О системном подходе к разработке композиционных антифрикционных покрытий

Одним из путей повышения надежности и долговечности машин и механизмов является создание и использование новых антифрикционных композиционных покрытий (КП) с использованием известных и развитых методов разработки с учетом представлений о самоорганизации, термодинамики необратимых процессов, физико-химии поверхностных явлений, триботехнического материаловедения и т. п. 1 — 7]. Особое развитие в последние десятилетия получили комплексные исследования закономерностей формирования структурно-фазового состояния, свойств КП и механизмов их трения и изнашивания с использованием кристаллохимии [8, 9].

В настоящей работе рассмотрены некоторые вопросы системного подхода к созданию КП с позиций трибологии и кристаллохимии. Представлена структурная схема трибологической системы (ТС), элементы которой исследовались в процессе разработки КП.

В рамках системного подхода к созданию КП необходимо рассматривать не только трибологические и физико-механические характеристики самих покрытий, но и возможные характеристики контртела. Эта необходимость определяется тем, что, во многих случаях, покрытия, обладающие очень низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью в паре трения с некоторыми металлами, могут быстро выходить из строя во время работы с металлами другого химического состава, обладающими другими электродными потенциалами поверхности, обработанными до другого класса шероховатости или обладающими другой структурой и фазовым составом поверхности.

На рис. 1 рассмотрен вариант ТС, являющейся подсистемой какого-либо узла трения механизма или устройства, включающей следующие элементы: два твердых тела Т1 и Т2, участвующих в процессе трения без смазочного материла, Т3 — третье тело, возникающее в трибологическом контакте в результате процессов, происходящих в зоне контакта при трении КП, ПКП — поверхность покрытия, ПТ2 — поверхность контртела.

В ТС система (Т1 + КП + ПКП) представляет, по сути, некоторую поверхностную конструкцию со свойствами, не присущими отдельно ни материалаТ1, ни КП, ни ПКП. Поэтому при разработке нового КП эту систему необходимо рассматривать как единое целое, а исследования её свойств должны базироваться на взаимосвязи показателей качества системы с её конструктивными особенностями и физико-механическими характеристиками материалов.

Рис. 1 — Трибологическая система

поверхность трение покрытие кристаллохимия Основными характеристиками ТС, удовлетворяющей требованиям узла трения, являются: F — сила трения, возникающая в трибологическом контакте; ИКПинтенсивность изнашивания поверхности покрытия; ИКТинтенсивность изнашивания поверхности контртела; М — показатель механической прочности покрытия; К — показатель стойкости покрытия к коррозии.

Все эти характеристики ТС зависят от множества, в большинстве случаев взаимосвязанных, факторов, таких как: химический и фазовый состав элементов системы, структура и количество компонентов в материалах, покрытии и в третьем теле, состояние окружающей среды, температура, давление в зоне трибологического контакта, скорость перемещения, качество подготовки и обработки поверхностей и т. д.

На основе анализа литературных данных и результатов трибологических и кристаллохимических исследований установлено, что одним из основных факторов, влияющим на характеристики ТС, представленные выше, является фазово-разупорядоченное состояние поверхности КП[9 — 11].

Фазово-разупорядоченное состояние поверхности — это микроструктурное состояние многофазной многокомпонентной системы, которое определяется химическим составом и кристаллической структурой распределенных в её объеме фаз и, в свою очередь, определяет свойство поверхности при трении в целом. Данное свойство поверхности не может быть получено по аддитивности с учетом индивидуальных характеристик каждой фазы. Фазово-разупорядоченное состояние гетерофазной поверхности КП включает в себя следующие составляющие разупорядоченности:

• -структурную разупорядоченность фазы (наличие в структуре статистически разупорядоченных структурных элементов — атомов, молекул, модулей);
• -фазовую разупорядоченность (наличие в материале множества фаз в результате самопроизвольного распределения по ним определенной компоненты химической системы при данных термодинамических условиях);
• -структурно-фазовую разупорядоченность (одновременное существование фаз разного состава, каждая из которых находится в нескольких структурных модификациях).

Фазово-разупорядоченное состояние контактирующих поверхностей ТС можно разделить на фазово-разупорядоченное состояние поверхности КП, фазово-разупорядоченное состояние поверхности контртела, фазово-разупорядоченное состояние контактирующих поверхностей твердых тел в трибологической системе с учетом третьего тела. На рис. 2 показана система, определяющая взаимосвязи состояний поверхностей ТС, которая использована автором при создании КП.

Рис. 2 — Система фазово-разупорядоченного состояния поверхностей трения ТС

Канадскими физиками создана математическая классификация особых состояний кристаллов, характеризующихся одинаковой симметрией расположения атомов, но с другой картиной квантовых связей и с другим рисунком «запутанности», что предопределяет их необычные свойства. Термин «запутанность» появился ещё в 1930 г. и в настоящее время используется учеными, изучающими экзотические состояния вещества. Удалось выявить сотни вышеуказанных состояний кристаллов [12].

Говорить о каком-либо подобии особых состояний кристаллов, предсказанных канадскими учеными, и фазово-разупорядоченном состоянии поверхностей ТС, в настоящее время, не очень корректно т.к. разный иерархический уровень. Однако, рассматривая и изучая последнее явление с позиций кристаллохимии [10] и трибологии [13], можно предположить, что оно вполне допустимо.

В настоящее время выявленыи изучены десятки и сотни структурных состояний кристаллических материалов и покрытий, предопределяющих фазово-разупорядоченное состояниетрибологических поверхностей ТС при трении [8 — 11]. Результаты этих исследований позволяют не только изучать механизмы трения и изнашивания и создавать новые антифрикционные материалы и КП, но и предопределяют развитие нового научного прикладного направления кристаллохимии и трибологии — трибокристаллохимии.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14. U01.21.1078.

• 1. Брейтуэйт Е. Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. — М.: Химия, 1967. — 396 с.
• 2. Вишенков С. А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий.- М.: Машиностроение, 1975. — 312 с.
• 3. Вайнштейн В. Э., Трояновская Г. И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы. — М.: Машиностроение, 1968. — 180 с.
• 4. Кутьков А. А., Щеголев В. А. Структурно-кинематическое моделирование подвижных молекулярных форм.- Ростов н/Д, 1984. -160 с.
• 5. Щербаков И. Н., Дерлугян Ф. П. Обоснование процесса получения композиционных антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными техническими характеристиками методом химического наноконструирования[Электронный ресурс] / Щербаков И. Н., Дерлугян Ф. П. // Инженерный вестник Дона. — 2010. № 4. — Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/287.
• 6. ЛогиновВ.Т., ДерлугянП.Д.Химическое конструирование трибокомпозитов и их производство в ОКТБ «Орион"[Электронный ресурс] / ЛогиновВ.Т., ДерлугянП.Д.// Инженерный вестник Дона. — 2007. № 1. — Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2007/46.
• 7. Bayer R.G. Mechanical Wear Fundamentals and Testing, Revised and Expanded/ CRC Press, 2004.395 p.
• 8. 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», 2008. — 112с.
• 9. Щербаков И. Н. Разработка композиционного никель-фосфорного покрытия, модифицированного нитридом бора и политетрафторэтиленом: дис. канд. техн. наук.- Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. — 120 с.
• 10. Иванов В. В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. — Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 204 с.
• 11. Щербаков И. Н., Иванов В. В., Логинов В. Т. и др. Химическое наноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами. — Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки», 2011. — 152с.
• 12. Entering a new phase/ [Электронныйресурс]. URL: http://www.perimeterinstitute.ca/node/86 118.
• 13. Крагельский И. В. Трение и износ. Изд.2-е переработанное и доп. М.: Изд-во «Машиностроение», 1968. -480 стр.