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 (R3c (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].