МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН НАНОРАЗМЕРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ Текст научной статьи по специальности «Сельскохозяйственные науки»

УДК 620.192.6 Статья поступила 23.01.2023 г

4.3.1. Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса РО! 10.35524/2227-0280_2023_04_38

МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН НАНОРАЗМЕРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

^В.В. Сафонов,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО Вавиловский университет, г. Саратов

С. А. Шишурин,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Вавиловский университет, г. Саратов

П.А. Горбушин,

кандидат технических наук, ФГБОУ ВО Вавиловский университет, г. Саратов

Ключевые слова: нанотехнологии, нанокомпозиционное покрытие, электролитическое покрытие, нанодисперсные материалы, теоретическая модель, упрочнение, дислокации, микротвердость, погрешность, линейный процесс

Key words: nanotechnology, nanocomposition coating, electrolytic coating, nanodisperse materials, theoretical model, hardening, dislocations, microhardness, error, linear process

Введение. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия предусматривает инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий [1]. Важное значение среди них имеют нанотехнологии, которые могут использоваться во всех отраслях сельского хозяйства, начиная от животноводства и заканчивая производством сельскохозяйственной техники. Основными областями применения нанотех-нологий в АПК являются: биотехнология, производство и переработка продукции сельского хозяйства, сельскохозяйственное машиностроение, технический сервис и другие направления. В концепции развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года указано на необходимость наноразработок для приведенных выше отраслей [2].

С использованием наноматериалов и нано-технологий открылись новые возможности при создании новой сельскохозяйственной техники и в техническом сервисе машин [3, 4]. С технико-экономической позиции основные мотивы развития нанотехнологии состоят в том, что с их помощью можно:

- радикально изменять свойства традиционных материалов, не меняя их химического состава;

- создавать принципиально новые классы материалов;

- использовать квантовые эффекты;

- уменьшать размеры изделий вплоть до атомарных с сохранением заданных или придания совершенно новых функций;

- эффективно использовать синтетические или существующие в природе наноструктуры;

- ставить и решать задачи, совершенно невозможные в рамках традиционных технологий;

- снижать материало-, энерго- и трудоемкость, а также стоимость продукции, одновременно резко уменьшая загрязнение окружающей среды отходами производства.

В области технического сервиса машин и оборудования использование нанотехнологий направлено на формирование полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными прочностными, трибологическими и другими эксплуатационными свойствами. Такое направление научно-практической деятельности получило название наноинжене-рии поверхностей. Работы в этом направлении охватывают этапы обкатки, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта техники.

При восстановлении размеров изношенных деталей сельскохозяйственной техники широко используются металлические покрытия.

Многие методы нанесения данных покрытий могут рассматриваться как методы нанотех-нологии, так как позволяют создавать нано-размерные и (или) наноструктурные слои на поверхностях деталей. К наиболее перспективным относят нанокомпозиционные гальванические покрытия, обладающие высокими физико-механическими свойствами. Введение наноразмерных частиц в нанокомпозиционные гальванические покрытия приводит к повышению микротвердости, износостойкости и других функциональных свойств по сравне-

нию с исходным покрытием [5, 6, 7]. Однако, в литературе отсутствуют сведения о механизме упрочнения гальванических покрытий наноразмерными частицами. В связи с этим большой научно-практический интерес представляет теоретическое исследование механизма упрочнения гальванических покрытий наноразмерными частицами.

Материалы и методы исследований. Механизм образования и упрочнения наноком-позиционных гальванических покрытий [8-11] показан на рисунке 1.

Рис. 1. Структура гальванического покрытия с нановключениями

Из рисунка 1 следует, что значительное влияние на структуру материала покрытия, а, следовательно, и на его физико-механические свойства, оказывают плотность дислокаций и размер зерна. Тогда можно предположить, что микротвердость базового материала покрытия, микротвердость наночастиц и расстояние между ними в покрытии определяют величину микротвердости нанокомпози-ционного покрытия в целом.

Моделирование механизма образования и упрочнения нанокомпозиционных гальванических покрытий выполняли в два этапа. На первом этапе рассматривали линейную модель, показанную на рисунке 2.

Исходя из того, что левая и правая часть модели идентичны и повторяются между любыми двумя частицами в покрытии, то наиболее вероятная область определения микротвердости в единице объема нанокомпо-зиционного гальванического покрытия на рисунке 2 - это отрезок [/м1; /м23].

Расстояние между наноразмерными частицами /ндч (рис. 2) является периодом модели и будет равно по абсолютной величине отрезку [/м1; /м23].

В связи с этим, / оказывает наибольшее

ндч

влияние на величину микротвердости нано-композиционного покрытия. Помимо этого, величина расстояния между наночастицами определяет углы наклона отрезков М5М6 и М6М7, которые участвуют в формировании микротвердости нанокомпозиционного гальванического покрытия.

Представленная на рисунке 2 модель является системой последовательных независимых линейных процессов изменения микротвердости, следовательно, можно утверждать о линейности системы в целом.

Каждая стадия линейного процесса была математически проанализирована отдельно. Затем был определен результирующий аддитивный эффект [12].

3

£Х •х о с

о

а

о ш н

о

CL

и:

^ч 12 1у2 U «23 /уЗ /ч34

Расстояние между элементами в покрытии

Рис. 2. Графическая иллюстрация линейной модели:

OH - ось, характеризующая микротвердость элементов в покрытии; h4, hy, hM - микротвердость наноразмерных частиц, покрытия вследствие измельчения зерна и основного материала покрытия, соответственно; Нкгп - теоретическая микротвердость нанокомпозиционного покрытия; OL - ось, характеризующая расстояние между элементами в покрытии; Г, Г, /м. - координаты на оси L соответствующих величин h4, hy и h^ /ндч - расстояние между нано-размерными частицами; а, ф - углы наклона прямых; о - период эффективной области

На втором этапе моделирования использовали элементы интегрального исчисления. Допустим, что микротвердость нанокомпози-ционных покрытий определяется как среднее значение всех участков модели. Средняя ве-

личина микротвердости определяется как площадь участка, деленная на соответствующее приращение по оси абсцисс а (рис. 2). Тогда микротвердость нанокомпозиционного гальванического покрытия определяется как:

я™. =

f V Zyl ~ 7м1

V м1

di +

+ к.

di

(1)

RTTT

/

ндч

Выполнив преобразования интегралов, получим: " Л

2

лн VV

н™ =

(i2 vY+í(/2+v

у 1 м1 ) 7М1 I *Ч12 у 1

2

zyi

/

кгтт

нлч

fryl -lullyl\hy {1ч12 -tylklXK-hy)

К\2

+

гнлч

+

ÁK{1w\ ~lM\)+hÁl4\2 "¿vi))

гнлч

Выражения (1), (2) теоретически описывают микротвердость нанокомпозиционного гальванического покрытия Н Лт в зависимости от ми-кротвердостей hч, hм и расстояний между частицами в покрытии / Из уравнений (1) и (2) следует, что изменения микротвердости имеют линейную зависимость. Однако в объеме покрытия следует ожидать более сложный нелинейный характер изменения значения Нклгнп .

Результаты исследований. Как уже было отмечено, модель упрочнения нанокомпози-ционных гальванических покрытий целесообразно рассматривать в единичном объеме. Выражение для определения микротвердости нанокомпозиционных гальванических покрытий будет иметь вид [13]:

//об =

+к

dl

XIAd,

100СЭ

. Рч

ч-1/3

-(3)

В соответствии с этой нелинейной моделью была рассчитана микротвердость покрытия на основе хрома. Для расчетов использовали данные собственных предыдущих исследований [12]. Микротвердость основного материала покрытия (хром) h = 9.. .10 ГПа. На основании справочных данных и принятых допущений, что микротвердость наноразмерных порошков не меньше, чем микротвердость исходного материала, из которого они изготавливаются, то микротвердости наночастиц (Al2O3, AIN, SiC, TiC, WC) hq принимали равными от 18 до 22 ГПа, размер зерна покрытия D = 7,210-5 см. Согласно уравнению (2), расчетная микротвердость нанокомпозиционного гальванического покрытия хрома составила 14,80 ГПа. По сравнению со значением микротвердости 14,32 ГПа, определенным в экспериментах [12], относительная погрешность составила 3,35%. В связи с этим, можно утверждать о высокой степени достоверности теоретических исследований.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• проведен аналитический обзор источников по теме исследования, показавший, что нано-композиционное гальваническое покрытие де-

талей сельскохозяйственной техники имеет большие перспективы в силу его эффективности;

• разработана теоретическая модель механизма упрочнения гальванических покрытий с использованием нанотехнологий;

• проведенные расчеты показали увеличение микротвердости гальванического покрытия на основе хрома за счет включения в него наноразмерных материалов.

Библиографический список

1. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы : утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2012 г. №717 (в редакции постановления Правительства Российской Федерации от 8 февраля 2019 г. N 98). - Текст : непосредственный.

2. Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года : утверждена приказом Минсельхоза России от 25 июня 2007 г. №342. - Текст : непосредственный.

3. Mechanical and Tribological Properties of Polytetrafluoroethylene Modified with Combined Fillers : Carbon Fibers, Zirconium Dioxide, Silicon Dioxide and Boron Nitride / A. P. Vasiliev, N. N. Lazareva, T. S. Struchkova [et al.]. - Text : unmediated // Polymers. - 2023. - Vol. 15. - No. 2. - P. 313. - DOI 10.3390/polym15020313.

4. Marani, S. M. Effect of nano coating materials on reduction of soil adhesion and external friction / S. M. Marani, G. Shahgholi, A. Moinfar. - Text : unmediated // Soil and Tillage Research. - 2019. - Vol. 193. - Pp. 42-49.

5. Гордеева, Э. С. Оценка влияния режимов фрикционной обработки на характеристики наносимого покрытия / Э. С. Гордеева, В. Б. Богуцкий, Л. Б. Шрон. - Текст : непосредственный // Механики XXI веку. - 2017. - № 16. - С. 64-66.

6. Шишурин, С. А. Эксплуатационные свойства хромовых покрытий, полученных из саморегулирующегося электролита с добавлением наноразмерных частиц / С. А. Шишурин. - Текст : непосредственный // Аграрный научный журнал. - 2019. - № 7. - С. 95-100.

7. Физико-механические свойства композиционных покрытий на основе сплава никель-хром / В. Н. Целуйкин, Е. А. Василенко, О. Г. Неверная [и др.]. - Текст : непосредственный // Конденсированные среды и меж-

фазные границы. - 2013. - Т. 15. - № 2. - С. 156-159.

8. Wear resistant chromium coating with diamond nanoparticles upon an arc deposited layer / V. Petkov, P. Tashev, N. Gidikova, M. Kandeva [et al.]. - Text : unmediated // Journal of the Balkan Tribological Association. - 2015. - Vol. 21.

- No. 1. - Pp. 134-140.

9. Целуйкин, В. Н. Электрохимическое осаждение и свойства композиционных покрытий никель-хром-оксид графена / В. Н. Целуйкин,

A. С. Джумиева, А. В. Яковлев, А. С. Мостовой.

- Текст : непосредственный // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2021. -Т. 57. - № 6. - С. 660-664. - DOI 10.31857/ S004418562106019X.

10. Целуйкин, В. Н. Об электрохимическом осаждении и свойствах композиционных покрытий на основе никеля / В. Н. Целуйкин, А.

B. Яковлев. - Текст : непосредственный // Физикохимия поверхности и защита материалов.

- 2020. - Том 56. - № 2. - С. 197-201. - DOI 10.31857/S004418562002028X.

11. Салахова, Р. К. Исследование гальванических композиционных покрытий металлофи-зическими методами / Р. К. Салахова, В. В. Се-менычев, А. Б. Тихообразов. - Текст : непосредственный // Гальванотехника и обработка поверхности. - 2013. - Т. 21. - № 3. - С. 45-49.

12. Шишурин, С. А. Структура и физико-механические свойства композиционных гальванохимических покрытий / С. А. Шишурин, В.

C. Сёмочкин, В. В. Сафонов, А. Е. Гурьев. -Текст : непосредственный // Вестник АПК Ставрополья. - 2014. - № 3 (15). - С. 77-80.

13. Сафонов, В. В. Физико-математическая модель механизма упрочнения гальванических покрытий наноразмерными материалами / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, С. В. Чумакова, П. А. Горбушин. - Текст : непосредственный // Аграрный научный журнал. - 2018.

- № 7. - С. 55-58.

References

1. Gosudarstvennaya programma razvitiya sel'skogo hozyajstva i regulirovaniya rynkov sel'skohozyajstvennoj produkcii, syr'ya i prodo-vol'stviya na 2008-2012 gody : utverzhdena pos-tanovleniem Pravitel'stva Rossijskoj Federacii ot 14 iyulya 2012 g. №717 (v redakcii postanovleniya Pravitel'stva Rossijskoj Federacii ot 8 fevralya 2019 g. N 98). - Tekst : neposredstvennyj.

2. Koncepciya razvitiya agrarnoj nauki i nauch-nogo obespecheniya agropromyshlennogo kom-pleksa Rossijskoj Federacii na period do 2025 goda : utverzhdena prikazom Minsel'hoza Ros-

sii ot 25 iyunya 2007 g. №342. - Tekst : neposredstvennyj.

3. Mechanical and Tribological Properties of Polytetrafluoroethylene Modified with Combined Fillers : Carbon Fibers, Zirconium Dioxide, Silicon Dioxide and Boron Nitride / A. P. Vasiliev, N. N. Lazareva, T. S. Struchkova [et al.]. - Text : unmediated // Polymers. - 2023. - Vol. 15. -No. 2. - P. 313. - DOI 10.3390/polym15020313.

4. Marani, S. M. Effect of nano coating materials on reduction of soil adhesion and external friction / S. M. Marani, G. Shahgholi, A. Moinfar. - Text : unmediated // Soil and Tillage Research. -2019. - Vol. 193. - Pp. 42-49.

5. Gordeeva, E. S. Ocenka vliyaniya rezhimov frikcionnoj obrabotki na harakteristiki nanosimogo pokrytiya / E. S. Gordeeva, V. B. Boguckij, L. B. SHron. - Tekst : neposredstvennyj // Mekhaniki XXI veku. - 2017. - № 16. - S. 64-66.

6. SHishurin, S. A. Ekspluatacionnye svojstva hromovyh pokrytij, poluchennyh iz samoregu-liruyushchegosya elektrolita s dobavleniem nanorazmernyh chastic / S. A. SHishurin. - Tekst : neposredstvennyj // Agrarnyj nauchnyj zhurnal.

- 2019. - № 7. - S. 95-100.

7. Fiziko-mekhanicheskie svojstva kompozi-cionnyh pokrytij na osnove splava nikel'-hrom / V. N. Celujkin, E. A. Vasilenko, O. G. Nevernaya [i dr.]. - Tekst : neposredstvennyj // Konden-sirovannye sredy i mezhfaznye granicy. - 2013.

- T. 15. - № 2. - S. 156-159.

8. Wear resistant chromium coating with diamond nanoparticles upon an arc deposited layer / V. Petkov, P. Tashev, N. Gidikova, M. Kandeva [et al.]. - Text : unmediated // Journal of the Balkan Tribological Association. - 2015. -Vol. 21. - No. 1. - Pp. 134-140.

9. Celujkin, V. N. Elektrohimicheskoe osazh-denie i svojstva kompozicionnyh pokrytij nikel'-hrom-oksid grafena / V. N. Celujkin, A. S. Dzhu-mieva, A. V. YAkovlev, A. S. Mostovoj. - Tekst : neposredstvennyj // Fizikohimiya poverhnosti i zashchita materialov. - 2021. - T. 57. - № 6. - S. 660-664. - DOI 10.31857/S004418562106019X.

10. Celujkin, V. N. Ob elektrohimicheskom osazh-denii i svojstvah kompozicionnyh pokrytij na osnove nikelya / V. N. Celujkin, A. V. YAkovlev. - Tekst : neposredstvennyj // Fizikohimiya poverhnosti i zashchita materialov. - 2020. - Tom 56. - № 2. -S. 197-201. - DOI 10.31857/S004418562002028X.

11. Salahova, R. K. Issledovanie gal'vanicheskih kompozicionnyh pokrytij metallofizicheskimi metodami / R. K. Salahova, V. V. Semenychev, A. B. Tihoobrazov. - Tekst : neposredstvennyj // Gal'vanotekhnika i obrabotka poverhnosti. -2013. - T. 21. - № 3. - S. 45-49.

12. SHishurin, S. A. Struktura i fiziko-mekhani-cheskie svojstva kompozicionnyh gal'vano-himicheskih pokrytij / S. A. SHishurin, V. S. Syo-mochkin, V. V. Safonov, A. E. Gur'ev. - Tekst : neposredstvennyj // Vestnik APK Stavropol'ya. - 2014. - № 3 (15). - S. 77-80.

13. Safonov, V. V. Fiziko-matematicheskaya model' mekhanizma uprochneniya gal'vanicheskih pokrytij nanorazmernymi materialami / V. V. Safonov, S. A. SHishurin, S. V. CHumakova, P. A. Gorbushin. - Tekst : neposredstvennyj // Agrarnyj nauchnyj zhurnal. - 2018. - № 7. - S. 55-58.

Контактная информация: Сафонов Валентин Владимирович

профессор, ФГБОУ ВО Вавиловский университет 410012, г. Саратов, пр-кт им. Петра Столыпина зд. 4, стр. 3.

E-mail: [email protected]

Шишурин Сергей Александрович

доцент, ФГБОУ ВО Вавиловский университет 410012, г. Саратов, пр-кт им. Петра Столыпина зд. 4, стр. 3

E-mail: [email protected]

Горбушин Павел Александрович

ФГБОУ ВО Вавиловский университет 410012, г. Саратов, пр-кт им. Петра Столыпина зд. 4, стр. 3

E-mail: [email protected]

Contact Information: Safonov Valentin Vladimirovich

Professor of the Vavilov University

Pyotr Stolypin pr., zd. 4, b. 3, 410012, Saratov,

Russia

E-mail: [email protected]

Shishurin Sergey Alexandrovich

Associate Professor, Vavilov University Pyotr Stolypin pr., zd. 4, b. 3, 410012, Saratov, Russia

E-mail: [email protected]

Gorbushin Pavel Aleksandrovich

Vavilov University,

Pyotr Stolypin pr., zd. 4, b. 3, 410012, Saratov, Russia

E-mail: [email protected]