Анализ синергического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель-фторопласт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южно-Российский государственный технический университет

Новочеркасский политехнический институт

Анализ синергического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель-фторопласт

УДК 669.018:548.1

Балакай И.В., аспирант; Иванов В.В., доц., к.т.н.,

Балакай В.И., зав. каф., проф., д.т.н.

Новочеркасск, Россия

В работе [1] для композиционных электролитических покрытий (КЭП) никель-бор-фторопласт проанализирован синергический эффект, проявляющийся в виде улучшения их износостойких и антифрикционных свойств по сравнению с величинами этих же свойств, рассчитанных по аддитивной модели (положительный синергетический эффект). Для этих КЭП установлено, что синергизм твердой и смазочной компонент заключается в «концентрировании» смазочной фазы фторопласта на поверхности трения, повышающем антифрикционность и износостойкость твердых фаз покрытия, и в наличии наночастиц некоторых твердых фаз (вероятно, боридов Ni₃B и Ni₂B). Наночастицы характеризуются сферической или цилиндрической формой с диаметром сечения 1,2 - 2,5 нм и проявляют, по-видимому, свойства твердых смазок [1]. С целью проверки предположения о вкладе наночастиц только низкобористых фаз никеля в общий синергический эффект проявления свойств КЭП никель-бор-фторопласт были предприняты аналогичные исследования более простых по составу КЭП никель-фторопласт. Поскольку в них бориды никеля отсутствуют, то эффект синергизма компонент покрытия должен быть обусловлен только «концентрированием» микрочастиц фторопласта на поверхности трения. Расчетные данные для скорости линейного износа I_л^о и коэффициента трения f^о КЭП никель-фторопласт в паре трения КЭП/КЭП были получены в соответствии с двухкомпонентным приближением модели «концентрационной волны» [2] по следующим формулам:

I_л^о = б <I_л,тв.^о> + (1-б) <I_л,см.^о> + (<I_л,тв.^о> - <I_л,см.^о>), (1)

f^о = б <f_тв.^о> + (1-б) <f_см.^о> - (<f_тв.^о> - <f_см.^о>). (2)

Здесь: б = б_тв. и (1-б) = б_см. - объемные доли твердой и смазочной компонент КЭП, соответственно; = 4 (1 - б) б² [1 - k(1 - k_н)] - величина относительного синергического эффекта; k - размерный параметр, характеризующий степень дисперсности фаз твердой компоненты КЭП и представляющий собой соотношение между средним размером микрочастиц r_тв. твердых фаз в поверхностном слое и толщиной этого слоя x, т.е. k = r_тв. (r_тв. + x)^-1 (при r_тв. x параметр k 0,5); k_н - степень наноструктурности твердой компоненты КЭП, характеризующая объемную долю наночастиц твердых фаз в поверхностном слое x со сферической или цилиндрической формой (0 ? k_н < 1); <I_л,тв.^о>, <f_тв.^о>, <I_л,см.^о> и <f_см.^о> - средние значения соответствующих индивидуальных характеристик фаз твердой и смазочной компонент КЭП [2]. В соответствии с результатами работы [3] влияние характеристик материала контртела (КТ) (в нашем случае - стали марки Ст45) на свойства КЭП учитывали следующим образом:

I_л = I^o + ( - )(I_тв.^о - I_см.^о) + ( + )(I_КТ - I_тв^о), (3)

f = f^o + ( - )(f_тв.^о - f_см.^о) + ( + )(f_КТ - f_тв^о), (4)

где 2 (3 - 2) - изменение относительного синергического эффекта [3], а = * - (I_тв.^о + I_КТ)(I_тв.^о + I_КТ)-¹ - = (1 - )I_КТ(I_тв.^о + I_КТ)-¹ - изменение объемной концентрации твердых фаз при переходе от КЭП к продуктам износа пары трения КЭП/КТ (для пары трения КЭП/КЭП величина формально равна нулю) [3]; ( + ) = [1 + 2(1 - )(1 + k_н)]; I_л^о и f^o - скорость линейного износа и коэффициент трения КЭП в паре трения КЭП/КЭП, определенные по формулам (1) и (2).

КЭП с объемными долями фторопласта 4,6, 8,4 и 14,4 % получали из электролита состава, г/л: хлорид никеля шестиводный 200 - 250, сульфат никеля семиводный 2,5 - 5,0, борная кислота 25 - 40, хлорамин Б 0,5 - 2,5, фторопластовая эмульсия 10 - 20. Режимы электролиза: рН 1,0 - 5,5, температура 18 - 30 ^оС, катодная плотность тока 0,5 - 9 А/дм².

На основании данных о фазовом составе и концентрации компонент КЭП (табл. 1) и описанным в работах [2, 3] методикам расчета получены концентрационные зависимости I_л(б) и f(б) при фиксированных значениях параметра k_н = 0; 0,05; 0,1; 0,15 и 0,2 и парах трения КЭП/КЭП и КЭП/Ст45.

Таблица 1 - Фазовый состав и концентрация компонент композиционных покрытий электролитический никель фторопласт

На основе анализа зависимостей I_л(б) в случае трения по идентичному материалу для КЭП установлено, что величина минимума скорости линейного износа 0,673 мкм·ч-¹ при k_н = 0 достигается при б = 0,86. По мере увеличения параметра наноструктурности k_н до 0,20 минимум скорости линейного износа снижается до величины 0,401 мкм·ч-¹ при значении координаты б = 0,83. Для зависимостей I_л(б) в случае трения по стали Ст45 наблюдается аналогичная картина. Значение (I_л)_min = 0,520 мкм·ч-¹ для k_н = 0 достигается при б = 0,80, а с увеличением параметра k_н до 0,20 значение минимума I_л снижается до величины 0,356 при б = 0,75. Очевидно, что наблюдаемые количественные изменения зависимостей I_л(б) есть следствие возрастания роли наноразмерных частиц никеля в проявлении синергического эффекта анализируемых КЭП.

На основе анализа зависимостей f(б) установлено закономерное снижение коэффициента трения по мере увеличения объемной доли фторопласта и уменьшения величины f_КТ во всем интервале изменения б. Однако, максимальный синергический эффект, т.е. максимальное отклонение зависимостей f(б) от значений, рассчитанных по соответствующей аддитивной модели, достигается при б = 0,72 0,02. Расчетные данные могут быть использованы для определения составов КЭП никель-фторопласт с заданными износостойкими и антифрикционными свойствами. По этим же данным может быть определен оптимальный состав износостойкого и антифрикционного покрытия в исследуемой композиции, т.е. состав с минимальной износофрикционностью (I_л f)|_kн. Например, при k_н = 0 минимум износофрикционности достигается для КЭП при трении по стали Ст45 при значениях объемной доли фторопласта 0,25.

Экспериментальные данные по износостойкости КЭП в парах трения со сталью Ст45 удовлетворительно согласуются с расчетными при значениях параметров k = 0,5 и k_н = 0,07 (табл. 2). Значение параметра наноструктурности, равное 0,07 использовано для получения прогнозных данных для анализируемых КЭП по другим трибологическим характеристикам (табл. 2).

Таблица 2 - Износ и антифрикционность никеля и композиционных покрытий в паре трения со сталью марки Ст45

Перечень ссылок

1. Иванов В.В., Балакай В.И., Иванов А.В., Арзуманова А.В. Анализ синергического эффекта в композиционных электролитических покрытиях никель-бор-фторопласт // Журнал прикладной химии. - 2006. - Т. 79. - Вып. 4. - С. 619 - 621.

2. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Иванов А.В., Башкиров О.М. Синергический эффект в композиционных материалах при трении и износе // 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: ЮРГТУ, 2005. - С. 25 - 26.

Размещено на Allbest.ru