Моделирование антифрикционных свойств однородных композиционных покрытий на поверхности стальных деталей узлов трения с учетом свойств твердой компоненты контр-тела Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 669.018:548.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОДНОРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ ТВЕРДОЙ КОМПОНЕНТЫ КОНТР-ТЕЛА

© 2010 г. В.В. Иванов, И.Н. Щербаков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Проанализировано влияние свойств твердой компоненты контр-тела (КТ) в трибосистеме КП/Е/КТ на характеристики композиционного покрытия (КП). Обсуждается аддитивная модель «концентрационной волны» и влияние параметра наноструктурности на значения коэффициента трения и скорости линейного износа КП.

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

The influence of solid component properties of the counter-body (CB) to compositional cover (CC) characteristics in the tribosystem CC/D/CB was analyzed. The additive model of «concentration wave» and the influence of nanostructural parameter onto values of the CC friction coefficient and the velocity of linear wear are disscused.

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

Введение

Повышение работоспособности и долговечности деталей машин и особенно деталей узлов трения является одной из актуальных задач современного машиностроения. Для улучшения трибологических характеристик стальных деталей узлов трения используется, в частности, методы нанесения на их поверхность композиционных покрытий, обладающих более высокими антифрикционными свойствами и стойкостью к механическому и коррозионному износу [1]. В связи с этим задача прогноза и целенаправленного выбора состава композиционных покрытий с необходимым для практического использования в определенных узлах трения комплексом свойств является актуальной. Целью настоящей работы является изучение возможного влияния индивидуальных характеристик контр-тела на величины антифрикционных свойств композиционных покрытий на поверхности стальных деталей узлов трения.

Моделирование антифрикционных свойств КП

В соответствии с моделью «концентрационной волны» [1, 2] скорость линейного износа 1° и коэффициент трения f композиционного покрытия (КП) могут быть представлены следующим образом:

1° = а <1°та> + (1-а) <1°См> + 81(<1°тв > - <1°см>);

/ = а </та> + (1-а) </См> - 8/</та > - </См>),

где 81 = 8/ = 8 = 4(1 - а) а2 [1 - k (1 - &н)] - характеризуют относительные величины эффекта синергизма для соответствующего свойства, символ а означает объемную долю твердой компоненты КП в двухком-

понентном (твердая + смазочная) приближении, параметры k и к^ - размерный и наноструктурный факторы, соответственно.

Влияние твердой компоненты контр-тела

Если величины 1°КТ и /КТ характеризуют триболо-гические свойства контр-тела (КТ) в соответствии с [1] (при условиях 1°КТ > 1° и /КТ > /), тогда имеем

I = а' <1°> + (1-а') <1°См> + 8'(<°'тв > - <1°см>);

/ = а' </> + (1-а') </°См> - 8'(</°тв > - </»>),

где а' = а + Да , <1°'та> = <1°та> - А1тв> ,

</> = </> + А/в .

Принимая во внимание наиболее вероятные соотношения кКТ = к = 0,5; кнКТ = кн = 0 [1 - 3] и пренебрегая членами, которые содержат (Да)2 и (Да)3, имеем следующее выражение для величины относительного эффекта синергизма 8' = 2(1 - а) а2 -2а (3 а - 2) Да = = 8 - Д8, где величина Д8 - изменение амплитуды эффекта. Тогда изменения трибологических свойств КП следующие:

1 - 1° = (Да - Д8) (<1°та > - <1°См>) + (а + 8) Д1тв;

/-/ = (Да + Д8) (</„ > - </°см>) + (а - 8) /

В данных соотношениях не указаны члены, содержащие произведения малых величин Д8Д/Гв, ДаД/в, Д8Д1ГВ и ДаД1тв .

