Анализ синергического эффекта в композиционных никель-фосфорных покрытиях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.018:548.1

АНАЛИЗ СИНЕРГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В КОМПОЗИЦИОННЫХ НИКЕЛЬ-ФОСФОРНЫХ ПОКРЫТИЯХ

© 2005 г. В.В. Иванов, И.Н. Щербаков, А.В. Иванов, О.М. Башкиров

В соответствии с разработанной в [1] моделью «концентрационной волны» основные свойства антифрикционных и износостойких композиционных покрытий (КП) в двухкомпонентном приближении (т.е. композиция: «твердая (тв) + смазочная (см)») могут быть представлены следующим образом:

- скорость линейного износа

1л = а <1л, тв>+ (1 - а) <л, см> +

+Да (</л, тв > - </л, см>), (1)

- коэффициент трения

/ = а </ та> + (1 - а) </ См> -

- Да (</л, та> - </л, См>). (2)

Здесь а = атв и (1 - а) = асм - объемные доли твердой и смазочной компонент КП соответственно, Да = 4 (1 - а) а2 (1 - к (1 + кн)) - относительная величина синергического эффекта, к - размерный параметр, характеризующий степень дисперсности фаз твердой компоненты КП и представляющий собой соотношение между средним размером микрочастиц твердых фаз в поверхностном слое гта и толщиной этого слоя Дх, состоящего почти полностью из фаз смазочной компоненты КП (т.е. к = гта /(Дх + гта), 0,5 < к < 1); кн - степень наноструктурности твердой компоненты КП, характеризующая объемную долю наноструктурных фрагментов твердых фаз в поверхностном слое Дх с определенной (сферической или цилиндрической) формой (гтв = Дх при к = 0,5;

0 < кн < 1) [1].

Главная проблема расчета свойств КП с учетом возможного синергического эффекта по формулам (1) и (2) заключается в трудности определения объемных долей и усредненных значений величин скоростей линейного износа (</л, та > и </л, см>) и коэффициентов трения (</в> и </см>) для компонентов покрытия. Информация о количественном и качественном фазовом составе КП при трибологическом воздействии может быть только приближенной по следующим причинам. При трении на поверхности КП могут протекать следующие процессы:

а) химическое модифицирование, сопровождающееся образованием новых фаз и влияющее как на качественный, так и на количественный фазовый состав;

б) диспергирование частиц поверхностных фаз и переход их в высокодисперсное состояние, затрудняющее экспериментальный фазовый анализ;

в) перераспределение химических компонентов системы, приводящее к возникновению локальных градиентных полей концентрации отдельных фаз.

В связи с этим аналитический способ решения фазовой проблемы является более предпочтительным для получения данных, необходимых для прогнозирования диагностических свойств КП в соответствии с формулами (1) и (2).

Фазовый состав КП определяется технологией его получения. Никель-фосфорные КП получали путем совместного химического осаждения никель- и фосфорсодержащих компонентов из рабочего раствора при определенной температуре (90 °С) в среде с рН = = 5 ± 0,5 и последующей термообработки покрытия при 360 °С в течение 1 ч [2]. Состав рабочего водного раствора соответствовал составу стандартного раствора для химического никелирования с компонентами №С12 6Н20 (30 г/л), МаН2Р02 Н20 (10 г/л), СН3С00№ Н20 (10 г/л) и поливиниловым спиртом (0,5 г/л) в качестве стабилизирующей добавки. Для получения КП в рабочий раствор добавляли высокодисперсный БМ (2 г/л) или/и суспензию политетрафторэтилена 4 МД (ПТФЭ, 5 мл/л) [2].

После термообработки в покрытиях обнаружены фазы твердой компоненты КП N1 и №3Р и соответствующие дополнительно введенные фазы смазочной компоненты БМ и/или ПТФЭ [2]. После выхода на стационарный режим в условиях сухого трения при удельной нагрузке 1 МПа (скорость трения V = = 0,048 м/с) в поверхностных слоях всех КП обнаружены фосфорсодержащие фазы №12Р5 и №2Р, а для никель-фосфорных покрытий, допированных нитридом бора, обнаружена фаза №Б [2] (табл. 1).

Возможные процессы химического модифицирования, которые могли бы привести к образованию обнаруженных фаз:

№3Б ^ №2Б + N1 ^ М1Б + 2№; (3)

5№3Р ^ №12Р5 + 3М ^ ^ 2№5Р2 + №2Р + 3М ^ 3№2Р + 4№; (4)

6№3Р ^ №12Р5 + №2Р + 5№; (5)

6М + 4БМ ^ 2№3Б + N + 2БМ ^ ^ 3№2Б + 1,5М2 + БМ ^ 6№Б + 2М2.

Отметим, что цепочка переходов (3) сопровождается удалением части атомов N1 из кристаллической решетки №3Р (а затем и N12?) и деформационной перестройки N1-сеток и В-слоев (в №3Р) или только В-слоев (в №2Р) [2]. Первые переходы в цепочках (4) и (5) могут быть результатом повышенной диффузии фосфора под действием локальных градиентов температуры и давления из областей фаз с меньшей его концентрацией по достаточно разветвленной сети межфазных границ. В частности, при переходе 5№3Р ^ ^ №12Р5 + 3№ изменение кристаллической структуры №3Р ограничивается лишь появлением дополнительной подрешетки для фосфора в №12Р5 [2]. Остальные химические превращения протекают, по-видимому, с большими энергетическими затратами, что только способствует процессу диссипации энергии в соответствующих покрытиях.

Учет состава рабочего раствора для нанесения покрытий, возможного механизма совместного осаждения никель- и фосфорсодержащих частиц, вариантов захвата ими микрочастиц BN и 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 а (табл. 1).

По заданным значениям скоростей линейного износа в режиме сухого трения для фаз твердой компоненты N1 и №3Р (= 6 мкм/ч), №В (= 4 мкм/ч) и фаз смазочной компоненты №12Р5 и №2Р (= 7,5 мкм/ч),

Фазовый состав и концентрация компонентов к

BN (= 9,5 мкм/ч) и ПТФЭ (= 38 мкм/ч) с помощью формулы (1) рассчитаны 1л (при к = 0,5 и кн = 0). Полученные результаты расчета удовлетворительно согласуются с соответствующими экспериментальными данными [2] (табл. 2).

Соответствующий учет усредненных значений коэффициента </> в режиме сухого трения для фаз твердой компоненты КП N1 и №3Р (= 0,30), №В (= 0,31) и фаз смазочной компоненты КП №12Р5 и №2Р (= 0,05), BN (= 0,04) и ПТФЭ (= 0,04) с помощью формулы (2) рассчитаны / (тоже при к = 0,5 и кн = 0). Установлено их удовлетворительное соответствие экспериментальным данным [2] (табл. 3).

Таким образом, модель «концентрационной волны» с параметрами к = 0,5 и кн = 0 позволяет удовлетворительно интерпретировать экспериментальные данные по скорости линейного износа 1лин и коэффициенту трения / композиционных №-Р-покрытий. При увеличении размерного фактора к или при отклонении параметра наноструктурности кн от нуля возникает существенное расхождение между экспериментальными и расчетными данными. В рамках данной модели это означает высокую дисперсность микрочастиц фаз твердой компоненты КП, а именно, 10 нм < гтв = = Ах < 100 нм. Одновременно это указывает на низкую долю наноструктурных фрагментов сферической или цилиндрической формы, которые могли бы усилить действие смазочной компоненты КП.

Таблица 1

[позиционных никель-фосфорных покрытий

Покрытие Компонента КМ Фазовый состав Массовая доля, % Объемная доля, % а

Ni-P твердая Ni, Ni3P 92,4 91,9 0,92

смазочная Ni12P5, Ni2P 7,6 8,1 0,08

твердая Ni, Ni3P 91,0 85,1 0,85

Ni-P (ПТФЭ) Ni12P5, Ni2P, 7,5 7,5 0,15

ПТФЭ 1,5 7,4

Ni-P (BN) твердая Ni, Ni3P, NiB 90,6 1,0 88,9 1,1 0,90

Ni12P5, Ni2P, 7,5 7,4 0,10

BN 0,9 2,6

твердая Ni, Ni3P, NiB 89,1 1,0 82,2 1,0 0,83

Ni-P (BN, ПТФЭ) Ni12P5, Ni2P, 7,5 7,4

смазочная BN, ПТФЭ 1,0 1,5 2,1 7,3 0,17

Таблица 2

Износ композиционных никель фосфорных покрытий

Покрытие Да, отн. ед. Скорость весового износа КП </>эксп, мг/ч Скорость линейного износа КП

<1л>эксп, мкм/ч <1л>расч , мкм/ч

Ni-P 0,13 3,19 5,94 5,93

Ni-P (ПТФЭ) 0,20 2,56 4,80 5,00

Ni-P (BN) 0,16 1,92 3,66 3,70

Ni-P (BN, ПТФЭ) 0,23 1,46 2,80 2,82

Таблица 3

Антифрикционные свойства композиционных никель-фосфорных покрытий

Покрытие Да, отн. ед. Коэффициент трения КП

<>эксп <>расч

Ni-P 0,13 0,250 0,247

Ni-P (Фп) 0,20 0,175 0,198

Ni-P (BN) 0,16 0,235 0,240

Ni-P (BN, Фп) 0,23 0,180 0,202

Разработанная в [1] модель синергического эффекта может быть использована для прогнозирования

оптимального фазового состава КП с необходимыми антифрикционными и износостойкими свойствами.

Литература

1. Кутьков А.А. Износостойкие антифрикционные покрытия. М., 1976.

2. Щербаков И.Н. Разработка композиционного никель-фосфорного покрытия, модифицированного нитридом бора и политетрафторэтиленом: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2003.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт);

ФГУП ОКТБ «Орион» 27января 2005 г.

УДК 621.89

ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ С ПОНИЖЕННЫМ ИЗНОСОМ И ТРЕНИЕМ ЗА СЧЕТ ПРИСАДОК НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОГО

ДИАНОВОГО ОЛИГОМЕРА

© 2005 г.

П.Н. Козаченко

Минимизация трения и износа является одним из главных факторов в повышении надежности и долговечности машин, механизмов и их отдельных узлов. Перспективным направлением для решения данной проблемы является создание новых антифрикционных материалов и типов смазок. Основными функциональными показателями последних являются их антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства, которые определяются не только базовой основой смазочного материала, но и составом вводимых присадок. При определенных режимах и составе смазочного материала три-босопряжение может работать практически без износа.

При изучении явления избирательного переноса или «эффекта безызносности» установлена позитивная роль формирующейся при трении полимерной пленки, прочно связанной с поверхностью металла [1-3]. Зачастую она образуется за счет трибополимеризации продуктов деструкции компонентов смазки. В ряде случаев ее формируют введением в состав диспергированного высокомолекулярного соединения с высокими антифрикционными показателями. Другой путь - введение полимерформирующих присадок.

Ранее автором изучалась роль мономеров винилового рода в качестве вышеуказанных присадок, а также инициаторов и ингибиторов полимеризации [4-8]. В настоящей работе в качестве присадки была использована диановая смола (ДС) на основе 2,2-бис-(и-оксифенил) пропана:

— CHJÜ

O

C

I

си,

Испытания проводились на машине торцевого трения. Детали трибосопряжения выполнены из стали - 45. Нагружение ступенчатое, скорость скольжения - 0,8 м/с. Образцы обрабатывались до Яа = 0,20 -- 0,30 мкм, очищались диэтиловым эфиром и ацетоном. В качестве базового использовалось масло, не содержащие антифрикционных и противоизносных присадок. Фиксировался коэффициент трения и максимальная нагрузка, выше которой не реализуется устойчивый режим трения. При проведении исследования присадки добавлялись в базовое масло (основа) в процессе работы установки при стабилизации значений коэффициента трения или непосредственно перед проведением эксперимента.

Интересным было оценить и влияние присутствия отвердителя диановой смолы, в качестве которого использовался полиэтиленполиамин (ПЭПА). Его масса составляла 10 % от массы ДС. Результаты представлены в виде диаграммы на рис. 1.

Как показывают данные испытаний, диановая смола - эффективная антифрикционная присадка. Введение всего 0,001 массовой доли ДС снижает значение коэффициента трения в 2 раза, а 0,005 - в 10. Исследование поверхностей пар трибосопряжений отчетливо свидетельствует о наличии полимерной пленки, которая является продуктом трибополимери-зационных или трибоконденсационных процессов самого олигомера или его деструктивных производных.

-O— си— CH2O

I

OH