Проаналізовано можливий синергічний ефект прояви зносостійкості і антіфрікционності електролітичними покриттями нікель-бор-фторопласт. Іл. 1. Табл. 2. Бібліогр. 4 назв.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Кукоз Ф. І., Іванов В. В., Балакай В. І., Балакай К. В., Хрістофоріді М. П.


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Аналіз синергічного ефекту в електролітичних покриттях на основі нікелю'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз синергічного ефекту в електролітичних покриттях на основі нікелю»

    ?Таким чином, запропонована в цій роботі методика розрахунку крайового температурного ефекту дозволяє визначити реальне теплове поле сублімує джерела атомарних потоків і уточнити атомно-кінетичну модель масопереносу при ЗСП. Розроблена методика має універсально -стью і дозволяє використовувати його для моделювання масопереносу при ЗСП для ростових зон складної геометричної конфігурації з нерівномірним розподілом температур на фазових межах.

    література

    1. Alexandrov L.N., Lozovsky S.V., Knyazev S.Yu. Silicon Zone Sublimation Regrowth // Phys. Stat. Sol. (A), 1988. Vol. 107. P. 213 - 223.

    2. Біндер К. Введення. Загальні питання теорії і техніки статистичного моделювання методом Монте-Карло // Методи Монте-Карло в статистичній фізиці. М., 1982.

    3. Зігель Р., Хауелл Дж. Теплообмін випромінюванням. М., 1975.

    4. Властивості елементів / За редакцією М.Є. Дріца. М., 1985.

    5. Гмурман В.Є. Теорія ймовірностей і математична статистика. М., 1998..

    6. Соболь І.М. Чисельні методи Монте-Карло, М., 1973.

    7. Лозовський В.Н., Лозовський С.В., Плющев дю, Князєв СЮ. Атомно-кінетична модель масопереносу при зонної сублімації перекристалізації // Изв. вузів. Сев.-Кавк. регіон. Природ. науки. 1999. № 4.

    8. Лозовський В.Н., Лозовський С.В., Чеботарьов С.Н. Моделювання масопереносу в процесі зонної сублімації перекристалізації при циліндричної симетрії ростовой зони // Изв. вузів Сев.-Кавк. регіон. Техн. науки. 2006. № 3.

    9. Технологія тонких плівок / Под ред. Л. Майсел, Р. Гленга. М., 1977.

    10. Костріжіцкій А.І., Карпов В.Ф., Кабанченко М.П., ​​Соловйова О.М. Довідник оператора установок з нанесення покриттів у вакуумі. М., 1991.

    Південно-Російський державний технічний університет

    (Новочеркаський політехнічний інститут) 28 травня 2007 р.

    УДК 669.018: 548.1

    АНАЛІЗ синергічного ефекту В покритих НА ОСНОВІ НІКЕЛЮ

    © 2007 г. Ф.І. Кукоз, В.В. Іванов, В. І. Балакай, К.В. Балакай, М.П. Хрістофоріді

    Відповідно до моделі «концентраційної хвилі» [1] основні властивості антифрикційних і зносостійких композиційних покриттів (КП) в двокомпонентному наближенні ( «тверда (тв) + мастильна (см)») можуть бути представлені таким чином:

    - швидкість лінійного зносу

    1л = а < / Л, тв > + (1 - а) < 1л, см > +

    + Так (< / Л, тв > - < / Л, см >), (1)

    - коефіцієнт тертя

    / = А </ та > + (1 - а) </ см > - Так (</ та > - < / см >). (2)

    Тут а = а ^ і (1 - а) = АСМ - об'ємні частки твердої і мастильної компонент КП відповідно, Да = 4 (1 - а) А2 (1 - к (1 - кн)) - величина відносна синергічного ефекту, до - розмірний параметр, що характеризує ступінь дисперсності фаз твердої компоненти КП і представляє собою співвідношення між середнім розміром мікрочастинок ГТВ твердих фаз в поверхневому шарі і товщиною цього шару Дх (к = ДТА / (Дх + ГТВ), де 0,5 < до < 1); кн - ступінь на-ноструктурності твердої компоненти КП, що характеризує об'ємну частку нанофрагментов твердих фаз

    в поверхневому шарі Дх зі сферичною або циліндричної формою (ДТА = Дх при к = 0,5;

    0 < кн < 1).

    Для визначення об'ємних часток і усереднених значень величин швидкостей лінійного зносу (< / Л, тв > і < / Л, см >) І коефіцієнтів тертя (< > і < / м >) Для компонентів покриття необхідно отримати інформацію про кількісний і якісний фазовому складі КП. В цьому випадку потрібно враховувати не тільки можливий склад покриття після його формування, а й те, що при терті на поверхні КП можуть протікати наступні процеси:

    а) хімічне модифікування, що супроводжується утворенням нових фаз;

    б) диспергування частинок поверхневих фаз і перехід їх в високодисперсне стан, що утрудняє експериментальний фазовий аналіз;

    в) перерозподіл хімічних компонентів системи, що приводить до виникнення локальних градієнтних полів концентрації окремих фаз.