Влияние наноструктурного фактора

Параметр наноструктурности кн в модели «концентрационной волны» рассматривается как регулировочный параметр, который необходим для согласо-

вания расчетных и экспериментальных данных [1]. Учет этого параметра при к^ ф 0 может привести к существенному усилению эффекта синергизма 81 = 8/ = = 8 = 2(1-а)а2 (1+кн) (увеличению в (1+кн) раз) и уточнению трибологических характеристик КП [1]. Экспериментально установлено [2 - 10], что для КП разного фазового состава параметр кн принимает значения в интервале от 0,03 до 0,17 и характеризует объемную долю наночастиц (или микрочастиц) фаз твердых компонент КП и КТ со специфической формой, которые могут находиться в зоне трибоконтакта.

Обсуждение результатов

Установлено, что с увеличением объемной доли твердой компоненты КТ в зоне трибоконтакта с КП (при условиях 1°КТ > 1° и /°КТ > /°) при фиксированных значениях а значения/и 1 закономерно увеличиваются (рис. 1). Определено, что при фиксированных значениях а разность величин Д8/ = /-/) < 0 и по модулю линейно возрастает при увеличении Да, (</°1в> -

- </см>) и Д/та (рис. 2 а). Значения разности Д81 = = (1 - 1°) < 0 и аналогичным образом закономерно изменяется в зависимости от а, Да, (<1°тв>-<1°см>) и Д1тв (рис. 2 б).

Зависимости изменений относительных значений эффектов синергизма от а имеют экстремальный характер (рис. 3). Для концентрационных зависимостей (Д8//) и (Д81/1) координаты экстремумов соответственно равны 0,667 (рис. 3 а) и приблизительно 0,90 (рис. 3б). Это означает, что в интервале значений объемных концентраций твердой компоненты а от 0,667 до 0,90 износофрикционность КП (/*1) будет оптимальна.

Если принять во внимание влияние вклада твердой компоненты КТ в объемную концентрацию ультрадисперсных частиц (в том числе и наночастиц) со специфической (сферической или цилиндрической) формой на величину синергического эффекта 81 = 8/ = 8, то можно оценить соответствующие изменения значений трибологических свойств (рис. 4).

f

0,26 0,22 0.18 0.14 0Л0 0.06

I, мкм/ч

26 П

18 14 10

0.2 0.4 О.б 0.8 1.0

а

б

Рис. 1. Концентрационные зависимости коэффициента трения (а) и скорости линейного износа (б) при различных объемных долях твердой компоненты КТ (Ст45) в зоне трибоконтакта с КП системы никель - фосфор - фторопласт

ASf

О

-0.01 - 0,02 - 0,03 -0,04

0 11.2 0,4 0.6 0,8 а

ASf

f

AS 0

0 0 -0 -3

0.2 -0,5 - -6

0.4 -1 \ /'"'"'х^ - 0.4 - 9

0,6

-1.5 0.6 - 12

0,8

- Х 0,8 - 15

100 %

J_1

а

б

а

ASj

~Г

о

-100 %

а

б

Рис. 2. Влияние вклада КТ (Ст45) в объемную долю Рис. 3. Влияние вклада КТ (Ст45) в объемную долю

фаз твердой компоненты КП системы никель - фосфор - фаз твердой компоненты КП системы никель - фосфор -

фторопласт на изменение абсолютной величины эффекта фторопласт на изменение относительных величин эффекта

синергизма для коэффициента трения (а) и скорости синергизма для коэффициента трения (а) и скорости линейного износа (б) линейного износа (б)

а

а

а

а б

Рис. 4. Концентрационные зависимости коэффициента трения (а) и скорости линейного износа (б) при различных объемных долях твердой компоненты КТ (Ст45) в зоне трибоконтакта с КП системы никель - фосфор - фторопласт

и двух значениях наноструктурного параметра кн

Качественный характер концентрационных зависимостей абсолютных и относительных изменений синергического эффекта (рис. 5) отличается от приведенных ранее (см. рис. 2 и 3) и имеет экстремальный характер. Улучшение величин свойств в (1+кн) раз определяется параметром кн, величина которого (0 - 0,17) зависит от соотношений индивидуальных механических, физико-химических и трибологических характеристик КП и КТ [2]. В определенном смысле (при условиях, описанных выше) данная поправка при расчете свойств КП частично компенсирует поправку, учитывающую вклад КТ в концентрацию твердой компоненты в зоне трибоконтакта.

AS

f

одно

0,005

о

ASf

н 0,15

о

., ., - ... I ...,.-. Л и

н 0,15

100 %

н

0.15 о

" ■: ".I ......и

AS, I 12 б 0

| | | | | |

,, :. : | ... и 100 %

н 0.15

, ... J ., | .,,.,. и

Рис. 5. Влияние вклада КТ (Ст45) в объемную долю ультрадисперсных фаз твердой компоненты КП системы никель -фосфор - фторопласт на изменение абсолютных (верхний ряд) и относительных величин эффекта синергизма для коэффициента трения (а) и скорости линейного износа (б) при значениях параметра кн = 0 и 0,15

зволяет уточнить расчетные значения трибологиче-ских характеристик пары трения КП - КТ в различных трибосистемах.

Выводы

Проанализирована возможность моделирования вероятного фазового состава, характера распределения фаз и уровня проявления некоторых трибологиче-ских свойств (коэффициента трения, скорости линейного износа) композиционных покрытий. В предлагаемой модели «концентрационной волны» при фиксированных условиях трибологического контакта учитывается влияние фазового состава и характера распределения фаз в объеме и на поверхности покрытия, состава контр-тела (стали), особенностей геометрии межфазных границ и объемной доли в зоне три-босопряжения вероятных наночастиц твердых фаз на свойства композиционного покрытия [1, 2]. Результаты апробации модели на примере никельсодержащих композиционных покрытий систем № - Р - фторопласт и № - В - фторопласт приведены в работах [2 -10]. Там же приведены результаты моделирования фазового состава, трибологических, механических и электрофизических свойств вероятных высокоэффективных композиционных покрытий на стальных изделиях (см., например, [6, 8]).

Результаты работы могут быть использованы для прогноза и целенаправленного выбора состава композиционных покрытий с необходимым для практического использования в определенных узлах трения комплексом свойств.

Таким образом, учет твердой компоненты КТ и возможного ее вклада в объемную концентрацию ультрадисперсных частиц в зоне трибоконтакта по-

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

Литература

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

2. 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. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Синергизм компонентов в композиционных никель-фосфорных покрытиях, используемых для повышения эксплуатационных свойств деталей автомобилей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 4. С. 116 - 118.

4. Антифрикционность и износостойкость фазово-разупоря-доченных никель-фосфорных покрытий / В.В. Иванов [и др.]. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2005. Спецвыпуск. Композиционные материалы. С. 50 - 52. [Приложение].

5. Анализ синергетического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель - бор - фторопласт /

Поступила в редакцию

В.В. Иванов [и др.]. // Журн. прикл. химии, 2006. Т. 79, вып. 4. С. 619 - 621.

6. Анализ синергетического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель - фторопласт /

B.В. Иванов [и др.]. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спец. выпуск. 2007. С. 94 - 99.

7. Анализ синергетического эффекта в электролитических покрытиях на основе никеля / В.В. Иванов [и др.]. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. № 5.

C. 56 - 58.

8. Анализ фазовой разупорядоченности в электролитических покрытиях никель-бор / В.В. Иванов [и др.]. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 4. С. 123 - 128.

9. Анализ синергетического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель - фторопласт / В.И. Балакай [и др.]. // Журн. прикл химии, 2008. Т. 81, вып. 12. С. 2059 - 2061.

10. Анализ фазовой разупорядоченности в электролитических покрытиях никель-бор / В.И. Балакай [и др.]. // Журн. прикл. химии. 2009. Т. 82, вып. 5. С. 797 - 802.

16 сентября 2010 г.

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

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

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

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