Моделирование антифрикционных свойств композиционных никельсодержащих покрытий с учетом вероятных конфигураций межфазных границ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 669.018:548.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ С УЧЕТОМ ВЕРОЯТНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ

© 2012 г. К.В. Мурзенко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Проанализировано влияние вероятных конфигураций межфазных границ на трибологические характеристики композиционного никельсодержащего покрытия. Обсуждается аддитивная модель «концентрационной волны» с учетом влияния фрактальности межфазных границ на значения антифрикционных свойств композиционных покрытий.

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

The influence of possible configurations of the interphase boundaries to compositional nickel containing covers tribologic characteristics was analyzed. The additive model of «concentration wave» and the influence of fractal parameter of the interphase boundaries onto values of the compositional covers antifrictional properties are discussed.

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

Введение

В соответствии с моделью «концентрационной волны» [1] скорость линейного износа 1° и коэффициент трения /° композиционного покрытия (КП) могут быть представлены следующим образом:

1° = а <1°та> + (1-а) <1°См> + 51(<1°тв > - <1°См>); (1)

/ = а </та> + (1-а) <Ам> - 8/</°тв > - </см>), (2)

где 87 = 8/ = 8 = 4(1 - а) а2 [1 - k (1 - кн)] - характеризуют относительные величины эффекта синергизма для соответствующего свойства; символ а означает объемную долю твердой компоненты КП в двухком-понентном (твердая + смазочная) приближении; k и &н - размерный и наноструктурный параметры соответственно.

Данное представление основано на предположении о том, что в процессе трибоконтакта с сопряженной поверхностью износ более пластичной смазочной компоненты КП уменьшается за счет ее «вмазывания» в макродефекты и межкристаллитное пространство фаз твердой компоненты и «намазывания» на поверхности этих фаз по межфазным границам, которые характеризуются высокой концентрацией микродефектов. В связи с этим на поверхности однородных КП имеем самовосстанавливающийся при трении слой с повышенной концентрацией фаз смазочной компоненты («концентрационную волну»). Размерный параметр k принимается равным 0,5 [1], а модельный параметр наноструктурности кн может быть определен из экспериментальных данных по трибологическому свойству Р(э) КП из следующего соотношения: 1 + кя =

= (А - а)/(2(1 - а)а2), в котором разность (А - а) характеризует относительное отклонение экспериментально определенного свойства от его значения, рассчитанного по аддитивной модели, А = (Р(э) - Рсм)/(Ртв - Рсм), где Р(э) = аРта + (1 - а) Рм + 8Р (Рта - Рж) = Радд + +8р (Ртв - Рсм).

Отметим, что в рамках данной модели параметр к^ описывает объемную концентрацию микрочастиц (в том числе и наночастиц) твердых фаз специфической формы, которые в связи с этим проявляют свойства смазочных материалов. Установлено, что параметр кн для разных КП на основе покрытий системы № - Р принимает значения (0 - 3)-10"2 [1], а для электролитических КП (КЭП) на основе покрытий системы № - В - значения (7 - 15)-10"2 [2].

В структуре №3В атомные сетки 3243 4 из никеля образуют систему из тригональных и тетрагональных призм. Атомы бора в тригональных призмах и атомы никеля в тетрагональных призмах, близких к гексаэдру, образуют две совмещенные в плоскости и слегка искаженные квадратные сетки 44 В структуре №2В ближайшие никелевые сетки 32434 смещены относительно друг друга и формируют систему из тетрагональных антипризм и тетраэдров двух сортов. Атомы бора занимают центры антипризм, образуя квадратную сетку. В структуре №В атомы никеля образуют систему из пустых тригональных призм и занятых атомами бора тетрагональных призм. Низкобористые фазы никеля входят в состав твердой компоненты КЭП и при трении подвергаются диспергированию как за счет механического воздействия со стороны сопряженной поверхности трибосистемы, так и за

счет динамичного процесса структурно-фазовой разу-порядоченности, который сопровождается многократными обратимыми фазовыми превращениями вида «симметричная фаза - диссимметричная фаза». В этом случае вероятно образование наночастиц в виде многослойных пакетов, состоящих из двухслойных фрагментов, в частности, таких как на рис. 1. Предполагается, что часть из них по своим характерным размерам (1,2 - 2,5 нм) и по форме (близкой к сферической или цилиндрической) будут соответствовать теоретически учитываемым в формулах (1) и (2) с помощью параметра кн.

Рис. 1. Изображения двухслойных фрагментов структур боридов никеля в направлении, перпендикулярном 32434- сетке атомов никеля

Моделирование антифрикционных свойств покрытий

Учет наличия межфазных границ. В процессе трения на поверхности КЭП происходит образование множества фаз и существенное увеличение поверхностной доли кг8 межфазных границ - областей поверхности с аномально высокой концентрацией микродефектов и повышенной концентрацией фаз смазочных материалов. Если фазы твердой компоненты КЭП представлены гладкими квазисферическими микрочастицами со средним размером < сС > « 1 мкм, а ширина межфазной границы < а > не превышает 1 нм, то отношение этих размеров 8 = (< а >/< С >) « 10-3.

В этом случае поверхностная и объемная доли межфазных границ могут быть соответственно представлены следующим образом:

кг,£ = 2е (1 - 2е), КУ = 6г (1 - 2г (1 + 0,6678)) « 3 к^.

Тогда относительная величина эффекта синергизма для свойства Р определяется через доли межфазных границ:

= 2(1 - а) а2 [1 + а ктУ)] = 2(1 - а) а2 [1 + 3а к^)].

