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.
Библиографическая ссылка
Щербаков И.Н., Томазова Н.А., Иванов В.В. ВОЗМОЖНОЕ ВЛИЯНИЕ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА ФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ Ni-P ПОКРЫТИЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 11. – С. 48-50;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34774 (дата обращения: 21.11.2024).