Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

1 1 1
1

Комплексная синергическая модель «концентрационной волны», описывающая трибологические свойства P (в частности, скорость линейного износа Iл и коэффициент трения f) поверхности однородных композиционных покрытий (КП), основана на одновременном учете параметра наноструктурности kн и параметра kг,S, характеризующего квазифрактальный характер конфигурации межфазных границ, следующим образом:

P = αPтв + (1 – α) Pсм + δP (Pтв – Pсм),

где δP = 2(1 – α) α2 [1 + kн + α k г,S)], α – относительная объемная концентрация фаз твердой компоненты КП в двухкомпонентном приближении [1]. Значения регулировочных параметров модели обусловлены определенными концентрационными долями фаз твердой компоненты КП, которые по соответствующим причинам проявляют при трении свойства смазочных материалов. Соотношение этих параметров (kн /α kг,S) может принимать значения порядка 10-1 и зависит от фазового состава КП, концентраций и индивидуальных характеристик фаз твердых и смазочных материалов.

В случае использования меди и медьсодержащих сплавов в качестве компоненты КП наблюдается явление избирательного переноса, сопровождающееся существенным улучшением трибологических характеристик покрытий [2]. Проанализируем возможные варианты учета этого явления в рамках модели «концентрационной волны».

Параметр наноструктурности kн в модели «концентрационной волны» рассматривался как регулировочный параметр, который был необходим для согласования расчетных и экспериментальных данных [3]. Учет этого модельного параметра при kн ≠ 0 объясняет эффект синергизма и уточняет расчетные значения трибологических характеристик КП. Экспериментально установлено [3–5], что для КП разного фазового состава параметр kн может принимать значения в интервале от 0,03 до 0,08 и характеризует объемную долю наночастиц (или микрочастиц) фаз твердых компонент КП и контр-тела со специфической формой, которые могут находиться в зоне трибоконтакта. Учет конфигурации межфазных границ в виде параметра kг,S, характеризующего их поверхностную долю, позволяет считать твердые фазы, находящиеся в приграничной зоне, как условный смазочный материал. Формально эффект синергизма в виде δ = 2(1 – α)α2 (1 + α k г,S) также позволяет уточнить расчетные значения трибологических характеристик КП [1].

По совокупности трибологических свойств медьсодержащие фазы проявляют себя как «промежуточные» между фазами твердой и смазочной компонент КП. Действительно, в соответствии с явлением избирательного переноса медь распределяется по поверхности покрытия и контртела, практически не подвергаясь значительному уносу из зоны трения. Процесс «накопления» ее при этом в поверхностных слоях материалов, находящихся в трибоконтакте, происходит преимущественно на микродефектах (в основном на межфазных границах) и может быть конкурирующим с процессами накопления там же фаз смазочной компоненты КП. С другой стороны, противодействие износу поверхности КП ставит медь и медьсодержащие фазы в один ряд с фазами твердой компоненты покрытий.

В рамках синергической модели «концентрационной волны» можно рассматривать два варианта представления свойства КП [6, 7].

1. Вариант представления в двухкомпонентном (твердая + смазочная) приближении:

P = α<Pтв> + (1 – α) <Pсм> ± δP (<Pтв> – <Pсм>),

где относительный синергический эффект dP = 2(1 – a) a2 [1 + kн + 2 α kг,S)], в котором член 2αkг,S учитывает присутствие меди на обеих смежных поверхностях вследствие избирательного переноса, величина (1-a) = (aсм+aCu), параметр kн [0,03…0,08] характеризует усредненную объемную долю нано и микрочастиц фаз твердых компонент КП и КТ со специфической формой в зоне трения, возможная поверхностная доля межфазных границ kг,S [0,05…0,10] [1], <Pтв> = (aPтв + aCu PCu)/(a + aCu), <Pсм> = (aсм Pсм + aCu PCu)/(aсм + aCu).

2. Вариант представления в трехкомпонентном (твердая + медьсодержащая + смазочная) приближении:

P = a<Pтв> + a’Cu<PCu> + aсм<Pсм> ± dтв-см (<Pтв> – <Pсм>) ± dтв-Сu (<Pтв> – <PCu>) ± dCu-см (<PCu> – <Pсм>),

где составляющие относительного синергического эффекта: δ тв-см = 2αсм α2 [1 + kн + αk г,S)], δ тв-Сu = 2αCuα2 [1 + kн + 2αkг,S)] и dCu-см = 2aсмaCu2 [1 + kн + 2αkг,S)], (α + αCu + αсм) = 1, а эффективное значение поверхностной концентрации меди α’Cu = 2α k г,S > αCu .

По заданным значениям скоростей линейного износа в режиме сухого трения для фаз твердой компоненты Ni и Ni3P (≅ 6 мкм/ч), Ni3Cu (≅ 5 мкм/ч) и фаз смазочной компоненты Ni12P5 и Ni2P (≅ 7,5 мкм/ч), Cu и NiCu (≅ 8,5 мкм/ч) и фторопласт (≅ 38 мкм/ч) рассчитаны Iл (при k ≅ 0,5, kн = 0,03…0,08, kг,S = 0,05…0,10). Соответствующий учет усредненных значений коэффициента <f> в режиме трения без жидкого смазочного материала для твердых компонентов КП Ni и Ni3P (≅ 0,30), Ni3Cu (≅ 0,25) и фаз смазочной компоненты Ni12P5 и Ni2P (≅ 0,04), Cu и NiCu (≅ 0,18) и фторопласт (≅ 0,05) рассчитаны f (тоже при k ≅ 0,5, kн = 0,03…0,08 и kг,S = 0,05…0,10) [1, 3–5].

Установлено, что расчет по обеим вариантам представления свойств покрытий дает приблизительно одинаковые результаты (при увеличении концентрационного параметра aсм от 0 до 0,30 отклонение величин свойств по трехкомпонентному представлению в сторону более низких показателей возрастает, но не превышает 2,5–3 % по сравнению с аналогичными значениями, полученными по двухкомпонентному представлению). Результаты расчета скорости линейного износа и коэффициента трения для некоторых КП на основе Ni-P покрытий с модифицирующими добавками в виде меркупраля [(C2H5)2NCSSSSCN(C2H5)2]Cu и фторопласта (C2F4)n (4МД) с учетом влияния характеристик поверхности контртела (Ст45) представлены в [3]. Очевидно, что трибологические характеристики покрытий существенно зависят от концентрационного параметра и закономерно изменяются по мере изменения модельных параметров, характеризующих особенности ультрадисперсных фаз твердой компоненты и конфигурации межфазных границ на смежных поверхностях трения.

Учет состава рабочего раствора для нанесения покрытий, возможного механизма совместного осаждения никель-, фосфор- и медьсодержащих частиц, вариантов соосаждения микрочастиц фторопласта 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 aсм [3–5]. Полученные результаты расчета удовлетворительно согласуются с соответствующими экспериментальными данными [3–6]. На основании сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных для анализируемых КП на основе Ni-P покрытий можно утверждать, что наиболее эффективным является вариант одновременного введения двух модификаторов в растворы для никелирования стальных деталей узлов трения. Эффективность действия этих модификаторов может быть обусловлена, по-видимому, двумя явлениями: 1) «накоплением» фаз смазочной компоненты на поверхности покрытия, которое находится в фазово-разупорядоченном состоянии, и 2) избирательным переносом меди на смежную поверхность трения для медьсодержащих фаз покрытия.

Возможно также, что для этих явлений реализуется своеобразный вторичный синергизм, приводящий к независимому друг от друга влиянию на трибологические свойства КП. На это указывают результаты расчета по трехкомпонентному представлению свойства покрытия, в соответствии с которыми влияние смазочной компоненты и избирательного переноса превышает приблизительно на 2–3 % их же влияние, ожидаемое по аддитивной двухкомпонентной схеме.

Таким образом, проанализировано возможное влияние модифицирующих добавок в виде ультрадисперсного порошка меркупраля и политетрафторэтилена 4МД в раствор химического никелирования на трибологические свойства композиционных Ni-P покрытий на стальных деталях узлов трения. С использованием синергической модели «концентрационной волны», учитывающей особенности ультрадисперсных фаз твердой компоненты и конфигурации межфазных границ в покрытиях, установлено существенное снижение коэффициента трения и скорости линейного износа при одновременном введении указанных модифицирующих добавок по сравнению с вариантами введения только политетрафторэтилена или меркупраля. Эффективность использования этих модификаторов обусловлена, по-видимому, явлением «накопления» фаз смазочной компоненты на поверхности покрытия, которое находится в фазоворазупорядоченном состоянии, и явлением избирательного переноса на смежную поверхность трения для медьсодержащих фаз покрытия. Возможно, что для этих явлений реализуется своеобразный вторичный синергизм, приводящий к независимому друг от друга влиянию на трибологические свойства КП, превышающему влияние, ожидаемое по аддитивной схеме.