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

Марченко С.И.¹, Иванов В.В.²

¹Кандидат технических наук; ²кандидат химических наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова

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

Аннотация

Проанализированы и обсуждены возможности моделирования и расчета коэффициента трения и скорости линейного износа поверхностей неоднородных композиционных покрытий с градиентом концентрации твердой компоненты.

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

Marchenko S.I., Ivanov V.V.

¹PhD in Technique; ²PhD in Chemistry, associate professor, Platov South-Russian state Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

ANTI-FRICTIONAL PROPERTIES MODELING OF THE UNHOMOGENEOUS GRADIENT COMPOSITIONAL COVERS UPON SURFACE OF STEEL DETAILS OF THE FRICTION KNOTS

Abstract

The modeling and the calculation possibilities of the friction coefficient and the linear wear velocity of the compositional coatings surface with solid component concentration gradient were analyzed and discussed.

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

Состояние фазовой разупорядоченности обусловлено особенностями химического и фазового состава композиционного покрытия (КП), вероятными необратимыми физико-химическими процессами в трибосистеме. 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-разупорядоченного 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 непосредственно 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 (M – 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(Si_nO_2n+1)₃, также гиперстен Mg_1-xFe_xSiO₃, сложный силикат со структурой граната (Ca,Mg,Fe)₃Fe₂(SiO₄)₃ и железо-магниевый силикат Mg_2-xFe_xSiO₄ со структурой оливина. Поверхностные силикаты, образующиеся в системе (Ca,Mg)O–Al₂O₃ –(K,Na)₂O–SiO₂, 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.

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

S_i = S_см,i + α_i [γ_i – b_i α_i (1 – α_i)] |S_тв,i – S_см,i|,                           (1)

где α_i - объемная концентрация фаз твердой компоненты i-го КП; S_тв,i и S_см,i - усредненные значения свойств фаз твердой и смазочной компонент для i–го КП; величина γ_i = (S_тв,i – S_см,i) / |S_тв,i – S_см,i| равна 1 (если S_тв,i > S_см,i ), либо 0 (если S_тв,i = S_см,i ), либо –1 (если S_тв,i < S_см,i ); множитель b_i = 2(1+k_н,i), где k_н,i - 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_н,i) раз.

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

S_i = S_см,i + α_i(x) [γ_i – b_i(x) α_i(x) (1 – α_i(x))] |S_тв,i – S_см,i|,                   (2)

α_i(x) = α_i + (x – 0,5x_п) grad α_i(x),                                     (3)

b_i(x) = b_i + 2(x – 0,5x_п) grad k_н,i(x) @ b_i + 2(x – 0,5x) grad α_i(x).           (4)

Здесь: x_п – глубина действия поля градиента концентрации grad α_i(x).

Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2) и после преобразования и игнорирования члена, содержащего grad³α_i(x), получим:

S_i(x) ≅ S_i + {γ_i – β_i(α_i,k_н,i) – ε_i(α_i)(x – 0,5x_п) gradα_i(x)}× (x – 0,5x_п) gradα_i(x) |S_тв,i – S_см,i|,    (5)

где: β_i(α_i,k_н,i) = (b_i-2) α_i²(1 – α_i) – b_i ε_i(α_i); ε_i(α_i) = α_i (2 – 3α_i); S_i 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_i(x) ≅ f_i +{1– β_i(α_i,k_н,i)– ε_i(α_i)(x–0,5x_п)gradα_i(x)}(x–0,5x_п)gradα_i(x) |f_тв,i – f_см,i|,  (6)

где f_i = f_см,i + α_i [1 – b_i α_i (1 – α_i)] |f_тв,i – f_см,i|,

I(x) ≅ I_i –{1+ β_i(α_i,k_н,i)+ ε_i(α_i)(x–0,5x_п)gradα_i(x)}(x–0,5x_п)gradα_i(x) |I_тв,i – I_см,i|,  (7)

где I_i = I_см,i - α_i [1 + b_i α_i (1 – α_i)] |I_тв,i – I_см,i|, если известны индивидуальные трибологические характеристики фаз и их содержание в КП, а также величина grad α_i(x) [1].

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

S_i^’ = S_i – α_i (1 – α_i) [b_i Dα_i + 2α_i Δk_н,i] |S_тв,i – S_см,i|,                    (8)

где: величина S_i(x) определяется по формуле (1); 2α_i(x)Δk_н,i(x) - изменение множителя b_i при переходе от системы КПi/ /КПi к системе КПi/ /КПj (в приближении Δk_н,i = (Δk_н,j – Δk_н,i) a_I,j, где a_I,j - относительная доля продуктов износа КПj); Δα_i - изменение объемной концентрации фаз твердых компонент КП в зоне распространения «концентрационной волны Δx_i за счет наложения «концентрационной волны» Δx_j (в приближении Δα_i = (α_j – α_i) a_I,j).

В случае неоднородных по фазовому составу КПi и КПj при наличии gradα_i(x) > 0 и gradα_j(x) > 0 имеем [1]:S_i^’(x) = S_i(x) – α_i(x) (1 – α_i(x)) [b_i(x) Δα_i(x) +2α_i(x) Δk_н,i(x)] |S_тв,i – S_см,i|,    (9)

где S_i(x) определяется по формуле (5), а зависимости

Δα_i(x) = [α_j(x) – α_i(x)] a_I,j ≅ Δα_i и  Δk_н,i(x) = (k_н,j – k_н,i) a_I,j ≅ Δk_н,i

получены в приближении (x – 0,5x_п,j) gradα_j(x) ≅ (x – 0,5x_п,i) gradα_i(x).

После подстановки (5) и последующих приближенных зависимостей в формулу (9) и ее преобразований при условии пренебрежения членами, содержащими grad³α_j(x) и Δk_н,i grad²α_j(x), имеем:

S_i^’(x) = S_i – {h_i – [γ_i + h_i – x_i] (x – 0,5x_п) gradα_i(x) + ε_i (x – 0,5x_п)² grad²α_i(x)} |S_тв,i – S_см,i|,   (10)

где использованы следующие обозначения h_i = 2α_i²(1 – α_i) Δk_н,i  и  x_i = α_i(1 – α_i)b_i + 2α_i²(1 – α_i) – (b_i – 2Δk_н,i)ε_i.

Отметим, что в выражении (10) вида S_i^’(x) = S_i – ΔS_i(x) дополнительный член ΔS_i(x) можно рассматривать как суммарное изменение величины положительного синергического эффекта при gradα_i(x) > 0 в КПi и gradα_j(x) > 0 в КПj в результате их взаимного влияния на характеристики «концентрационных волн» Δx_i и Δx_j. Величина изменения синергетического эффекта ΔS_i(x) существенно зависит от объемных долей наноразмерных частиц фаз твердых компонент обоих материалов, которые и влияют на величины k_н  и Δk_н. 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 КПi системы КПi/ /КПj могут быть представлены следующим образом:

f_i^’(x) = f_i–{h_i–[1+h_i–x_i](x–0,5x_п)gradα_i(x) + ε_i(x–0,5x_п)²grad²α_i(x)} |f_тв,i–f_см,i|,  (11)

I_i^’(x) = I_i–{h_i+[1-h_i+x_i](x–0,5x_п)gradα_i(x) + ε_i(x–0,5x_п)²grad²α_i(x)} |I_тв,i–I_см,i|,  (12)

где f_i и I_i определяются так же, как в представлениях (6) и (7).

Таким образом, трибологические свойства неоднородных по фазовому составу КПi с градиентом gradα_i(x) > 0 могут быть определены по формулам (11) и (12), если известны индивидуальные трибологические характеристики твердых и смазочных фаз и величины градиентов концентраций твердых фаз обоих КП системы. Трибологические свойства КПj с градиентом gradα_j(x) > 0 могут быть определены по аналогичным формулам, полученным путем формальной замены индексов i ↔ j.

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 трибосистемы [1, 2, 4 - 6]. Соответствующий учет усредненных значений коэффициента <f> и скорости линейного износа <I_лин> для фаз твердой и смазочной компонент позволяет рассчитать значения I_лин и f для КП различных составов с учетом характеристик материала контр-тела (и, в частности, материала трибосопряженной 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 предложенной моделью синергизма. Экспериментально [9 - 11] установлено, что применение КП на легированных сталях приводит к устойчивому снижению f_тр (~ на 20%) и уменьшению I_л поверхности покрытия (~ на 35-50%). 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 % масс.) соляной кислоты в растворах полимеров. Возможно, что это отклонение связано с достаточно хорошими трибологическими 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].

В соответствии с [9 - 12] и на основании полученных в данной работе результатов анализа возможные причины усиления трибологических характеристик поверхности изделий с нанесенными на них КП в вводно-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.

Литература

1. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2006. 112с.
2. Иванов В.В., Иванов А.В., Щербаков И.Н., Башкиров О.М. Синергический эффект в композиционных материалах при трении и износе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. №3. С46-49.
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 трибоэлектрохимии. 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. Иванов В.В., Башкиров О.М., Щербаков И.Н., Марченко С.И., Логинов В.Т. Антифрикционность и износостойкость фазово-разупорядоченных никель-фосфорных покрытий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2005. 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. Иванов В.В., Марченко С.И., Иванов А.В., Миньков Д.В., Логинов В.Т., Башкиров О.М. Моделирование фазовой разупорядоченности на поверхности антифрикционного износостойкого материала системы «жидкое стекло – сталь» в присутствии добавок с разной окислительной способностью / [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. Прил. № 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.
12. Ivanov V.V. Modeling of possible Si-containing nano-fragments which formed on surface of the compositional coatings based on liquid glass // Research Journal of International Studies, 2013. -№8-1. – С.65-66.

References

1. Ivanov V.V., Shherbakov I.N. Modelirovanie kompozicionnyh nikel'-fosfornyh pokrytij s antifrikcionnymi svojstvami. – Rostov n/D: Izd-vo zhurn. «Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region», 2006. 112s.
2. Ivanov V.V., Ivanov A.V., Shherbakov I.N., Bashkirov O.M. Sinergicheskij jeffekt v kompozicionnyh materialah pri trenii i iznose // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. 2005. №3. S46-49.
3. Ivanov V.V. Koncepcija fazovo-razuporjadochennogo sostojanija poverhnosti antifrikcionnyh i iznosostojkih pokrytij na stali // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2005. Specvypusk. Problemy tribojelektrohimii. S.124-127.
4. Ivanov V.V., Shherbakov I.N. Sinergizm komponentov v kompozicionnyh nikel'-fosfornyh pokrytijah, ispol'zuemyh dlja povyshenija jekspluatacionnyh svojstv detalej avtomobilej // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. 2008. № 4.  S. 116-118.
5. Ivanov V.V., Bashkirov O.M., Shherbakov I.N., Marchenko S.I., Loginov V.T. Antifrikcionnost' i iznosostojkost' fazovo-razuporjadochennyh nikel'-fosfornyh pokrytij // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2005. Kompozicionnye materialy. S.50-52.
6. Ivanov V.V., Shherbakov I.N. Povyshenie jekspluatacionnyh svojstv detalej avtomobilej putem nanesenija kompozicionnyh nikel'-fosfornyh pokrytij // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. 2008. № 3.  S. 113-115.
7. Ivanov V.V., Marchenko S.I., Ivanov A.V., Min'kov D.V., Loginov V.T., Bashkirov O.M. Modelirovanie fazovoj razuporjadochennosti na poverhnosti antifrikcionnogo iznosostojkogo materiala sistemy «zhidkoe steklo – stal'» v prisutstvii dobavok s raznoj okislitel'noj sposobnost'ju / [i dr.] // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. 2004. Pril. № 9. S.141-149.
8. Ivanov V.V., Marchenko S.I. Fazovo-razuporjadochennoe sostojanie poverhnosti stal'nyh izdelij, modificirovannyh vodnym rastvorom na osnove silikata natrija // Nauchnaja mysl' Kavkaza. Specvypusk, 2006. S.87-89.
9. Ivanov V.V., Shherbakov I.N., Ivanov A.V. Povyshenie dolgovechnosti raboty stal'nyh detalej uzlov trenija putem sozdanija kompozicionnogo pokrytija v vodno-modificirujushhem rastvore na osnove silikata natrija // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. 2010. № 1. S.84-87.
10. Marchenko S.I. Povyshenie dolgovechnosti raboty shesterennyh nasosov-dozatorov 11NSh putem sozdanija kompozicionnogo modificirujushhego pokrytija // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2005. Specvypusk. Kompozicionnye materialy. S.52-53.
11. Marchenko S.I. Povyshenie dolgovechnosti oborudovanija, rabotajushhego v uslovijah korrozionno-mehanicheskogo iznashivanija, putem himicheskogo modificirovanija // Nauchnaja mysl' Kavkaza. 2006. №2. Specvypusk. S.85-87.
12. Ivanov V.V. Modeling of possible Si-containing nano-fragments which formed on surface of the compositional coatings based on liquid glass // Research Journal of International Studies, 2013. -№8-1. – S.65-66.