Обговорюються умови, яким повинні задовольняти добавки в розчин для отримання ефективних композиційних Ni -P покриттів для захисту деталей вузлів тертя. Проаналізовано можливий вплив модифікуючих добавок у вигляді ультрадисперсних порошків простих і складних оксидів зі структурами корунду і рутилу, простих речовин зі структурами магнію і вольфраму, а також політетрафторетилену на трибологические властивості композиційних Ni-P покриттів.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Щербаков Ігор Миколайович, Іванов Валерій Володимирович


The necessary conditions for modified addings into electrolyte for the effective compositional Ni-P covers receiving onto details of a friction knots are discussed. The possible influence of modified addings in the form of ultra dispersion powders of the simple and complex oxides with both corunde and rutile structural types, and the simple substances with magnesium and tungsten structural types, and the polytetraftoretylene, too, all on tribologic properties of the compositional Ni-P-covers was analysed.


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Аналіз можливих модифікаторів для отримання композиційних Ni-P покриттів з антифрикційними властивостями'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз можливих модифікаторів для отримання композиційних Ni-P покриттів з антифрикційними властивостями»

    ?УДК 548.3: 669.018

    АНАЛІЗ МОЖЛИВИХ модифікаторів ДЛЯ ОТРИМАННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ Ni-P покриттів З антифрикційних властивостей

    © 2011 р І.М. Щербаков, В.В. Іванов

    Південно-Російський державний South-Russian State

    технічний університет Technical University

    (Новочеркаський політехнічний інститут) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

    Обговорюються умови, яким повинні задовольняти добавки в розчин для отримання ефективних композиційних Ni -P покриттів для захисту деталей вузлів тертя. Проаналізовано можливий вплив модифікуючих добавок у вигляді ультрадисперсних порошків простих і складних оксидів зі структурами корунду і рутилу, простих речовин зі структурами магнію і вольфраму, а також політетрафторетилену на трибологические властивості композиційних Ni-P покриттів.

    Ключові слова: моделювання; коефіцієнт тертя; швидкість лінійного зносу; композиційні покриття; модифікатори.

    The necessary conditions for modified addings into electrolyte for the effective compositional Ni-P covers receiving onto details of a friction knots are discussed. The possible influence of modified addings in the form of ultra dispersion powders of the simple and complex oxides with both corunde and rutile structural types, and the simple substances with magnesium and tungsten structural types, and the polytetraftoretylene, too, all on tri-bologic properties of the compositional Ni-P-covers was analysed.

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

    Вступ

    Хімічне модифікування складу композиційних покриттів (КП) і поверхні тертя - один з перспективних способів захисту виробів від Корекція Зіон-механічного зношування [1]. Відомо, що при отриманні КП на основі нікель-фосфорних покриттів використовують різні добавки, що призводять до утворення покриттів систем № - модифікатор - Р [2 - 4]. Роль модифікатора зазвичай виконують ультрадисперсні твердофазні матеріали різної природи, які повинні забезпечити присутність в КП фаз, що володіють антифрикційними властивостями і істотно поліпшують трибологические характеристики поверхні.

    Загальні вимоги, які пред'являються до модифицирующим добавкам (модифікаторам) в розчин для нанесення покриття, можуть бути сформульовані наступним чином. Вони повинні забезпечити, по-перше, необхідний характер фазово-разупоря-доченного стану КП, по-друге, одночасне існування в обсязі модифікованого шару твердих зносостійких фаз і фаз, що володіють мастильними властивостями, по-третє - утворення захисного модифікованого шару на поверхні виробу з підвищеною до неї адгезію. В результаті можливих хімічних і фізико-хімічних процесів в КП при його формуванні та при трібоконтакте поверхні покриття з сполученої поверхнею вузла тертя необхідно, щоб

    1) були в наявності певні фази, що характеризують тверду і мастильну компоненти КП, і фази, що забезпечують адгезію покриття до металевій основі - матеріалу, що захищається вироби;

    2) було отримано певний розподіл цих фаз в обсязі КП: рівномірний - по поверхні, з позитивним градієнтом твердості - по товщині, що обумовлює синергізм трибологічних властивостей компонент КП [4].