Однако параметр кгУ для КЭП на основе покрытий системы никель - бор в этом случае составит приблизительно 610-3, что на порядок ниже величины, необходимой для объяснения синергического эффекта.

Учет конфигурации межфазных границ. В случае существенного отклонения конфигурации межфазных границ от гладкой всюду дифференцируемой криволинейной поверхности будем считать ее фрактальной. Сечения микрочастиц с такой поверхностью - замкнутые фрактальные линии, которые можно аппроксимировать кривой Коха с генератором 1/1 (т.е. К(1//)) (рис. 2), обладающей следующими свойствами:

1) длина кривой на /-м шаге генерирования (шаге фрактализации) L{n},/ = L{n},0 т1'2 (1 < т < 2);

2) площадь сечения не зависит от числа шагов фрактализации, т.е. Б^ф = £{п},0;

3) размерность кривой Di определяется из уравнения N = (1//)^, где генератор 1// = N L{n},0/L{n},1 = = N/ml12, по следующей формуле: Di = /nN/(lnN -- 0,5/пт) > 1.

Выше использованы следующие обозначения: L{n} и 5{п} - соответственно длина и площадь сечения микрочастиц в виде правильного п-угольника; N - количество одинаковых отрезков, образующихся из каждой стороны п-угольника при одном шаге фрактализации; / - множитель, характеризующий изменение пространственного размера отрезка за один шаг.

д е ж з

Рис. 2. Идеализированные представления фрагментов поверхности фаз твердой компоненты КЭП в виде упаковки микрочастиц - п-угольников (а - г) и соответствующие формы этих микрочастиц после 3-го шага фрактализации межфазных границ (д - з)

б

а

в

г

Характеристику изменения длины фрактальной линии при N = 4 за один шаг фрактализации определим как mm = Lw, m /L{„}, = (2/(1 - cosy))1/2, где у = = (n - 2)rc/n - внутренний угол правильного n-угольника. Тогда при изменении n, например, от 4 до 12 размерность линий будет закономерно изменяться от 1,333 до 1,161, а при n ^ да величина Di ^ 1. Представляя всю поверхность трения как упаковку многоугольников с различными параметрами n и y, определяем усредненную по всем q многоугольникам характеристику <m1/2> следующим образом:

<m1/2> = (1/q)Zqj=1 (L{n}j, i+1 /L{n}j,) = 1/cosP,

где p < y/2 = (rc/2) - (rc/n) и выполняется условие Sqj=1 ^{n}j, i = Sqj=1 S{n}j, о = q S{n},0 при любом i-м шаге фрактализации. Если усредненные значения ширины межфазных границ и размеров микрочастиц твердых фаз определить соответственно как <a> = (<L{n}, i >/4n) sinp и <d> = 2(S{n}, 0/rc)1/2 = 41' (<L{n}, i >/4n <mi/2> sin(rc/n)), то их отношение равно е,- = (<ai>/<d>) = 4-1 tgp sin(rc/n) x x(cosP)(1 - ° (рис. 3).

Выводы

Таким образом, в данной работе предлагается комплексная синергическая модель «концентрационной волны», описывающая трибологические свойства Р поверхности однородных КЭП. Данная модель основана на одновременном учете параметра нанострук-турности кн и параметра кг,& характеризующего квазифрактальный характер конфигурации межфазных границ, следующим образом: Р = аРта + (1 - а) Рсм + + 8р (Ртв - Рсм), где 8р = 2(1 - а) а2 [1 + К + а кг,5)].

Оба регулировочных параметра модели кн и кт8 однотипны и в связи с этим являются дополняющими друг друга. Они обусловлены определенными концентрационными долями фаз твердой компоненты КЭП, которые по соответствующим причинам проявляют при трении свойства смазочных материалов. Соотношение этих параметров (кн /(а кгХ)) может принимать значения порядка 10-1 и зависит от фазового состава КЭП, концентраций и индивидуальных характеристик фаз твердых и смазочных материалов.

а1

а2 3

а б

Рис. 3. Схема перехода от сферических и квазисферических микрочастиц к и-гранным и соответствующая трансформация представлений о конфигурации межфазных границ (а); условная ширина межфазной границы, приблизительно равная а, на третьем шаге = 3) фрактализации стороны и-угольника с у = 2тс/и (б)

В этом случае при р < (тс/4) и среднем значении < и > > 6 на втором шаге фрактализации (I = 2) имеем е2 < 4 • 10-2, а максимальное значение параметра кгХ = 2е2 (1 - 2е2) « 8 • 10-2, что по порядку величины уже соответствует уровню, необходимому для объяснения синергизма трибологических свойств КЭП на основе покрытий системы никель - бор.

Литература

1. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. Ростов н/Д., 2006. 112 с.

2. Иванов В.В., Иванов А.В., Балакай В.И., Арзуманова А.В. Анализ синергетического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель - бор - фторопласт // Журн. прикладной химии. 2006. Т. 79, вып. 4. С. 619 - 621.

У

Поступила в редакцию 26 декабря 2011 г.

Мурзенко Ксения Владимировна - аспирант, кафедра «Технология электрохимических производств, аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-906-453-15-18. E-mail: [email protected]

Murzenko Kseniy Vladimirovna - post-graduate student, department «Technology Electrochemical Production, Analytic Chemistry, Standardization and Certification», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-906-453-15-18. E-mail: [email protected]