Синергизм компонентов в композиционных никель-фосфорных покрытиях, используемых для повышения эксплуатационных свойств деталей автомобилей

УДК 669.018:548.1

СИНЕРГИЗМ КОМПОНЕНТОВ В КОМПОЗИЦИОННЫХ НИКЕЛЬ-ФОСФОРНЫХ ПОКРЫТИЯХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ

© 2008 г. И.Н. Щербаков, В.В. Иванов

Проанализирован возможный синергический эффект улучшения трибологических характеристик композиционного никель-фосфорного покрытия.

The possible synergic effect of the tribologic characteristics improvement of compositional nickel-phosphorus covers was analysed.

Ключевые слова: синергический эффект, композиционные никель-фосфорных покрытий, скорость линейного износа, коэффициент трения.

Композиционные покрытия (КП), компоненты которых находятся в фазово-разупорядоченном состоянии, проявляют, как правило, более высокий уровень трибологических свойств, чем тот, который может быть получен при данном фазовом составе по аддитивной модели [1]. Можно предположить, что отклонение этих свойств КП от закона аддитивности полностью обусловлено синергизмом компонентов покрытия и представляет собой синергический эффект [2-6].

Для композиционных никель-фосфорных покрытий (КНФП) установлено, что синергизм твердой и смазочной компонент заключается в «концентрировании» смазочной фазы фторопласта на поверхности трения, повышающем антифрикционность и износостойкость твердой компоненты покрытия, и, возможно, в наличии наночастиц некоторых твердых фаз [2, 3]. Эти наночастицы характеризуются сферической или цилиндрической формой с вероятным диаметром сечения 1,2 - 2,5 нм и проявляют, по-видимому, свойства твердых смазок [5, 6].

Расчетные данные для скорости линейного износа 1л° и коэффициента трения / КНФП в паре трения с идентичным покрытием были получены в соответствии с двухкомпонентным приближением модели «концентрационной волны» [2] по следующим формулам:

1ло = а </л,тв о> + (1-а) </л,см о> + 8 (</л,тв о> - <л,см»,

/ = а </тво> + (1-а) </смо> - 8 (</тво> - </смо>).

Здесь: а = атв. и (1-а) = а^. - объемные доли твердой и смазочной компонент КЭП, соответственно; 8 = =4 (1-а) а2 [1 - &(1-&н)] - величина относительного

синергического эффекта; k - размерный параметр, характеризующий степень дисперсности фаз твердой компоненты КНФП и представляющий собой соотношение между средним размером микрочастиц гтв. твердых фаз в поверхностном слое и толщиной этого слоя Дх, т.е. k = гтв. (гта+Дх)-1 (при гтв. ^ Дх параметр k ^ 0,5); ^ - параметр наноструктурности твердой компоненты КНФП, характеризующая объемную долю наночастиц твердых фаз в поверхностном слое Дх со сферической или цилиндрической формой (0 < К < 1); </л,тв о>, </та о>, </л,см о> и </см о> - средние значения соответствующих индивидуальных характеристик фаз твердой и смазочной компонент КНФП.

В соответствии с результатами работы [3] влияние характеристик материала сопряженной поверхности (в нашем случае - стали марки Ст45) на свойства КНФП учитывали следующим образом:

1л = Г +

/=/ + (Да - Д8)(/во -/смо) + (а + 8)(/Ст45 -/тЛ (4) где Д8 = 2а (3 а - 2) Да - изменение относительного синергического эффекта [3], а Да = а* - а = (а/тво +

+ 1Ст45)(1тво + 1Ст45) 1 - а = (1 - а)1Ст45(1тво + 1Ст45) 1 -

изменение объемной концентрации твердых фаз при переходе от КЭП к продуктам износа пары трения КНФП/Ст45 (для пары трения КНФП с идентичным покрытием величина Да формально равна нулю) [3]; (а+8) = а [1 + 2а(1-а)(1+&н)]; 1л° и/ - скорость линейного износа и коэффициент трения КНФП в паре трения с идентичным покрытием, определенные по формулам (1) и (2).

Состав и свойства композиционных никель-фосфорных покрытий при трении с идентичными покрытиями

КНФП Компонента Объемн. доля фаз, % а Скорость линейного износа, ^ мкм/час Коэффициент трения, f

расч. эксп. расч. эксп.

Ni-P твердая 91,9 0,92 5,94 5,65 5,93 0,250 0,248 0,247

смазочная 8,1

Ni-P (ПТФЭ) твердая 85,0 0,85 5,00 4,76 4,80 0,198 0,192 0,175

смазочная 15,0

Ni-P (BN) твердая 90,0 0,90 3,70 3,51 3,66 0,240 0,238 0,235

смазочная 10,0

Ni-P (BN, ПТФЭ) твердая 83,1 0,83 2,89 2,74 2,80 0,195 0,189 0,180

смазочная 16,9

твердая 76,1 0,76 3,34 3,16 - 0,166 0,158 -

смазочная 22,9

твердая 70,0 0,70 4,38 4,15 - 0,146 0,138 -

смазочная 30,0

Ni-P (MoS2) твердая 89,9 0,90 5,78 5,48 - 0,238 0,236 -

смазочная 10,1

Ni-P (ПТФЭ, MoS2) твердая 81,0 0,81 4,98 4,73 - 0,190 0,184 -

смазочная 19,0

твердая 75,1 0,75 5,29 5,02 - 0,167 0,159 -

смазочная 24,9

Ni-P (C) твердая 90,0 0,90 4,96 4,71 - 0,237 0,235 -

смазочная 10,0

Ni-P (ПТФЭ, C) твердая 83,1 0,83 4,73 4,49 - 0,199 0,192 -

смазочная 16,9

твердая 77,0 0,77 5,01 4,76 - 0,174 0,166 -

смазочная 23,0

Примечание: ПТФЭ - политетрафторэтилен.

Фазовый состав КНФП определяется технологией их получения. С учетом термообработки КНФП и возможных процессов химического модифицирования при трении без смазки фазовый состав КП и объемная концентрация фаз твердой компоненты а могут быть определены [1-3].

Для расчета усредненных значений характеристик твердой и смазочной компонент анализируемых КНФП использовали данные (/л, /), полученные для однофазных материалов в соответствующих системах при трении без смазки (при величине удельной нагрузки P = 1 МПа и скорости трения V = = 0,048 м/с): для № и №3Р - 6 мкм/ч и 0,30; для №В -4 мкм/ч и 0,31; для №12Р5 и №2Р - 7,5 мкм/ч и 0,05; для В№ - 9,5 мкм/ч и 0,04; для политетрафторэтилена -38 мкм/ч и 0,04; для №3С - 4 мкм/ч и 0,33; для С -36 мкм/ч и 0,03; для MoS2 - 14 мкм/ч и 0,05; для твердых растворов в системе № - S - 12 мкм/ч и 0,09. Результаты расчета свойств некоторых КНФП по формулам (3) и (4) представлены в таблице.

Отметим, что наиболее оптимальное сочетание износостойкости и антифрикционных свойств наблюдается для КНФП одновременно с двумя модификаторами: нитридом бора и политетрафторэтиленом (таблица). При значениях суммарной объемной концентрации этих модификаторов в интервале от 15 до 28 % величина износофрикционности (произведение скорости линейного износа на коэффициент трения - /л f [3]) КНФП не превышает 0,6, в то время как для остальных двух покрытий с модификаторами С и MoS2 эта величина примерно в полтора раза выше. Таким образом, НФП, модифицированные нитридом бора и политетрафторэтиленом, являются наиболее перспек-

тивными износостойкими и антифрикционными КНФП среди проанализированных выше.

При увеличении размерного фактора k или при отклонении параметра наноструктурности кн от нуля возникает существенное расхождение между экспериментальными и расчетными данными. В рамках данной модели это означает высокую дисперсность микрочастиц фаз твердой компоненты КНФП (10 нм < rm < < 100 нм). Одновременно это указывает на очень низкую долю наноразмерных частиц твердых фаз КНФП со сферической или цилиндрической формой, которые могли бы усилить действие смазочной компоненты.

Литература

1. Иванов В.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвыпуск. Проблемы трибоэлектрохимии. С. 124-127.

2. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Иванов А.В., Башкиров О.М. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. №5. С. 42-46.

3. Ivanov V.V., Scherbakov I.N. // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике: Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 4 нояб. 2005 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).Новочеркасск, 2005. С. 25-26.

4. Иванов В.В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. Ростов н/Д., 2003.

5. Иванов В.В., Балакай В.И., Иванов А.В., Арзуманова А.В. // Журн. прикладной химии. 2006. Т. 79. Вып.4. С. 619-621.

6. Иванов В.В., Кукоз Ф.И., Балакай В.И., Балакай И.В., Христофориди М.П. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спец. выпуск. 2007. С. 94-99.

24 марта 2008 г.

Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры АТ и ОДД Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Иванов Валерий Владимирович - канд. хим. наук, доцент кафедры Общей и неорганической химии ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).