    В цьому випадку введення модифікаторів, які відповідають даним умовам, має привести до поліпшення властивостей поверхні КП у порівнянні з властивостями нікель-фосфорного покриття (без модифікатора) і забезпечити корозійну і механічну захист вироби в вузлах тертя.

    Моделювання антифрикційних властивостей композиційних покриттів

    1. Система N - Ме203 (структура корунду) -

    Ме - Р. Для отримання ефективних КП на основі нікель-фосфорних покриттів (КНФП) використовують, зокрема, дисперсні матеріали у вигляді простих оксидів складу Ме203 (Ме - А1, Сг) зі структурою типу корунду (пр. Гр. R 3с (3 )) або ультрадисперсні металеві порошки: Ме - Сг, Мо, W, V, Та з кубічної структурою типу вольфраму (пр. гр. 1т3т (2)), Ме - Т ^ Zг з гексагональної структурою типу магнію (пр. гр. Р63 / ТТС (2)) [5 - 7]. У структурі типу корунду (аА1203) катіони А13 + займають октаедріче-

    ські позиції в гексагональної дуже ретельним упаковці аніонів. Вздовж напрямку [001] гексагональної комірки пари Аюб-октаедрів об'єднані в октаедр-етичні димери через загальні межі і укорочені відстані за рахунок зв'язків переважно кова-лентного характеру. З'єднання структурного типу корунду ставляться до ооктаедріческім структурам, заснованим на частковому заповненні (2/3) октаедр-чеських пустот в ГПУ і належать до наступного ряду структурних типів: Mg (Р63 / ТТС (2)) ^ FeClз (Р3х 12 (6)) ^ ТЮ2 (Р42 / тпа (2)) ^ аА120з (І 3с (3)) ^ NiAs (Р63 / ТТС (2)) [6].

    Результати моделювання фазово-разупорядо-ченного стану деяких КНФП і властивостей їх поверхні при терті з поверхнею сталі марки Ст45 наведені в табл. 1.

    У табл. 1 і наступних табл. 2 - 4 наведені трибологические властивості Р (швидкість лінійного зносу 1л або коефіцієнт тертя /) розраховані за формулою Р = арту + (1 - а) РСМ + 8р (Рота - РСМ) при ідентичних умовах, зазначених в роботі [4], з урахуванням ефекту синергізму у вигляді 8Р = 4 (1 - а) а2 [1 - k (1 - &н)], для розрахунку якого використовували усереднені для КНФП значення k = 0,5 і &н = 0,05 [4].

    Загальна характеристика можливого фазово-разу-упорядкованістю стану в КНФП систем № - Ме203 - Ме - Р: Ме203 (корунд - пр. Гр. І 3с (3), Ме - А1, Сг, Fe, Со, іь, Ga; MII0, 5Ti0,5, MII0,5V0,5, де М11 - Mg, Мп, Fe, Со, №, Cd), Ме Ме5 / 3П1 / 304 або №Ме204 (дефектна уМе203 або нормальна шпинель - пр. гр. Fd3m (8) , Ме - А1, Fe, Сг), Ме (структурний тип Mg -пр. гр. Р63 / ТТС (2), Ме - А1, Сг, Мо, W, V, Та), фос-

    фіди заходів (сфалерит - пр. гр. F 43т (4), Ме - А1, Ga, Ш), інтерметалліді в системах № - Ме (Ме - А1, Fe, V, Ga, Сг, Тц зокрема, №3А1 - пр. гр. Рт3т (2), №А1 - пр. гр. Рт3т (4), A13Ni2 - пр. гр. Р 3т1 (1), A13Ni - пр. гр. Рпта (4)) [5 - 7]. Таким чином, в системах № - Ме203 - Ме - Р можливе утворення фаз, доповнюють склад твердої і мастильної компонент КП, а також интерметаллических фаз, які можуть зумовити адгезію покриття до захищається основі.

    2. Система N1 - Ме203 (корунд) - Ме - політетрафторетилен - Р. Для отримання ефективних КНФП використовують дисперсні матеріали у вигляді простих оксидів складу Ме203 зі структурою типу корунду (І 3с (3)), ультрадисперсні металеві порошки та твердий мастильний матеріал, в зокрема політетрафторетилен (ПТФЕ), який істотно покращує антифрикційні властивості будь-якого покриття. Результати моделювання фазово-разупоря-доченного стану деяких КНФП і властивостей їх поверхні при терті з поверхнею сталі марки Ст45, отримані відповідно до [4], наведені в табл. 2.

    3. Система N1 - Ме02 (структура рутилу) - Ме - Р.

    Для отримання ефективних КНФП використовують, зокрема, дисперсні матеріали у вигляді простих оксидів складу Ме02 (Ме - Т ^ Zг, Се) зі структурою типу рутилу (пр. Гр. Р42 / тпа (2)) і ультрадисперсні металеві порошки: Ме - Т ^ Zг з гексагональної структурою типу магнію (пр. гр. Р63 / ТТС (2)) або Ме -СГ, Мо, W, V, Та з кубічної структурою типу вольфраму (пр. гр.! т3т (2)) [5 - 7].

    Таблиця 1

    Фазовий склад і властивості деяких КНФП системи № - Ме203 - Ме - Р

    КП Компоненти і фазовий склад а Швидкість лінійного зносу, / л, мкм / год Коефіцієнт тертя, f

    Ni-P N1, №3Р 0,92 5,95 0,25

    №12Р5, №2Р

    Ni-P (AI2O3, Al) N1, №3Р, А1203, №;, А1, А1Р 0,89 - 0,90 4,6 - 4,8 0,23

    №12Р5, №2Р, А13№2, А13№, А100Н

    Ni-P (&2O3, Cr) N1, №3Р, Сг203, Сг№, Сг3Р, сГр 0,89 - 0,90 4,7 - 5,0 0,23

    №12Р5, Ni2P, СгООН

    Таблиця 2 Фазовий склад і властивості деяких КНФП системи №-Ме2Оз-Ме ПТФЕ Р

    КП Компоненти і фазовий склад а Швидкість лінійного зносу, / л, мкм / год Коефіцієнт тертя, f

    Ni-P (тв.) N1, Ni3P 0,92 5,95 0,25

    (Див.) Ni12P5, Ni2P

    Ni-P (ПТФЕ) (тв.) Ni, №3Р 0,90 5,0 0,20

    (Див.) Ni12P5, Ni2P, ПТФЕ

    Ni-P (AI2O3, Al, ПТФЕ) (тв.) №, Ni3P, А1203, Ni3A1, А1Р 0,85 0,75 3,8 4,1 0,20 0,17

    (Див.) №12Р5, Ni2P, A13Ni2, А13№, А100Н, ПТФЕ

    Ni-P (Cr2O3, Cr, ПТФЕ) (тв.) Ni, №3Р, Сг203, CrNi, Сг3Р, сГр 0,85 0,75 4,0 4,4 0,21 0,17

    (Див.) №12Р5, Ni2P, Сг00Н, ПТФЕ

    У структурі типу рутилу (ТЮ2) катіони Т12 + займають октаедричні позиції в гексагональної дуже ретельним упаковці аніонів. Каркасна структура складається з ланцюгів тюб-октаедрів, в яких кожен октаедр пов'язаний з сусіднім по двох протилежних ребрах. Між собою ці ланцюги сочленяются вершинами октаедрів. З'єднання структурного типу рутилу відносяться до ооктаедріческім структурам, заснованим на частковому заповненні (1/2) октаедричних пустот в ГПУ і належать до наступного ряду структурних типів: Mg (Р63 / ТТС (2)) ^ FeCl3 (РЗ112 (6)) ^ ТЮ2 ( Р42 / тпа (2)) ^ аА ^ Оз (І 3с (3)) ^ NiAs (Рб3 / ТТС (2)) [6, 7].

    Результати моделювання фазово-разупорядо-ченного стану деяких КНФП і властивостей їх поверхні при терті з поверхнею сталі марки Ст45 наведені в табл. 3.

    Загальна характеристика можливого фазово-разу-упорядкованістю стану в КНФП систем № - МеО2 - Ме - Р: МеО2 (рутил - пр. Гр. Р42 / тпа (2), Ме - Т1, V, Сг, Мп, Ії, Os, 1г, Zr, Мо, W, Ge, Sn, РЬ і можливі разупорядоченності тверді розчини оксидів цих металів; №2МеО4 (шпінель - пр. гр. Fd3m (8), Ме -V, Сг, Мп, Ge, Sn, РЬ) , Ме (структурний тип Mg - пр. гр. Р63 / ТТС (2), Ме - Ti, Zг, Hf), фосфіди заходів (пр. гр. Р63 / ТТС і Рстп, Ме = Ti, V, Сг, Мп, Zг, W), Ме3Р (пр. гр. Р42 / п і I 4, Ме = і, V, Сг, Мп, Zr), Ме2Р (пр. гр. Р 62т, Ме = К, Мп), інтерметалліді в системах №-Ме (зокрема, №3Т1 - пр. гр. Р63 / ТТС (4), №Т12 -пр. гр. Fd3m (32)) [5 - 7]. Таким чином в системах № - МеО2 - Ме - Р можливе утворення фаз, доповнюють склад твердої і мастильної компонент КП, а також ймовірних интерметаллических фаз, до-

    торие можуть зумовити адгезію покриття до захищається основі.

    4. Система N1 - Ме02 - Ме - політетрафторетилен - Р. Для отримання ефективних КНФП крім дисперсних матеріалів у вигляді простих оксидів складу МеО2 (Ме - Т1, Zr, Се) зі структурою типу рутилу (пр. Гр. Р42 / тпа (2) ) і ультрадисперсних металевих порошків використовують тверді мастильні матеріали, зокрема ПТФЕ. Введення ПТФЕ як правило призводить до істотного поліпшення трибологічних властивостей КНФП. Результати моделювання фазово-разупорядоченності стану деяких КНФП і властивостей їх поверхні при терті з поверхнею сталі марки Ст45, отримані відповідно до [1], наведені в табл. 4.

    Обговорення результатів моделювання

    Використання модифікуючих добавок у вигляді високодисперсних порошків оксидів перехідних металів зі структурами корунду і рутилу в розчин для отримання КНФП призводить до істотного поліпшення зносостійкості (приблизно на 20%) і незначного зниження коефіцієнта тертя поверхні №-Р покриттів (рис. 1). Ефект поліпшення трибологічних властивостей в цьому випадку навіть трохи вище, ніж при використанні в якості модифікаторів твердих мастильних матеріалів з перехідним поєднанням структурами (MoS2 і С (гексагональний графіт)). Однак по зносостійкості ефект поліпшення трохи нижче, ніж для КНФП з модифицирующей добавкою у вигляді ультрадисперсного нітриду бору (рис. 1).

    КНФП Компоненти і фазовий склад а Швидкість лінійного зносу, / л, мкм / год Коефіцієнт тертя, f

    Ni-P N1, №3Р 0,92 5,95 0,25

    №12Р5, №2Р

    Ni-P (TiO2, Ti) N1, №3Р, ТЮ2, №3Т1, №Т12, Т13Р 0,89 - 0,90 4,6 - 4,8 0,24

    М12Р5, №2Р,

    Ni-P (ZrO2, Zr) N1, №3Р, ггО2, 0,89 - 0,90 4,5 - 4,7 0,23

    N1 ^, М2Р, NiloZr7,

    Таблиця 4 Фазовий склад і властивості деяких КНФП системи № - Ме02 - Ме - ПТФЕ - Р

    КНФП Компоненти і фазовий склад а Швидкість лінійного зносу, / П, мкм / год Коефіцієнт тертя, f

    Ni-P (тв.) N1, №3Р 0,92 5,95 0,25

    (Див.) №12Р5, Ni2P

    Ni-P (ПТФЕ) (тв.) N1, Ni3P 0,90 5,0 0,20

    (Див.) №12Р5, Ni2P, ПТФЕ

    Ni-P (TiO2, Ti, ПТФЕ) (тв.) N1, №3Р, ТЮ2, Ni3Ti, NiTi2, Т13Р 0,85 0,75 3,9 4,3 0,21 0,17

    (Див.) №12Р5, Ni2P, ПТФЕ

    Ni-P (ZrO2, Zr, ПТФЕ) (тв.) N1, №3Р, ZrO2, 0,85 0,75 3,8 4,1 0,22 0,18

    (Див.) №12Р5, Ni2P, Ni10Zr7, ПТФЕ

    Таблиця 3

    Фазовий склад і властивості деяких КНФП системи М - Ме02 - Ме - Р

    про - BN

    V - А1203, Сг203 л - ТЮ2, Zr02 = - З Л - MoS2

    .. + ПТФЕ

    Мал. 1. Діаграма ^ - 1л для КНФП з різними модифікаторами без ПТФЕ (а) і з додаванням ПТФЕ (б, в). Властивості розраховані для умов тертя без рідкого мастильного матеріалу: величина питомого навантаження Р = 1 МПа, швидкість тертя 0,048 м / с, сполучена поверхню -сталь Ст45 - відповідно до методики [4]

    При спільному введенні модифікаторів ПТФЕ і оксидів металів коефіцієнт тертя КНФП істотно знижується (на 20 - 40% в порівнянні з аналогічним показником для НФП, в залежності від концентрації ПТФЕ). В цьому випадку по ефективності модифікування поверхні покриття оксиди перехідних металів з зазначеними структурами займають проміжне положення між твердими мастильними матеріалами з перехідним поєднанням структурами і ультрадисперсних ЕШ (рис. 1 і 2).

    (^ Л ^ тр) «про - ви

    V - А! 203, Сгг03 А - ТЮ2, 2Г02 = - З Я - Мо5,

    + ПТФЕ

    0,5

    0.05 0.10 й. 15 о,: о а Рис. 2. Діаграма (1лfp) - а для КНФП з різними модифікаторами

    При використанні всіх видів добавок, що модифікують в розчин значення ізнософрікціонності КНФП (1л /) закономірно зменшуються в міру збільшення об'ємної концентрації а-фаз мастильної компоненти композиційних покриттів (рис. 2).

    висновки

    Запропоновано якісні критерії вибору речовин, які можуть бути використані як добавки в розчин для отримання КНФП на основі №-Р покриттів. Відповідно до критеріїв проаналізовано можливість використання в якості модифікаторів оксидів металів зі структурами корунду і рутилу з додаванням відповідних металевих порошків і ПТФЕ. Проаналізовано можливий стан фазової разупоря-доченності на поверхні КНФП, ініційоване трібомеханіческім впливом поєднаної поверхні стали Ст45. Порівняльним аналізом три-бологіческіх властивостей, розрахованих по сінергіче-ської моделі «концентраційної хвилі», з аналогічними даними для інших КНФП (з модифікаторам типу MoS2 і С) встановлена ​​їх потенційна ефективність для підвищення зносостійкості і анти-фрикційні №-Р покриттів.

    Робота виконувалася в рамках гранту Президента РФ № МК-1859.2010.8. для державної підтримки молодих вчених.

    література

    2

    Кутьков А.А. Зносостійкі і антифрикційні покриття. М., 1976. 152 с.

    Синергетичний ефект в композиційних матеріалах при терті і зношуванні / В.В. Іванов [и др.] // Изв. вузів. Сев.-Кавк. регіон. Техн. науки. 2005. № 3. С. 46 - 49.

    3. Аналіз синергічного ефекту в композиційних Ni-P-покриттях на сталі / В.В. Іванов [и др.] // Изв. вузів. Сев-Кавк. регіон. Техн. науки. 2005. № 4. С. 42 - 44.

    4. Іванов В.В., Щербаков І.М. Моделювання композиційних нікель-фосфорних покриттів з антифрикційними властивостями. Ростов н / Д., 2006. 112с. Брегг У., Кларінгбулл Г. Кристалічна структура мінералів. М., 1967. 390 с.

    Урусов В.С. Теоретична кристаллохимия. М., 1987. 276 с.

    7. Уеллс А. Структурна неорганічна хімія: в 3 т. Т. 1. М., 1987, 1988. 408 с.

    5

    6

    Надійшла до редакції

    24 травня 2011 р.

    Щербаков Ігор Миколайович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобільний транспорт і організація дорожнього руху», Південно-Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут).

    Іванов Валерій Володимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Загальна і неорганічна хімія», Південноросійського державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут).

    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).


    Ключові слова: моделювання / КОЕФІЦІЄНТ ТЕРТЯ / швидкість лінійного зносу / композиційні покриття / модифікатори / modeling / Friction coefficient / velocity of linear wear / compositional covers / Modificators

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити