Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,898

ANTI-FRICTIONAL PROPERTIES MODELING OF THE COMPOSITIONAL COATINGS BY SYSTEMS NI – MEO2 (RUTILE) – ME – P – TEFLON

Shcherbakov I.N. 1 Popov S.V. 1 Ivanov V.V. 1
1 South-Russian State Polytechnic University
The possible influence of the modified additions as the ultra dispersion powders of the simple and complex oxides (with rutile structure), the simple compounds with Mg and W structures and the teflon onto tribologic properties of the compositional Ni-P-coatings was analyzed
modeling
synergic model of properties
compositional Ni-P-coatings

Для получения эффективных композиционных никель-фосфорных покрытий используют, в частности, дисперсные материалы в виде простых оксидов состава MeO2 (Me – Ti, Zr, Ce) со структурой типа рутила TiO2 (пр. гр. P42/mna (z = 2)) и ультрадисперсные металлические порошки: Me – Ti, Zr с гексагональной структурой типа Mg (пр. гр. P63/mmc (z = 2)) или Me – Cr, Mo, W, V, Ta с кубической структурой типа W (пр. гр. Im3m (z = 2)).

В структуре типа рутила катионы Ti4+ занимают октаэдрические позиции в гексагональной плотнейшей упаковке анионов. Каркасная структура состоит из цепей TiO6–октаэдров, в которых каждый октаэдр связан с соседним по двум противоположным ребрам. Между собой эти цепи сочленяются вершинами октаэдров. Соединения структурного типа рутила относятся к ооктаэдрическим структурам, основанным на частичном заполнении (1/2) октаэдрических пустот в ГПУ и принадлежат к следующему ряду структурных типов: Mg (P63/mmc (z = 2)) → FeCl3 (P3112 (z = 6)) → TiO2 (P42/mna (z = 2)) → aAl2O3 (R3c (z = 3)) → NiAs (P63/mmc (z = 2)).

Для получения эффективных композиционных покрытий кроме дисперсных материалов в виде простых оксидов и ультрадисперсных металлических порошков используют твердые смазочные материалы, в частности фторопласт. Введение фторопласта как правило приводит к существенному улучшению трибологических свойств композиционных покрытий.

Результаты моделирования в соответствии с [1 – 3] фазово-разупорядоченного состояния некоторых композиционных никель-фосфорных покрытий и свойств их поверхности при трении с поверхностью стали марки Ст45, полученные в соответствии с [1], приведены в таблице.

Трибологические свойства композиционных покрытий (скорость линейного износа Iл и коэффициент трения f) рассчитаны по формуле P = αPтв + (1 – α) Pсм + δP (Pтв – Pсм) (символ Р идентичен Iл или f) с учетом эффекта синергизма в виде dР = 4(1 – α) α2 [1 – k (1 – kн)], где a – объемная доля фаз твердой компоненты покрытия. Для расчета использовали усредненные для композиционных никель-фосфорных покрытий значения размерного параметра k = 0,5 и параметра наноструктурности kн = 0,05 [1, 4, 5].

Фазовый состав и свойства некоторых композиционных никель-фосфорных покрытий системы Ni - MeO2 - Me - фторопласт - P

Покрытие

Компоненты и

фазовый состав

Доля фаз твердой компоненты

a

Скорость линейного износа, Iл, мкм/ч

Коэффициент трения,

f

Ni-P

(тв.) Ni, Ni3P

0,92

5,95

0,25

(см.) Ni12P5, Ni2P

Ni-P

(фторопласт)

(тв.) Ni, Ni3P

0,90

5,0

0,20

(см.) Ni12P5, Ni2P, фторопласт

Ni-P

(TiO2, Ti)

(тв.) Ni, Ni3P, TiO2, Ni3Ti, NiTi2, Ti3P

0,89 - 0,90

4,6 - 4,8

0,24

(см.) Ni12P5, Ni2P

Ni-P

(TiO2, Ti, фторопласт)

(тв.) Ni, Ni3P, TiO2, Ni3Ti, NiTi2, Ti3P

0,85

0,75

3,9

4,3

0,21

0,17

(см.) Ni12P5, Ni2P, фторопласт

Ni-P

(ZrO2, Zr)

(тв.) Ni, Ni3P, ZrO2,

0,89 - 0,90

4,5 - 4,7

0,23

(см.) Ni12P5, Ni2P, Ni10Zr7

Ni-P

(ZrO2, Zr, фторопласт)

(тв.) Ni, Ni3P, ZrO2,

0,85

0,75

3,8

4,1

0,22

0,18

(см.) Ni12P5, Ni2P, Ni10Zr7, фторопласт

Для электролитических композиционных Ni-B-покрытий [6 – 13] аналогичный параметр kн принимает значения в интервале от 0,05 до 0,15. Данный интервал значений обусловлен, по-видимому, тем, что в приведенных выше расчетах при оценке эффекта синергизма не учитывали влияние особенностей конфигурации межфазных границ [14 – 18]. Варианты формирования и символьного описания детерминистических фрактальных структур на поверхности композиционных материалов представлены в работах [19-24]. Особенности формирования и описание возможных состояний некоторых гибридных мономодулярных фрактальных структур приведены в [25-28].

Общая характеристика возможного фазово-разупорядоченного состояния в композиционных никель-фосфорных покрытий систем Ni – MeO2 – Me – P: MeO2 (рутил – пр. гр. P42/mna(z = 2), Ме – Ti, V, Cr, Mn, Ru, Os, Ir, Zr, Mo, W, Ge, Sn, Pb и возможные разупорядоченные твердые растворы оксидов этих металлов; Ni2MeO4 (шпинель – пр. гр. Fd3m (z = 8), Me – V, Cr, Mn, Ge, Sn, Pb), Me (структурный тип Mg – пр. гр. P63/mmc (z = 2), Me – Ti, Zr, Hf), фосфиды MeP (пр. гр. P63/mmc и Pcmn, Me = Ti, V, Cr, Mn, Zr, W), Me3P (пр. гр. P42/n и I`4, Me = Ti, V, Cr, Mn, Zr), Me2P (пр. гр. P`62m, Me = Ti, Mn), интерметаллиды в системах Ni-Me (в частности, Ni3Ti – пр. гр. P63/mmc (z = 4), NiTi2 – пр. гр. Fd3m (z = 32)).

Рассчитанные величины трибологических свойств поверхности некоторых композиционных покрытий системы Ni – Me2O3 – Me– P– фторопласт, приведенные в таблице, согласуются с полученными ранее экспериментальными данными [1-5, 14 – 17, 29 – 32].

Таким образом, в системе Ni – MeO2 – Me – P – фторопласт возможно образование фаз, дополняющих состав твердой и смазочной компонент композиционных никель-фосфорных покрытий, а также вероятных интерметаллических фаз, которые могут обусловить адгезию покрытия к защищаемой основе. Полученные результаты моделирования могут быть использованы для целенаправленного выбора ультрадисперсных модификаторов антифрикционных композиционных покрытий [17, 33,34].