэффициент трения) КП может быть представлено следующим образом:
Р° = а <Р°та> + (1-а) <Р°См> + 8р(<Р°тв > - <Р°См>),
где 8Р = 4(1 - а) а2 [1 - k (1 - кн)] характеризует относительную величину эффекта синергизма для соответствующего свойства, символ а означает объемную долю твердой компоненты КП в двухкомпонентном (твердая + смазочная) приближении, параметры k и к^ -размерный и наноструктурный факторы соответственно.
Параметр наноструктурности кн рассматривается как регулировочный параметр, который необходим для согласования расчетных и экспериментальных данных [1, 5]. Учет этого параметра при кн Ф 0 может привести к существенному усилению эффекта синергизма 8Р = 2(1-а)а2 (1+кн) и уточнению трибологиче-ских характеристик КП [2]. Экспериментально установлено [6], что для КП разного фазового состава параметр к^ принимает значения в интервале от 0,03 до 0,17 и характеризует объемную долю наночастиц (или микрочастиц) фаз твердых компонент трибосоп-ряженных поверхностей. Если принять во внимание влияние вклада твердой компоненты контртела (КТ) в объемную концентрацию ультрадисперсных частиц (в том числе и наночастиц) на величину синергического эффекта 8/ = 8у = 8, то можно оценить соответствующие изменения значений трибологических свойств. Величина параметра к^ (0 - 0,17) зависит от соотношений индивидуальных механических, физико-химических и трибологических характеристик КП и КТ [1]. Учет твердой компоненты КТ и возможного ее вклада в объемную концентрацию ультрадисперсных
частиц в зоне трибоконтакта позволяет существенно уточнить расчетные значения трибологических характеристик пары трения КП-КТ в различных трибоси-стемах.
В процессе трения на поверхности КП происходит образование множества фаз и существенное увеличение поверхностной доли кгХ межфазных границ -областей поверхности с аномально высокой концентрацией микродефектов и повышенной концентрацией фаз смазочных материалов. Если фазы твердой компоненты КП представлены гладкими квазисферическими микрочастицами со средним размером <й/> « 1 мкм, а ширина межфазной границы <а> не превышает 1 нм, то отношение этих размеров е = (<a>/<d>) « 10-3. В этом случае поверхностная и объемная доли межфазных границ могут быть соответственно представлены следующим образом: кг Х = 2е (1 - 2е), кт У « 3 кг Х [7]. Тогда относительная величина эффекта синергизма для свойства Р определяется через доли межфазных границ:
8р = 2(1 - а) а2 [1 + а = 2(1 - а) а2 [1 + 3а кг,х)].
Однако параметр кт,г для КП на основе системы №-Р в этом случае составит приблизительно 6-10"3, что на порядок ниже величины, необходимой для объяснения синергического эффекта [2, 7].
В случае существенного отклонения конфигурации межфазных границ от гладкой всюду дифференцируемой криволинейной поверхности будем считать ее фрактальной [7]. Сечения микрочастиц с такой поверхностью - замкнутые фрактальные линии, которые можно аппроксимировать, в частности, кривой Коха или меандром. Представляя всю поверхность трения как упаковку определенных многоугольников, на втором шаге фрактализации их сторон имеем е2 < 4-10-2, а максимальное значение параметра кг,х « 8-10"2, что по порядку величины уже соответствует уровню, необходимому для объяснения существенной части эффекта синергизма трибологических свойств КП на основе систем №-Р [2] и №-В.
Учет параметра наноструктурности и параметра квазифрактальности конфигурации межфазных границ использован при анализе величины синергического эффекта в ряде работ, посвященных моделированию антифрикционных свойств КП [1, 2, 7]. Одновременный учет вероятного синергизма свойств компонентов КП и анализ возможного фазово-разупоря-доченного состояния трибосопряженных поверхностей позволил авторам работы [8] осуществить целенаправленный выбор эффективных модификаторов для КП на основе никельсо-держащих систем. Теоретическим обоснованием данной методики моделирования послужили методы модулярного и модульного дизайна объемных и плоских, цилиндрических и сферических наноструктур, а также поверхностных квазифрактальных структур, реализованные, в частности, в работах [9 - 13].
В качестве примера приведем описание композиционного модифицированного №-Р покрытия, представленного в работе [2]. Данное покрытие предназначено для повышения износостойкости режущего и
штамповочного инструмента, пресс-форм, продления срока службы механизмов, работающих в коррозион-но-абразивных средах. Метод нанесения - химическое осаждение на рабочие поверхности, в том числе сложной конфигурации. Разнотолщинность 1 - 2 мкм.
Технические характеристики покрытия:
- адгезия к металлической подложке 400 - 550 МПа;
- микротвердость 12000 - 14000 МПа;
- эксплуатационная толщина 3 - 100 мкм;
- пористость отсутствует; обладает высокими противозадирными свойствами.
Покрытие обеспечивает повышение срока службы режущего инструмента в 2 - 3 раза, рабочих органов машин и механизмов, работающих в коррозионно-абразивных средах, в 3 - 5 раз.
Выводы
Таким образом, комплексная синергическая модель описывает трибологические свойства поверхности однородных КП. Модель основана на одновременном учете параметра наноструктурности и параметра, характеризующего квазифрактальный характер конфигурации межфазных границ. Оба регулировочных параметра модели однотипны и являются дополняющими друг друга. Они обусловлены определенными концентрационными долями фаз твердой компоненты КП, которые проявляют при трении свойства смазочных материалов. Соотношение этих параметров может принимать значения порядка 10-1 и зависит от фазового состава КП, концентраций и индивидуальных характеристик фаз твердых и смазочных материалов.
Показана возможность моделирования вероятного фазового состава, характера распределения фаз и уровня проявления коэффициента трения и скорости линейного износа КП. В модели при фиксированных условиях трибологического контакта учитывается влияние фазового состава и характера распределения фаз в объеме и на поверхности покрытия, фазового состава КТ (стали), особенностей геометрии межфазных границ и объемной доли в зоне трибосопряжения вероятных наночастиц твердых фаз на трибологиче-ские свойства КП. Модель апробирована на примере никельсодержащих КП систем №-Р - фторопласт.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образованмя и науки Российской Федерации, соглашение 14.U01.21.1078.
Поступила в редакцию
Литература
1. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ростов н/Д., 2008. 112 с.
2. Щербаков И.Н., Иванов В.В., Логинов В.Т. и др. Химическое конструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Ростов н/Д., 2011. 152 с.
3. Иванов В.В. Состояние структурно-фазовой разупорядо-ченности и свойства неорганических материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2001. № 3. С. 60 - 61.
4. Иванов В.В. Концепция фазово-разупорядоченного состояния поверхности антифрикционных и износостойких покрытий на сталях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спецвыпуск. Проблемы трибоэлектрохи-мии. 2005. С. 128 - 130.
5. Иванов В.В., Иванов А.В., Щербаков И.Н., Башкиров О.М. Синергический эффект в композиционных материалах при трении и износе // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 3. С. 46 - 49.
6. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Башкиров О.М., Логинов В.Т. Анализ синергического эффекта в композиционных №-Р-покрытиях на стали // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 4. С. 42 - 44.
7. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование антифрикционных свойств композиционных покрытий с учетом вероятных конфигураций межфазных границ // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 3. С. 54 - 57.
8. Щербаков И.Н., Иванов В.В. Анализ возможных модификаторов для получения композиционных №-Р покрытий с антифрикционными свойствами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 5. С. 47 - 50.
9. Иванов В.В. Моделирование гомологических рядов соединений, включающих фрагменты структуры шпинели // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 1996. № 1. С. 67 - 73.
10. Иванов В.В., Таланов В.М. Механизм превращения фазы со структурой типа шпинели в ромбическую Fddd-фазу // Неорганические материалы. 1995. Т. 31, № 2. С. 258 - 261.
11. Иванов В.В., Таланов В.М. Модулярное строение наноструктур: Информационные коды и комбинаторный дизайн // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2010. Т. 1, № 1. С. 72 - 107.
12. Иванов В.В., Таланов В.М., Гусаров В.В. Информация и структура в наномире: модулярный дизайн двумерных наноструктур и фрактальных решеток // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2011. Т. 2, № 3. С. 121 - 134.
13. Иванов В.В., Таланов В.М., Гусаров В.В. Символьное описание структурных типов кристаллов // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2012. Т. 3, № 4. С. 82 - 100.
24 сентября 2012 г.
Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Дерлугян Петр Дмитриевич - канд. техн. наук, доцент, директор-главный конструктор ФГУП ОКТБ «Орион», академик РИА, почетный работник высшего образования РФ.
Логинов Владимир Тихонович - д-р техн. наук, профессор, академик РИА, член Российского национального комитета по трибологии, зам. директора-гл. конструктора по научной работе и инновационной деятельности. Sherbakov Igor Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Motor transport and Road Traffic Organization», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Derlugian Petr Dmitrievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, director-general constructor FSUE SCTB «ORION».
Loginov Vladimir Tikhonovich - Doctor of Technical Sciences, professor, deputy director of science FSUE SCTB «ORION».
