CC BY
20
УДК 548.3:669.018
ВОЗМОЖНОЕ ВЛИЯНИЕ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА ФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ Ni-P ПОКРЫТИЙ
© 2011 г. И.Н. Щербаков, В.В. Иванов
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Обсуждается возможное влияние медьсодержащих модифицирующих добавок, в частности ультрадисперсного порошка меркупраля [(C2H5)2NCSSSSCN(C2H5)2]Cu, и суспензии политетрафторэтилена в раствор химического никелирования на трибологические свойства композиционных Ni-P покрытий на стальных деталях узлов трения.
Ключевые слова: моделирование; коэффициент трения; скорость линейного износа; композиционные покрытия; избирательный перенос.
The possible influence of Cu-containing modified addings in particle the ultra dispersion powder of mercu-prale [(C2H5)2NCSSSSCN(C2H5)2]Cu and the polytetraftorethylene suspension into electrolyte for chemical plate with nickel on tribologic properties of the compositional Ni-P-covers receiving onto details of a friction knots are discussed.
Keywords: modeling; friction coefficient; velocity of linear wear; compositional covers; electoral transfer.
Введение
Комплексная синергическая модель «концентрационной волны», описывающая трибологические свойства Р (в частности, скорость линейного износа 1л и коэффициент трения /) поверхности однородных композиционных покрытий (КП), основана на одновременном учете параметра наноструктурности к^ и параметра кг,8, характеризующего квазифрактальный характер конфигурации межфазных границ, следующим образом:
Р = аРта + (1 - а) РСм + §р (Рта - РСм),
где 8Р = 2(1 - а)а2 [1 + кн + а кг,х)]; а - относительная объемная концентрация фаз твердой компоненты КП в двухкомпонентном приближении [1].
Значения регулировочных параметров модели обусловлены определенными концентрационными долями фаз твердой компоненты КП, которые по соответствующим причинам проявляют при трении свойства смазочных материалов. Соотношение этих параметров (кн /а к-д) может принимать значения порядка 10-1 и зависит от фазового состава КП, концентраций и индивидуальных характеристик фаз твердых и смазочных материалов.
В случае использования меди и медьсодержащих сплавов в качестве компоненты КП наблюдается явление избирательного переноса, сопровождающееся существенным улучшением трибологических характеристик покрытий [2 - 4]. Проанализируем возможные варианты учета этого явления в рамках модели «концентрационной волны».
Моделирование фрикционных свойств КП
Параметр наноструктурности кн в модели «концентрационной волны» рассматривался как регулировочный параметр, который был необходим для согласования расчетных и экспериментальных данных [5]. Учет этого модельного параметра при кн Ф 0 объясняет эффект синергизма и уточняет расчетные значения трибологических характеристик КП. Экспериментально установлено [5 - 7], что для КП разного фазового состава параметр кн может принимать значения в интервале от 0,03 до 0,08 и характеризует объемную долю наночастиц (или микрочастиц) фаз твердых компонент КП и контртела со специфической формой, которые могут находиться в зоне трибоконтакта.
Учет конфигурации межфазных границ в виде параметра кт8, характеризующего их поверхностную долю, позволяет считать твердые фазы, находящиеся в приграничной зоне, как условный смазочный материал. Формально эффект синергизма в виде 8 = 2(1-а)а2 (1+ а кгХ) также позволяет уточнить расчетные значения трибологических характеристик КП [1].
По совокупности трибологических свойств медьсодержащие фазы проявляют себя как «промежуточные» между фазами твердой и смазочной компонент КП. Действительно, в соответствии с явлением избирательного переноса медь распределяется по поверхности покрытия и контртела, практически не подвергаясь значительному уносу из зоны трения. Процесс «накопления» ее при этом в поверхностных слоях материалов, находящихся в трибоконтакте, происходит преимущественно на микродефектах (в основном
на межфазных границах) и может быть конкурирующим с процессами накопления там же фаз смазочной компоненты КП. С другой стороны, противодействие износу поверхности КП ставит медь и медьсодержащие фазы в один ряд с фазами твердой компоненты покрытий.
В рамках синергической модели «концентрационной волны» можно рассматривать два варианта представления свойства КП.
1. Вариант представления в двухкомпонентном (твердая + смазочная) приближении: P = а<Рта> + + (1 - а) <РСм> + 5Р (<Ртв> - <РСм>), где относительный синергический эффект 8Р = 2(1 - а) а2 [1 + кн + + 2 а к^)], в котором член 2акг,5 учитывает присутствие меди на обеих смежных поверхностях вследствие избирательного переноса, величина (1 - а) = (асм + + аСи), параметр к^ [0,03.. .0,08] характеризует усредненную объемную долю нано- и микрочастиц фаз твердых компонент КП и КТ со специфической формой в зоне трения, возможная поверхностная доля межфазных границ кг,5 [0,05.0,10] [1], <Рта> = (аPxв + + аси Рси)/(а + аси), <Рсм> = (аСм Рсм + аси Рси)/(аСм + + аси).
2. Вариант представления в трехкомпонентном (твердая + медьсожержащая + смазочная) приближении: Р = а<Ртв> + а'си<Рси> + аСм<Рсм> ± Зте-см (<Ртв> -
- <Рсм>) + Зтв-Си (<Ртв> - <Рси>) + 8си-ом (<Рси> -
- <Рсм>), где составляющие относительного синерги-ческого эффекта: Зте-см = 2аСм а2 [1+кн +акг,)], Зтв.си = = 2асиа2 [1+кн +2акг,)] и 8си-см = 2аСмаси2 [1+кн+2акг,х)], (а + аси + асм) = 1, а эффективное значение поверхностной концентрации меди а си = 2а кг, > аси .
Обсуждение результатов
По заданным значениям скоростей линейного износа в режиме сухого трения для фаз твердой компоненты № и №3Р (= 6 мкм/ч), №3си (= 5 мкм/ч) и фаз смазочной компоненты №12Р5 и №2Р (= 7,5 мкм/ч), си и №си (= 8,5 мкм/ч) и ПТФЭ (= 38 мкм/ч) по формуле (1) рассчитаны 1л (при к = 0,5, кн = 0,03.0,08, кг,5 =
= 0,05.0,10). Соответствующий учет усредненных значений коэффициента </> в режиме трения без жидкого смазочного материала для твердых компонентов КП № и №3Р (= 0,30), №3си (= 0,25) и фаз смазочной компоненты №12Р5 и №2Р (= 0,04), си и №си (= 0,18) и ПТФЭ (= 0,05) рассчитаны / (тоже при к = 0,5, к^ = = 0,03.0,08 и кТ,8 = 0,05.0,10) [1, 5 - 8].
Установлено, что расчет по обеим вариантам представления свойств покрытий дает приблизительно одинаковые результаты (при увеличении концентрационного параметра асм от 0 до 0,30 отклонение величин свойств по трехкомпонентному представлению в сторону более низких показателей возрастает, но не превышает 2,5 - 3,0 % по сравнению с аналогичными значениями, полученными по двухкомпонентному представлению). Результаты расчета скорости линейного износа и коэффициента трения для некоторых КП на основе №-Р покрытий с модифицирующими добавками в виде меркупраля [^Нз^сЖЯсэдсНз^си и политетрафторэтилена (с^4)„ (4МД) с учетом влияния характеристик поверхности контртела (Ст 45) представлены на рис. 1 - 3.
Очевидно, что трибологические характеристики покрытий существенно зависят от концентрационного параметра и закономерно изменяются по мере изменения модельных параметров, характеризующих особенности ультрадисперсных фаз твердой компоненты и конфигурации межфазных границ на смежных поверхностях трения.
Учет состава рабочего раствора для нанесения покрытий, возможного механизма совместного осаждения никель-, фосфор- и медьсодержащих частиц, вариантов соосаждения микрочастиц ПТФЭ при образовании КП, а также возможных процессов химического модифицирования при трении позволил оценить вероятный качественный и количественный фазовый состав твердой и смазочной компонент и величину асм (табл. 1) [5 - 7]. Полученные результаты расчета удовлетворительно согласуются с соответствующими экспериментальными данными [5 - 8] (табл. 2).
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 N1 - Р - фторопласт
f 0,26 0,22 0,18 0,14 0,10
аКТ
0,8 0 кН 0
0,15 0
0,15
I, мкм/ч 22
18
14
10
аКТ
0,8 0
кн 0
0,15 0
0,15
0,2
0,4
0,6 ас.
0,2 0,4 б
0,6 ас.
Рис. 2. Концентрационные зависимости коэффициента трения (а) и скорости линейного износа (б) при различных объемных долях твердой компоненты КТ (Ст45) в зоне трибоконтакта с КП системы № - Р- фторопласт и двух значениях наноструктурного параметра ^
I, мкм/ч
f
0,26 0,22 0,18 0,14 0,10
0,2 0,4 а
аКТ
0,8 0
кн kr-s
0 0,03
0,15 0,10
0 0,03
0,15 0,10
0,6 ас
22
18
14
10
акт 0,8 0
кн kr-s
0 0,03
0,15 0,10
0 0,03
0,15 0,10
0,2 0,4 б
0,6 ас
Рис. 3. Концентрационные зависимости коэффициента трения (а) и скорости линейного износа (б) при различных объемных долях твердой компоненты КТ (Ст45) в зоне трибоконтакта с КП системы № - Р - Си - фторопласт и двух значениях наноструктурного параметра ^ и параметра межфазных границ ^
Таблица 1
Фазовый состав и концентрация компонентов КП системы Ni-P-Cu-ПТФЭ
6
0
0
а
6
0
0
Покрытие Компонента КМ Фазовый состав Массовая доля, % Объемная доля, % асм
Ni-P твердая №, №3Р 92,4 91,9 0,08
смазочная №12Р5, №2Р 7,6 8,1
твердая №, №3Р 91,0 85,1
Ni-P (ПТФЭ) смазочная №12Р5, №2Р, ПТФЭ 7,5 1,5 7,5 7,4 0,15
Ni-P (Cu) твердая №, №3Р, Си, №3Си 89,6 1,0 88,9 1,1 0,10
смазочная №12Р5, Ni2P, Си, №Си ОО <0 8,9 1,0
твердая Ni, Ni3P, Си, Ni3Cu 88,2 1,3 82,2 1,0
Ni-P (Cu, ПТФЭ) №^5, Ni2P, 7,5 7,4 0,17
смазочная Си, NiCu, ПТФЭ 1,5 1,5 1,6 7,8
Таблица 2
Фрикционные свойства КП системы Ni-P-Cu-ПТФЭ
Покрытие асм, отн. ед. Коэффициент трения КП Линейный износ КП
<>эксп </>расч <1>эксп, мкм/ч <1>расч , мкм/ч
Ni-P 0,08 0,250 0,247 5,94 5,95
Ni-P (ПТФЭ) 0,15 0,175 0,198 4,80 5,00
Ni-P (Cu) 0,10 0,165 0,175 - 3,62
Ni-P (Cu, ПТФЭ) 0,17 0,145 0,151 - 2,80
На основании сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных для анализируемых КП на основе №-Р покрытий (рис. 3) можно утверждать, что наиболее эффективным является вариант одновременного введения двух модификаторов в растворы для никелирования стальных деталей узлов трения. Эффективность действия этих модификаторов может быть обусловлена, по-видимому, двумя явлениями:
1) «накоплением» фаз смазочной компоненты на поверхности покрытия, которое находится в фазово-разупорядоченном состоянии, и
2) избирательным переносом меди на смежную поверхность трения для медьсодержащих фаз покрытия.
Возможно также, что для этих явлений реализуется своеобразный вторичный синергизм, приводящий к независимому друг от друга влиянию на трибологиче-ские свойства КП. На это указывают результаты расчета по трехкомпонентному представлению свойства покрытия, в соответствии с которыми влияние смазочной компоненты и избирательного переноса превышает приблизительно на 2 - 3 % их же влияние, ожидаемое по аддитивной двухкомпонентной схеме.
Выводы
Таким образом, проанализировано возможное влияние модифицирующих добавок в виде ультрадисперсного порошка меркупраля и политетрафторэтилена 4МД в раствор химического никелирования на трибологические свойства композиционных №-Р покрытий на стальных деталях узлов трения. С использованием синергической модели «концентрационной волны», учитывающей особенности ультрадисперсных фаз твердой компоненты и конфигурации межфазных границ в покрытиях, установлено существенное снижение коэффициента трения и скорости линейного износа при одновременном введении указанных модифицирующих добавок по сравнению с вариантами введения только политетрафторэтилена или меркупраля. Эффективность использования этих мо-
Поступила в редакцию
дификаторов обусловлена, по-видимому, явлением «накопления» фаз смазочной компоненты на поверхности покрытия, которое находится в фазоворазупо-рядоченном состоянии, и явлением избирательного переноса на смежную поверхность трения для медьсодержащих фаз покрытия. Возможно, что для этих явлений реализуется своеобразный вторичный синергизм, приводящий к независимому друг от друга влиянию на трибологические свойства КП, превышающему влияние, ожидаемое по аддитивной схеме.
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 антифрикционных свойств композиционных покрытий с учетом вероятных конфигураций межфазных границ // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 3. С. 54 - 56.
2. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М., 1976. 152 с.
3. Бурлакова В.Э. Трибоэлектрохимия эффекта безысносно-сти: дис. д-ра. техн. наук. Ростов н/Д., 2006. 508 с.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника : учебник; 4-е изд., перераб. и доп. М., 2001. 616 с.
5. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. Ростов н/Д., 2006. 112 с.
6. 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.
7. Анализ синергического эффекта в композиционных №-Р-покрытиях на стали / В.В.Иванов [и др.] // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 4. С. 42 - 44.
8. Патент 2235803 Рос. Федерация: МПК С 23 С 18/36. Раствор для химического осаждения композиционных никелевых покрытий / Г.А. Данюшина, Т.И. Логинова, И.Н. Щербаков, И.И. Докукин, О.М. Башкиров, Ф.П. Дерлугян, В.А. Левинцев, В.В. Иванов. Заявл. 21.04.2003; опубл. 10.09.2004 г. Бюл. № 25.
10 октября 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).