    У зв'язку з цим аналітичний спосіб вирішення фазової проблеми є більш прийнятним для отримання даних, необхідних для прогнозування властивостей КП відповідно до формулами (1) і (2).

    Фазовий склад КП до трибологічних впливу визначається технологією його отримання. Нікель-бор-фторопластові покриття отримували з електроліту складу, г / л: хлорид нікелю шестіводний 200 - 250, сульфат нікелю семиводний 2,5 - 5,0, борна кислота 25 - 35, хлорамін Б 0,5 - 1,5, сіль анионного поліедріческіх бората загальної формули М1СпВтНх (де М - натрій, калій або амоній, г = 1, 2; п = 0, 2; т ​​= 3, 9, 10, 12; х = 8, 10, 12) 1,5 - 4,0, фторопластовая емульсія Ф-4Д-Е 10 - 20. Режими електролізу: рН 1,0 - 5,5, температура 18 - 30 ° С, катодний щільність струму 0,5 - 10 А / дм2 [2].

    Після термообробки в покриттях виявлено фази твердої компоненти КП N1 і №3В №2В і додатково введена фаза мастильної компоненти фторопласт [2]. Після виходу на стаціонарний режим в умовах сухого тертя при питомому навантаженні 3 МПа (швидкість тертя V = 0,048 м / с) в поверхневих шарах всіх КП виявлена ​​фаза N10 [2] (табл.1). Можливі процеси хімічного модифікування, які могли б привести до утворення виявлених фаз:

    N130 ^ №2Б + N1 ^ N10 + 2№; (3)

    6№ + 6Б ^ 2№3Б + 4Б ^ 3№2Б + 3Б ^ 6№Б. (4)

    Відзначимо, що ланцюжок переходів (3) супроводжується видаленням частини атомів N1 з кристалічної решітки №3б (а потім і №2Б) і деформаційної перебудови №-сіток і Б-шарів (в №3б) або тільки Б-шарів (в №2Б) [3].

    Облік складу робочого розчину електроліту для нанесення покриттів, можливого механізму осадження нікель і борсодержащих частинок, варіантів захоплення ними мікрочастинок фторопласта при утворенні

    Фазовий склад і концентрація кому

    КП, а також можливих процесів хімічного модифікування при терті дозволив оцінити ймовірний якісний і кількісний фазовий склад твердої і мастильної компонент і величину а (табл. 1).

    За заданим значенням швидкостей лінійного зносу в режимі сухого тертя для фаз твердої компоненти N1, №3б і №2Б (= 1,1 мкм / год), № Б (= 1,0 мкм / год) і фази мастильної компоненти ПТФЕ (= 7 , 5 мкм / год) за допомогою формули (1) розраховані значення 1л (при к = 0,5 і кн = 0,17). Отримані результати розрахунку задовільно узгоджуються з відповідними даними експериментальних досліджень [2] (табл. 2).

    Відповідний облік усереднених значень коефіцієнта < / > в режимі сухого тертя для фаз твердої компоненти КП N1, №2Б і №3В (= 0,25), № Б (= 0,30) і фаз мастильної компоненти фторопласта (= 0,03) дозволив за допомогою формули (2) розрахувати значення / (теж при к = 0,5 і кн = 0,17). Встановлено їх задовільний відповідність експериментальним даним [2] (табл. 2).

    Таким чином, модель «концентраційної хвилі» з параметрами к = 0,5 і кн = 0,17 дозволяє задовільно інтерпретувати експериментальні дані по швидкості лінійного зносу 1лінія і коефіцієнту тертя / КП. При збільшенні розмірного фактора до або під час зміни параметра кн виникає істотна розбіжність між експериментальними і розрахунковими даними. В рамках своєї моделі це означає високу дисперсність мікрочастинок фаз твердої компоненти КП і присутність серед них нанофрагментов сферичної або циліндричної форми, які підсилюють дію мастильної компоненти КП. Проаналізуємо можливість їх утворення в КП.

