Моделирование антифрикционных свойств неоднородных градиентных композиционных покрытий на поверхности стальных деталей узлов трения

УДК 669.018:548.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ НЕОДНОРОДНЫХ ГРАДИЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

© 2010 г. В.В. Иванов, И.Н. Щербаков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Проанализированы и обсуждены возможности моделирования и расчета коэффициента трения и скорости линейного износа поверхностей неоднородных композиционных покрытий с градиентом концентрации твердой компоненты. Результаты анализа использованы для интерпретации антифрикционных свойств поверхности композиционных покрытий на стальных деталях узлов трения. Полученные качественные результаты могут быть использованы для прогноза новых составов покрытий с необходимыми антифрикционными свойствами.

Ключевые слова: моделирование; коэффициент трения; скорость линейного износа; композиционные покрытия; градиентные покрытия.

The modeling and the calculation possibilities of the friction coefficient and the linear wear velocity of un-homogeneous compositional covers surface with solid component concentration gradient were analyzed and discussed. The results of analysis were used for interpretation of the anti-friction properties of compositional covers surface of steel details of the friction knots. The receiving qualitative dates are may be used for prediction of the novel covers composition with necessary anti-friction properties.

Keywords: modeling; friction coefficient; velocity of linear wear; compositional covers; gradient covers.

Введение

Состояние фазовой разупорядоченности обусловлено особенностями химического и фазового состава композиционного покрытия (КП), вероятными необратимыми физико-химическими процессами в трибо-системе. Последствия проявления фазовой разупорядоченности связаны с повышенной химической активностью фаз, их относительной устойчивостью и аномальными микроструктурными характеристиками и механическими свойствами. Оценка возможности реализации фазовой разупорядоченности поверхностных фаз с повышенной твердостью в покрытиях стальных изделий, подвергающихся трению, может способствовать интерпретации их износостойких свойств и сопротивления значительным циклическим контактным нагрузкам. Проявление фазовой разупорядоченности объясняет факт улучшения и остальных трибологических характеристик покрытий: уменьшение скорости изнашивания сопряженных поверхностей и коэффициента трения [1 - 6].

В [7] рассматривались модель фазово-разупоря-доченного состояния и результаты моделирования фазовой разупорядоченности на поверхности стали, обработанной жидким стеклом в щелочной среде в присутствии добавок с разной окислительной способностью. Установлено, что образующийся непосредст-

венно на поверхности стального изделия оксидный слой может включать в свой состав наряду с Fe2O3 (со структурой дефектной шпинели) и FeO (со структурой NaCl) сложные оксиды со структурой шпинели MFe2O4 (М - Fe, Mg). Следующий слой, состоящий из простых и сложных силикатов, может включать, наряду с ферросилитом FeSiO3 и силикатами железа (III) Fe4(SiO4)3 и Fe2(SiиO2и+1)3, также гиперстен Mg1-^е^Ю^ сложный силикат со структурой граната (Ca,Mg,Fe)3Fe2(SiO4)3 и железо-магниевый силикат Mg2-xFexSiO4 со структурой оливина. Поверхностные силикаты, образующиеся в системе (Ca,Mg)O-Al2O3 -(К,№)2О^Ю2, обладают меньшей твердостью по сравнению с железосодержащими силикатами и, благодаря преимущественно слоистому характеру своих структур, обеспечивают необходимый градиент проявления антифрикционных и износостойких свойств поверхности материала в целом [7 - 9].

Моделирование свойств неоднородных по фазовому составу в направлении нормали к поверхности композиционных покрытий (КП), характеризующихся градиентом концентрации твердых компонент и находящихся во фрикционном контакте без смазочного материала, осуществимо и в случае отличающихся по составу материалов, если использовать результаты моделирования свойств соответствующих однородных КП.

Моделирование антифрикционных свойств КП

Однородные по фазовому составу КП

В соответствии с моделью «концентрационной волны» [1, 2] трибологическое свойство однородного по фазовому составу КП,- может быть представлено следующим образом:

Si = SCMj + а, [у,- - b, а,

где а, - объемная концентрация фаз твердой компоненты i-го КП; S^j и S^j - усредненные значения свойств фаз твердой и смазочной компонент для i-го КП; величина у, = (S^,- - S^,,) / |S1B,i - SoJ равна 1 (если S^ > S^,,), либо 0 (если S^,,- = S^,,), либо -1 (если S^ < S^,,); множитель bt = 2(1+£н,,-), где k^, -наноструктурный параметр, характеризующий объемную долю наноразмерных частиц фаз твердой компоненты i-го КП с особенной (сферической, цилиндрической или близкой к ним) формой, которые могут снизить концентрацию твердых фаз в зоне распространения «концентрационной волны» в (1+k^,) раз.

Неоднородные по фазовому составу КП

В случае неоднородного по фазовому составу КП при наличии grad a,(x) > 0 имеем [1]:

Si = S^t + a,

b(x) = b, + 2(x - 0,5xJ grad ^¿(x) =

=bi + 2

Здесь xH - глубина действия поля градиента концентрации grad a,(x).

Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2) и после преобразования и игнорирования члена, содержащего grad3a,(x), получим:

S,(x) = Si + {у, - P,(ai,kH,i) - e,(a,)(x - 0,5x0 grada,(x)}x

x

где Pi^A,,) = (b,-2) a,2(1 - a,) - bt s,(a,); s,(a,) = a, (2 -- 3a,); Sj определяется по формуле (1).

Таким образом, трибологические свойства неоднородного по фазовому составу КП с положительным градиентом концентрации твердой компоненты при трении без смазки могут быть рассчитаны по следующим формулам:

f

где fi = Лм,, + a, [1 - bi a, (1 - a,)] \fTB,i -f^;

I(x) = I, -{1+ Р^А,,^ s,(a,)(x-0,5xn)grada,(x)} x

x

где Ii = 1см,- a, [1 + bi a, (1 - a,)] |I1B,I- - 4J, если известны индивидуальные трибологические характеристики фаз и их содержание в КП, а также величина grad a,(x) [1].

Однородные КП разного состава

В этом случае в соответствии с результатами работ [1, 2, 4] трибологическое свойство однородного по фазовому составу КП/ с определенной концентрацией фаз твердой компоненты а,- при трении без смазки с другим однородным по фазовому составу КП/ (а,) после несложных преобразований может быть представлено следующим образом:

S'i = $ - а,

В выражении (8) величина Si(x) определяется по формуле (1); 2а(х)ДкЯ1(х) - изменение множителя Ь, при переходе от системы КШ/П/КП,' к системе КШ/П/КП/ (в приближении Дкн,, = (Дкн/ - Дкн, О а, где аг, - относительная доля продуктов износа КП/); Да , -изменение объемной концентрации фаз твердых компонент КП в зоне распространения «концентрационной волны Дх, за счет наложения «концентрационной волны» Дх, (в приближении Да , = (а, - а ,) а7/).

Неоднородные КП разного состава

В случае неоднородных по фазовому составу КП,' и КП/ при наличии grаdai(x) > 0 и grada/(x) > 0 имеем [1]:

$'(х) = $(х) - а,(х) (1 - а,(х)) [Ь,(х) Да,(х) +

+ 2а,

где ¡(х) определяется по формуле (5), а зависимости Да ,(х) = [а,(х) - а ,(х)] а= Да , и

Дкн, ,(х) = (кн/ - кн, О а1/ = Дкн, ,

получены в приближении (х - 0,5хп/ grada/(x) = (х -

- 0,5хп, ,) grada ,(х).

После подстановки (5) и последующих приближенных зависимостей в формулу (9) и ее преобразований при условии пренебрежения членами, содержащими grаd3a/(x) и Дк^л grad2a/(x), имеем:

$'(х) = - {ц - [у,- + ц - %,] (х - 0,5хп) grada ,(х) + + £ , (х - 0,5хп)2 grad2a ,(х)} , - ,{, (10) где использованы следующие обозначения цi = 2а ,2(1 - а,) Дкн, , и

% , = а ,(1 - а ,)Ь , + 2а 2(1 - а,) - (Ь , - 2Дкн,,)£ ,.

Отметим, что в выражении (10) вида S ¡(х) = -

- ДSi(x) дополнительный член ДSi(x) можно рассматривать как суммарное изменение величины положительного синергического эффекта при grаda ,(х) > 0 в КП , и grada/(x) > 0 в КП/ в результате их взаимного влияния на характеристики «концентрационных волн» Дх, и Дх,. Величина изменения синергетического эффекта Д^(х) существенно зависит от объемных долей наноразмерных частиц фаз твердых компонент обоих материалов, которые и влияют на величины кн и Дкн. Методика анализа вероятных наноразмерных частиц для заданных кристаллических фаз твердых компонент КП может быть аналогична тем, которые были использованы в работах [2 - 4].

На основании соотношения (14) коэффициенты трения и скорости линейного износа для КП/ системы КП/ТШ/КП/ могут быть представлены следующим образом:

Ж*) = /-{п-[1+Л!Ч|](*-0,5хп)§гааа,(х) +

+ £I

I (*) = II-{nI+[1-nI+^I](x-0,5xп)gradaI(x) +

+ £I

где / и ^ определяются так же, как в представлениях (6) и (7).

Таким образом, трибологические свойства неоднородных по фазовому составу КП/ с градиентом grаdaI(x) > 0 могут быть определены по формулам (11) и (12), если известны индивидуальные трибологиче-ские характеристики твердых и смазочных фаз и величины градиентов концентраций твердых фаз обоих КП системы. Трибологические свойства КП/ с градиентом grаda/(x) > 0 могут быть определены по аналогичным формулам, полученным путем формальной замены индексов / о/.

Обсуждение результатов

Фазовый состав однородных никель-фосфорных КП определяется технологией их получения и возможными процессами, протекающими при трении на поверхности КП: химическим модифицированием, диспергированием частиц поверхностных фаз, перераспределением химических компонентов трибоси-стемы [1, 2, 4 - 6]. Соответствующий учет усредненных значений коэффициента </> и скорости линейного износа <1лин> для фаз твердой и смазочной компонент позволяет рассчитать значения 1лин и / для КП различных составов с учетом характеристик материала контр-тела (и, в частности, материала трибосопря-женной поверхности другого КП) [1].

Для градиентных КП на основе натриевого жидкого стекла проанализированы возможное фазово-разупорядоченное состояние и вероятность образования наночастиц фаз твердой компоненты покрытий с определенной формой [7 - 9]. Проведен расчет характеристик этих покрытий в соответствии с предложен-

ной моделью синергизма. Экспериментально [9 - 11] установлено, что применение КП на легированных сталях приводит к устойчивому снижению (~ на 20 %) и уменьшению 1л поверхности покрытия (~ на 35-50 %) (таблица).

Сравнительным анализом полученных показателей изнашивания с соответствующими значениями для материалов без покрытия установлено, что линейный износ уменьшается примерно на 15 - 40 % во всех случаях, кроме стали 18Х13Н3МФА при средних концентрациях (0,6 - 0,8 % по массе) соляной кислоты в растворах полимеров (таблица). Возможно, что это отклонение связано с достаточно хорошими триболо-гическими характеристиками этого материала без покрытий. В результате проведенных ресурсных испытаний показано, что долговечность работы поверхности исследуемых стальных изделий с нанесенным покрытием увеличивается примерно в 3,5 раза по сравнению с аналогичными материалами без покрытия [11].

Вывод

В соответствии с результатами работ [9 - 11] и на основании полученных в данной работе результатов анализа возможные причины усиления трибологиче-ских характеристик поверхности изделий с нанесенными на них КП в водно-модифицирующем растворе на основе силиката натрия могут быть следующими.

Причина первая - образование градиентного по толщине КП за счет наличия определенных фаз, образующихся в результате вероятных физико-химических процессов, и их распределения в объеме покрытия в соответствии с принципом положительного градиента твердости.

Причина вторая - проявление в процессе трения поверхностей с КП положительного синергического эффекта, связанного с одновременным существованием в объеме покрытий твердых износостойких фаз и фаз со смазочными свойствами.

Причина третья - образование защитного коррозионно-стойкого слоя на деталях с повышенной адгезией к их поверхности и возможность процесса самовоспроизводства при трении и износе градиентного КП.

Трибологические характеристики изделий с покрытием на основе натриевого жидкого стекла и результаты их ресурсных испытаний [11]

Материал изделия Концентрация HCl в растворе, % по массе Коэффициент трения Интенсивность изнашивания поверхности, 1л, мг/км

Сталь 18Х13Н3МФА 0,3 - 0,4 0,041 (0,050)* 0,110 (0,137) (0,210)*

0,6 - 0,8 0,036 (0,044)* 0,090 (0,112) (0,115)*

Сталь 40Х11НМ3Ф 0,3 - 0,4 0,050 (0,056)* 0,124 (0,155) (0,250)*

0,6 - 0,8 0,041 (0,052)* 0,093 (0,116) (0,150)*

Примечание. В круглых скобках со звездочкой приведены соответствующие данные для изделий без покрытия [11].

Результаты анализа могут послужить не только качественным, но и количественным обоснованием для интерпретации антифрикционных и износостойких свойств, проявляемых поверхностями стальных деталей узлов трения с неоднородными градиентными КП различного фазового состава.

Работа выполнялась в рамках гранта Президента РФ № МК-1859.2010.8 для государственной поддержки молодых ученых.

Литература

1. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ростов н/Д., 2006. 112 с.

2. Синергический эффект в композиционных материалах при трении и износе В.В. Иванов [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 3. С. 46 - 49.

3. Иванов В.В. Концепция фазово-разупорядоченного состояния поверхности антифрикционных и износостойких покрытий на стали // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2005. Спецвыпуск. Проблемы трибоэлектрохи-мии. С. 124 - 127.

4. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Синергизм компонентов в композиционных никель-фосфорных покрытиях, используемых для повышения эксплуатационных свойств деталей автомобилей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 4. С. 116 - 118.

5. Антифрикционность и износостойкость фазово-разупоря-доченных никель-фосфорных покрытий / В.В. Иванов [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2005. Спецвыпуск. Композиционные материалы. С. 50 - 52.

6. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Повышение эксплуатационных свойств деталей автомобилей путем нанесения композиционных никель-фосфорных покрытий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 3. С. 113 - 115.

7. Моделирование фазовой разупорядоченности на поверхности антифрикционного износостойкого материала системы «жидкое стекло - сталь» в присутствии добавок с разной окислительной способностью / В.В. Иванов [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. Приложение № 9. С. 141 - 149.

8. Иванов В.В., Марченко С.И. Фазово-разупорядоченное состояние поверхности стальных изделий, модифицированных водным раствором на основе силиката натрия // Научная мысль Кавказа. Спецвыпуск. 2006. С. 87 - 89.

9. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Иванов А.В. Повышение долговечности работы стальных деталей узлов трения путем создания композиционного покрытия в водно-модифицирующем растворе на основе силиката натрия // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 1. С. 84 - 87.

10. Марченко С.И. Повышение долговечности работы шестеренных насосов-дозаторов 11НШ путем создания композиционного модифицирующего покрытия // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2005. Спецвыпуск. Композиционные материалы. С. 52 - 53.

11. Марченко С.И. Повышение долговечности оборудования, работающего в условиях коррозионно-механического изнашивания, путем химического модифицирования // Научная мысль Кавказа. 2006. № 2. Спецвыпуск. С. 85 - 87.

Поступила в редакцию 3 сентября 2010 г.

Иванов Валерий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая и неорганическая химия», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Ivanov Valeriy Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Common and Inorganic Chemistry», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Sherbakov Igor Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Motor transport and Road Traffic Organization», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).