Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

THE CHOICE OF THE EFFECTIVE MODIFICATORS FOR RECEIPT OF COMPOSITIONAL NI-P COATINGS WITH ANTI-FRICTIONAL PROPERTIES

Derlugyan P.D. 1 Ivanov V.V. 1 Ivanova I.V. 2 Loginov V.T. 1 Shishka V.G. 2 Shcherbakov I.N. 1
1 FGUE SDTU «ORION»,South-Russian state engineering university
2 FGUE SDTU «ORION»
The possible of choice of the effective modificators for compositional Ni-P coatings with anti-frictional properties receipt was discussed. The efficiently of the ultradispersional powders of oxides with corunde and rutile structures, the carbon and boron nitride with diamond-like structures, the metals with W and Mg type structures was examined.
structural phase disordering
nanostructures
compositional coats
nanodiamond
tribologic properties

Химическое модифицирование состава композиционных покрытий (КП) и поверхности трения – один из перспективных способов защиты изделий от коррозионно-механического изнашивания [1-4]. Известно, что при получении КП на основе Ni-P покрытий используют различные модифицирующие добавки, которые приводят к образованию покрытий систем Ni – модификатор – P [3, 4]. Роль модификатора обычно выполняют ультрадисперсные материалы, которые должны обеспечить присутствие в КП фаз с антифрикционными свойствами и существенно улучшить трибологические характеристики поверхности. В результате возможных химических и физико-химических процессов в КП при его формировании и при трибоконтакте поверхности покрытия с сопряженной поверхностью узла трения необходимо, чтобы были в наличии определенные фазы, характеризующие твердую и смазочную компоненты покрытия [4]. В этом случае введение модификаторов, удовлетворяющих данным условиям, должно привести к улучшению свойств поверхности КП по сравнению со свойствами Ni-P покрытия без модификатора и обеспечить коррозионную и механическую защиту изделия в узлах трения.

Для получения эффективных композиционных Ni-P покрытий (КНФП) используют, в частности, дисперсные материалы в виде простых оксидов состава Me2O3 (Me – Al, Cr) со структурой типа корунда, MeO2 (Me – Ti, Zr, Ce) со структурой типа рутила или ультрадисперсные металлические порошки: Me – Cr, Mo, W, V, Ta с кубической структурой типа вольфрама, Me – Ti, Zr с гексагональной структурой типа магния [5, 6]. Результаты моделирования фазово-разупорядоченного состояния поверхности некоторых КНФП в процессе трения получены в соответствии с методиками [2, 4, 7-10] и приведены в [7, 11-15]. Результаты моделирования свойств поверхности этих КНФП представлены в [16-23]. Трибологические свойства поверхности КНФП при трении с поверхностью стали марки Ст45 оценивали в соответствии с моделью «концентрационной волны» [3, 4, 21].

При трении для всех дисперсных материалов предполагались процессы деагрегации микрочастиц и их частичная диспергация до образования наночастиц. В частности, для КНФП, модифицированного наноалмазом, предполагалось, что в процессе трения происходит разрушение агрегатов углеродсодержащих наночастиц, «графитизация» их поверхностных оболочек и образование, в частности, «ядер» в виде фуллереноподобных наноструктур (в том числе и малых фуллеренов) диаметром до 0,7 нм [24]. Для КНФП, модифицированного BN, неметаллические компоненты композиции окисляют металл композиции с образованием ультрадисперсных фаз соответствующих низкобористых соединений [2–4].

Результаты исследований по моделированию двумерных наноструктур [4, 25-29] и поверхностных фрактальных структур [4, 30-41] послужили в качестве банка аппроксимантов для идентификации вероятных распределений фаз и нанообъектов по поверхности покрытия и для оценки вклада конфигураций межфазных границ в эффект синергизма трибологических свойств.

На диаграмме «коэффициент трения – скорость линейного износа» (рис. 1) представлены результаты расчета свойств покрытий для условий трения без жидкого смазочного материала. Установлено, что использование для получения КНФП модифицирующих добавок в виде высокодисперсных порошков оксидов переходных металлов со структурами корунда и рутила может привести к существенному улучшению износостойкости (примерно на 20 %) и незначительному снижению коэффициента трения поверхности Ni-P покрытий (рис. 1). Эффект улучшения трибологических свойств в этом случае даже несколько выше, чем при использовании в качестве модификаторов твердых смазочных материалов со слоистыми структурами (MoS2 и C (гексагональный графит)). Однако по износостойкости эффект улучшения несколько ниже, чем для КНФП с модифицирующей добавкой в виде ультрадисперсного a-BN (см. рис. 1).

der1.tif

Рис. 1. Диаграмма fтр – Iл для КНФП с различными модификаторами без политетрафторэтилена (ПТФЭ) (а) и с добавлением ПТФЭ (б, в). Свойства рассчитаны в соответствии с методикой [2] для условий трения без жидкого смазочного материала: величина удельной нагрузки Р = 1 МПа, скорость трения 0,048 м/с, сопряженная поверхность – сталь Ст45

При совместном введении модификаторов политетрафторэтилена (ПТФЭ) и оксидов металлов коэффициент трения КНФП существенно снижается (на 20–40 % по сравнению с аналогичным показателем для Ni-P покрытий, в зависимости от концентрации ПТФЭ). В этом случае по эффективности модифицирования поверхности покрытия ультрадисперсные оксиды переходных металлов с указанными структурами, BN с алмазоподобной структурой и наноалмаз (НА) занимают промежуточное положения между твердыми смазочными материалами со слоистыми структурами и ультрадисперсным a-BN. (рис. 1 и 2). Установлено, что при использовании всех видов модификаторов значения износофрикционности (Iл f) КНФП закономерно уменьшаются по мере увеличения объемной концентрации a фаз смазочной компоненты композиционных покрытий [4] (рис. 2).

Таким образом, предложены количественные критерии выбора ультрадисперсных материалов, которые могут быть использованы как модификаторы для получения антифрикционных КНФП на основе Ni-P покрытий. В соответствии с критериями проанализирована возможность использования в качестве модифицирующих добавок оксидов металлов со структурами корунда и рутила, соответствующих металлических порошков и ПТФЭ, а также наноалмаза и ультрадисперсного нитрида бора с добавлением ПТФЭ. Сравнительным анализом трибологических свойств указанных выше КНФП, рассчитанных в соответствии с синергической моделью «концентрационной волны», и аналогичными данными для КНФП с модификаторами типа MoS2 и C (графит) установлена их потенциальная эффективность для повышения износостойкости и антифрикционности Ni-P покрытий.

der2.tif

Рис. 2. Диаграмма (Iл fтр) – a для КНФП с различными модификаторами

Эта эффективность косвенно подтверждается, в частности, результатами трибологических испытаний твердосмазочных антифрикционных покрытий, полученных с использованием ультрадисперсного оксида алюминия [42] и наночастиц алмаза [43].