    Таблиця 1

    нентов композиційних покриттів

    Покриття Компонента КМ Фазовий склад Масова частка,% Об'ємна частка,% а

    Ni-B тверда N1, №3б, №2Б, № Б 100 100 1,00

    мастильна - 0 0

    №-В-фторопласт (1) тверда N1, №3б, №2Б, № Б 99,1 95,4 0,954

    мастильна фторопласт 0,9 4,6

    №-Р-фторопласт (2) тверда N1, №3б, №2Б, № Б 97,9 89,8 0,898

    мастильна фторопласт 2,1 10,2

    №-Р-фторопласт (3) тверда N1, №3б, №2Б, № Б 96,4 83,5 0,835

    мастильна фторопласт 3,6 16,5

    Таблиця 2

    Знос і антіфрікционность композиційних покриттів

    Покриття Так, відносна. од. Швидкість лінійного зносу Коефіцієнт тертя

    < 1л >расч, мкм / год < 1л >експ, мкм / год < f >розр < f >експер

    Ni-B 0 1,100 1,10 0,25 0,25

    Ni-B-фторопласт (1) 0,098 0,767 0,74 0,218 0,21

    Ni-P-фторопласт (2) 0,192 0,530 0,56 0,185 0,17

    Ni-P-фторопласт (3) 0,269 0,434 0,42 0,155 0,15

    Всі структури зазначених в табл. 1 боридов нікелю описуються укладанням атомних мереж типу 32434 і 44 [4]. У структурі №3В атомні сітки 3243 4 з нікелю утворюють систему з трігональную і тетрагональних призм. Атоми бору в трігональную призмах і атоми нікелю в тетрагональних призмах, близьких до Гексаедр, утворюють дві суміщені в площині і злегка спотворені квадратні сітки 44. У структурі №2В найближчі нікелеві сітки 32434 зміщені відносно один одного і утворюють систему з тетрагональних антипризми і тетраедрів двох сортів . Атоми бору займають центри антипризми і утворюють квадратну сітку. У структурі № В атоми нікелю утворюють систему з порожніх трігональную призм і зайнятих атомами бору тетрагональних призм.

    Нізкоборістие фази нікелю входять до складу твердої компоненти КП і при терті піддаються диспергированию завдяки як механічного впливу з боку сполученої поверхні трібосі-стеми, так і динамічному процесу структурно -фазовой разупорядоченності, який супроводжується багаторазовими оборотними фазовими перетвореннями виду «симетрична фаза - діссімметрічная фаза». Можливі структури діссімметрічних фаз для ромбических фаз №3В і № В (РЬпт (2 = 4)): Р212121 (4), Ртс21 (4), Рпа21 (4), Ртп21 (4); для тетрагональної фази №2В (/ 4 / ТСТ (2 = 4)): / 422 (4), / 4ст (4), / 42т (4), / 4с2 (4), / 4 / т (4), / Ьат (4), / ТА 2 (4), Еттт (8), Етт2 (8). У цьому випадку можливе утворення наночастинок у вигляді багатошарових пакетів, що складаються з двошарових фрагментів, зокрема, таких же, які показані на малюнку.

    ЧТ • "

    N? 8

    Зображення двошарових фрагментів структур боридов нікелю в напрямку, перпендикулярному 32434-сітці атомів нікелю

    Можна припустити, що частина з них за своїми характерним розмірами (1,2 - 2,5 нм) і по формі (поблизу-

    кой до сферичної або циліндричної) будуть відповідати теоретично враховуються в формулах (1) і (2) за допомогою параметра кн. Відзначимо, що для фази № В, в якій атомна щільність = 2 (? ^ 1 + + УВ) / Кл. ячешш = 0,80) приблизно на 10% нижче, ніж у фаз №2В (0,88) і №3В (0,89), утворення подібних наночастинок менш ймовірно.

    висновки

    У комнозіціонних покриттях нікель-бор-фторопласт проаналізовано синергічний ефект, що виявляється у вигляді поліпшення їх зносостійкості і антифрикційних властивостей в порівнянні з величинами цих же властивостей, розрахованих по адитивної моделі (позитивний синергетичний ефект). Синергізм твердої і мастильної компонент досліджених композиційних покриттів полягає, по-видимому, в «концентрировании» мастильних фаз на поверхні тертя, підвищує антифрикційні-ність і зносостійкість твердих фаз покриття, і в наявності наночастинок деяких твердих фаз зі сферичною або циліндричної формою, що проявляються в зв'язку з цим властивості твердих мастил.

    література

    1. Іванов В.В., Щербаков І.М., Іванов А.В., Башкіров О.М. Синергетичний ефект в композиційних матеріалах при терті і зношуванні // Изв. вузів Сев.-Кавк. регіон. Техн. науки. 2005. № 5. С. 42 - 46.

    2. Балакай В.І., Кудрявцева І.Д., Шевченко В.В. Розробка електроліту для електролітичного покриття композиційного покриття нікель-бор-фторопласт // Проблеми синергетики в трибології, трібоелектрохіміі, матеріалознавстві і механотроніка: Матеріали міжнар. наук.-практ. конф., м Новочеркаськ, 8 нояб. 2002 р .: У 3 ч. / Юж.-Рос. держ. техн. ун-т (НПІ). Новочеркаськ, 2002. Ч. 1. С. 48 -52.

    3. Щербаков І.М. Розробка композиційного нікель-фосфорного покриття, модифікованого нітридом бору і політетрафторетіленом: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркаськ. 2003.

    4. Уеллс А. Структурна неорганічна хімія: У 3 т .: Пер. з англ. Т. 3. М., 1988.

    Південно-Російський державний технічний університет

    (Новочеркаський політехнічний інститут) 7 червня 2007 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити