Возможная фазовая и структурно- фазовая разупорядоченность в металл (IV, v)- углеродных покрытиях на стальных деталях автомобилей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 548.1

ВОЗМОЖНАЯ ФАЗОВАЯ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВАЯ РАЗУПОРЯДОЧЕННОСТЬ В МЕТАЛЛ (ГУ,У)-УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЯХ НА СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЯХ

АВТОМОБИЛЕЙ

© 2008 г. И.Н. Щербаков, В.В. Иванов, А.В. Иванов, С.И. Марченко

Южно-Российский государственный South-Russian State Technical University

технический университет (Novocherkassk Polytechnic Institute)

(Новочеркасский политехнический институт)

С позиции кристаллохимии и трибохимии проведен анализ возможных фазовых и структурных состояний компонентов системы Ме-С, которые могут присутствовать на поверхности металл-углеродных покрытий при механическом воздействии.

Ключевые слова: фазовая разупорядоченность, Ме-С-покрытия, твердые растворы, кристаллическая структура.

Thecrystal chemical and tribochemical analysis of the possible phase and structural conditions of Me-C system components which may be present on the surface of metal-carbon covers after mechanical influences were made.

Keywords: phase disorder, Ме-С-covering, hard solutions, crystalline structure.

Для повышения износостойкости и твердости низколегированных сталей используют металл-углеродные покрытия, в частности титан-углеродные и ванадий-углеродные покрытия, которые обладают к тому же высокой электропроводностью и являются тугоплавкими [1, 2]. Эти свойства покрытий обусловлены образующимися монокарбидами МеС и карбидами металлов переменного состава МеСьх.

Известно, что карбиды МеС (где Ме - Т^ Zr, Щ V, ЫЬ, Та) кристаллизуются в структурном типе ЫаС1 (рт3т, 2=4) [2]. Такую же структуру имеют и разупо-рядоченные фазы МеСь* в определенном интервале значений параметра состава х. В структурах деления МеСь* атомы углерода разупорядочены по кристаллографическим позициям 4(6) решеточного комплекса F гранецентрированной кубической решетки. Кроме разупорядоченных фаз в этих системах возможно образование упорядоченных фаз состава МеаСЬ, где (Ь/а) = 1-*0. В этих фазах параметр состава *0 может принимать только определенные значения, например, 1/4 ^Сз), 1/6 ^С5) и 1/8 ^С7) [3, 4]. При внешних механических воздействиях на покрытие возможны процессы, связанные как с образованием новых разу-порядоченных фаз, частично и полностью упорядоченных фаз, так и с образованием их низкосимметричных модификаций. Проанализируем возможные состояния фазовой и структурно-фазовой разупорядо-ченности, которые могут реализоваться в этом случае в металл-углеродных покрытиях.

Определим, что фазовую разупорядоченность будем рассматривать как явление неравномерного распределения компонентов системы Ме-С по фазам разного состава с соответствующими структурами, а структурно-фазовую разупорядоченность - как явление распределения компонентов системы по фазам одного состава с различными структурами. Отметим, что в данном случае не рассматривается термодинамический аспект разупорядоченности, а только ее структурная составляющая.

Возможные структуры низкосимметричных модификаций разупорядоченных и частично упорядоченных фаз МеСьх, которые могут образоваться из кубической Fm3m -фазы и обусловить структурно-фазовую разупорядоченность, получены по методике, изложенной в [5], с привлечением необходимых справочных данных [6 - 8] (табл. 1).

Для получения высокосимметричных структур упорядоченных фаз состава МеаСЬ использовали комбинаторный метод моделирования [9], основанный на анализе вероятных топологий, заполненных углеродом, и вакантных октаэдров, образующих октаэдриче-скую упаковку. Идентификацию моделируемых структур (определение симметрии, занятых решеточных комплексов), а также возможных изорешеточных модификаций проводили в соответствии с методикой, изложенной в работе [5] (табл. 2).

Характерные особенности распределения вакансий в структурах упорядоченных кубической и тетрагональных фаз: вдоль направления Z по закону винтовой оси четвертого порядка 42 - в Fm3m и 14/ттт-фазах и по закону инверсионной оси четвертого порядка 4 - в Р4/ттт-фазах. Для ромбоэдрических фаз характерно распределение вакансий в направлениях типа [111] по закону поворотной оси третьего порядка в Р 3т1-фазах или винтовых осей 3! и 32 в R 3т-фазах. Для фаз состава V8C7 ^т3т (4)) и V6C5 ^ Ът (1)) обнаруженные закономерности согласуются с известными экспериментальными данными [4].

В заключение отметим, что склонностью к образованию аналогичной фазовой и структурно-фазовой разупорядоченности обладают и Ме-Ы-покрытия состава МеЫ1-х, где Ме - Т^ V, Zr, ЫЬ. Они отличаются жаропрочностью, тугоплавкостью, твердостью и износостойкостью [1, 2, 4]. Однако сведения об упорядоченных фазах вида МеЫ^ в литературе отсутствуют.

Таблица 1

Характеристика возможных структур низкосимметричных модификаций кубической разупорядоченной Fm3m-фазы МеС1-д.

Решеточный комплекс, занятый атомами С Симметрия структуры (z) Метрические параметры элементарной ячейки структуры

F - 4(ô) Fm3m (4) ао (куб.)

F - 4(b) F432 (4), F 43m (4), Fm3 (4), F23 (4) ао (куб.)

F - 4(b) Fmmm (4), F222 (4) а0, а0, а0 (ромбич.)

F{z} - 4(a) Fmm2 (4)

I - 2(b) I422 (2), I 4m2 (2), I 42m (2), I4/m (2), I 4 (2) 2-1/2а0, а0 (тетрагон.)

I{z} - 2(a) I4mm (2), I4 (2)

I - 2(b) Immm (2), I222 (2) 2-1/2а0, 2-1/2а0, а0 (ромбич.)

I{z} - 2(a) Imm2 (2)

R - 3(b) R 3m (3), R32 (3), R 3 (3) 2-1/2а0, а и 60 °(ромбоэдр.)

R{z} - 3(a) R3m (3), R3 (3)

C - 2(d) B2/m (2) а0, 2-1/2а0, а0, Р и 90 ° (монокл.)

CM - 2(a) B2 (2)

C{xz} - 2(a) Bm (2)

Таблица 2

Характеристика возможных структур упорядоченных фаз состава MeaQ, и их низкосимметричные модификации

Состав (х0) Симметрия (z) Занятые решеточные комплексы Возможные изорешеточные модификации Метрические параметры элементарной ячейки

С Вакансия

Me8C7 (хо = 1/8) Fm3m (4) F-4(b), J2-24(d) F-4(a) F432, F 43m, Fm3, F23 2а0 (куб.)

P4/mmm (1) P-1(b), P-1(c), P-1(d), C2z-4(z) P-1(a) P422, P4/m а0, 2а0 (тетрагон.)

I4/mmm (2) I-2(b), Cc-4(d), (C2z)e-8(g) I-2(a) I422, I 42m, I4/m, P42/mnm 21/2 а0, 2а0 (тетрагон.)

P4/mmm (1) P-1(c), C-2(f), P4xr-4(£) P-1(a) P4/m, P4 21/2 а0, а0 (тетрагон.)

P4/mmm (1) P-1(a), P-1(b), P-1(d), C2z-4(z) P-1(c) P422, P4/m а0, 2а0 (тетрагон.)

Me6C5 (Хо = 1/6) P 3m 1 (1) P-1(b), P2z-2(c), CE1z-2(d) P-1(a) P321, P311 2-1/2 а0, 60° (ромбоэдр.)

R 3m (3) R-3(b), 2*R2z-6(c) R-3(a) R 3, R32 21/2 а0, 60° (ромбоэдр.)

Me4C3 (хо = 1/4) Pm3m (1) J-3(c) P-1(a) P43m, P432, P23, Pm3, а0 (куб.)

I4/mmm (2) I-2(b), Cc-4(d) I-2(a) I422, I4/m, P4/mnc, P42/mnm, P42/mnm а0, 2а0 (тетрагон.)

P4/mmm (1) P-1(a), C-2(e) P-1(c) P4/m, P4 а0, а0 (тетрагон.)

Me3C2 (хо = 1/3) P 3m 1 (1) CE1z-2(d) P-1(a) P321, P311 2-1/2 а0, 60° (ромбоэдр.)

Литература

1. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. М., 1976.

2. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые материалы. М., 1968.

3. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. В 3 т. Т. 3. М., 1988.

4. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М., 1974.

5. О структурно-фазовой разупорядоченности на поверхности антифрикционных материалов / В.В. Иванов, В.Т.

Поступила в редакцию

Логинов, О.М. Башкиров, В.А. Хваловский, Н.В. Коно-ненко, А.О. Попов // Антифрикционные материалы специального назначения: Сб. науч. тр. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1999. С. 93-98.

6. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М., 1960.

7. Пирсон У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов: В 2 т. Т. 2. М., 1977.

8. Fisher W., Burzlaff H., Hellner E., Donney J.D.H. Space groups and lattice complexes // US Dep. Commerce. Nat. Bur. Stand. Washington, 1975. Vol. 134.

9. Иванов В.В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. Ростов н/Д., 2003.

24 марта 2008 г.

Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры АТ и ОДД Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Иванов Валерий Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры общей и неорганической химии ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Иванов Андрей Валерьевич - аспирант кафедры «Технология электрохимических производств» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Марченко Сергей Иванович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Каменского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).