УДК 539.375.6 + (621.762 + 621.793): 546.07
НАНОМАТЕРИАЛЫ ПОРОШКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
СВС ДЛЯ ТРИБОТЕХНИКИ
Самарский государственный технический университет
Дан обзор результатов применения порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения разнообразных наноматериалов триботехнического назначения: нанопорошковых модификаторов трения для смазочных материалов, наноструктурированных твердых композиционных керамических и металлокерамических материалов для изготовления триботехнических конструкций, наноструктурированных триботехнических покрытий.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, нанопорошковые модификаторы трения, триботехнические нанокомпозиты, наноструктурированные трибопокрытия.
Обзор материалов и покрытий триботехнического назначения, получаемых по порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), был представлен в докладе автора в 2007 году на аналогичной конференции в Самаре и опубликован в журнале «Ремонт, восстановление, модернизация», №1, 2010 [1]. Тема наноматериалов там практически не обсуждалась. Настоящая статья является продолжением статьи [1] и рассматривает триботехнические наноматериалы марки СВС различного назначения. Напомним, что технология СВС основана на проведении экзотермической химической реакции взаимодействия исходных порошковых реагентов в форме горения с образованием твердых химических соединений (карбидов, нитридов, боридов, оксидов, халькогенидов и других) и материалов на их основе. Технология отличается простотой и малыми габаритами оборудования, отсутствием затрат электроэнергии, разнообразием продуктов и является экономически выгодной, что особенно важно в случае наноматериалов, для которых характерна высокая стоимость.
1. Модификаторы смазочных материалов
Как известно, модификаторы трения представляют собой добавки и присадки в смазочные материалы, применяемые для снижения коэффициента трения между соприкасающимися поверхностями и снижения затрат топлива в двигателях на преодоление трения. Как отмечено в недавнем обзоре современного развития модификаторов трения для жидких смазок [2], существует три вида таких модификаторов: органические модификаторы трения, металлоорганические соединения (главным образом, органические соединения молибдена) и нанопорошки. Применение микро - и наночастиц различной природы (полимеры, металлы, керамика и др.) в качестве модификаторов трения широко изучается в настоящее время в трибологических центрах [3]. Такие порошковые добавки существенно повышают противоизносные свойства смазочных материалов и снижают коэффициент трения при высоких температурах и нагрузках. Уменьшение размера частиц приводит к увеличению способности их удерживания в масле без выпадения в осадок и к уменьшению интенсивности изнашивания, поэтому наноразмерные модификаторы являются наиболее эффективными среди порошковых модификаторов трения [3].
В качестве порошковых наномодификаторов используются присадки нанопорошков металлов, полимеров, графита, алмазов, фуллеренов, а также, что для нас особенно важно – тугоплавких неорганических соединений: оксидов, нитридов, сульфидов и других, которые можно получать по СВС-технологии [4]. Среди неорганических соединений наиболее распространенными модификаторами являются дисульфиды молибдена и вольфрама. Проведение реакции СВС между порошком серы и нанопорошками молибдена и вольфрама в атмосфере аргона позволяет получать нанопорошки MoS2 и WS2 с размером 80-100 нм [4]. Достаточно распространено также применение нанооксидов Al2O3,, SiO2, TiO2, CuO, ZrO2, ZnO в качестве модификаторов трения. Технология СВС позволяет получать нанопорошки многих оксидов [4]. Нанопорошки оксидов металлов с размером порядка 40 нм образуются при горении газовзвеси металлических частиц с малым размером менее 10 мкм, при котором успевает происходить их газофикация в процессе горения. Нанопорошки оксидов металлов образуются также при горении различных прекурсоров металлов, например, нитратов или перхлоратов металлов, или их соединений с гидразином N2H4. Подобные реакции можно проводить и в жидких растворах указанных реагентов (так называемый растворный СВС).
Большие возможности для получения нанопорошков нитридов BN, Si3N4, AlN, TiN и их композиций предлагает азидная технология СВС, которая основана на использовании азида натрия NaN3 в качестве азотирующего реагента вместо газообразного азота и характеризуется низкими температурами горения, образованием конденсированных и газообразных продуктов горения, разделяющих первичные частицы синтезированных нитридов и способствующих образованию их в наноразмерном виде. Например, частицы нитрида бора BN получаются в форме диска толщиной порядка 20нм и диаметром, который в 10-15 раз превышает их толщину.
Нанопорошки металлов Ti, Ta, Nb, W, Mo могут быть получены в реакциях СВС с восстановительной стадией из оксидов переходных металлов в расплавах солей щелочных или щелочно-земельных металлов, например, NaCl [4].
2. Наноструктурированные триботех-
нические композционные материалы
Указанные в предыдущем разделе нанопорошковые материалы марки СВС могут использоваться для получения разнообразных твердых композиционных материалов триботехнического назначения: керамических и металлокерамических. Такие композиты получают как технологиями порошковой металлургии спеканием из порошков, так и технологиями литья введением нанопорошков в расплав матричного материала. Большой интерес проявляется к спеченной композиционной керамике, содержащей BN, например, Si3N4-BN, которая обладает малым коэффициентом трения и износом при сухом трении, хорошей трещиностойкостью и механической обрабатываемостью. Среди металлокерамических композитов следует отметить наноструктурные алюмоматричные композиты, дискретно упрочненные наночастицами тугоплавких соединений: оксидов, карбидов, нитридов [5]. Такие триботехнические композиционные материалы можно получать не только путем использования заранее приготовленных СВС-нанопорошков, но и в одну стадию, путем проведения СВС-процесса с формированием плотного объемного наноструктурированного композита [6].
3. Наноструктурированные
триботехнические покрытия
Значительное внимание уделяется в последнее время наноструктурированным покрытиям триботехнического назначения [7]. Эти покрытия могут включить в себя наночастицы твердых смазок, обеспечивая сверхнизкий коэффициент трения, или представлять собой сверхтвердые наноструктурированные покрытия с очень высокой износостойкостью. Специалистами по СВС-технологии разрабатывается несколько подходов в этом направлении. Отработаны технологии СВС-прессования и СВС-экструзии электродов для электроискрового легирования, в состав которых вводится от 5 до 30% ультрадисперсного алмаза или других наночастиц, что приводит к повышению износостойкости изделий в 2-5 раз и улучшает антифрикционные характеристики поверхности [1]. Разработаны технологии СВС-прессования многокомпонентных керамических и металлокерамических мишеней и катодов для магнетронного и вакуумно-дугового нанесения наноструктурных сверхтвердых износостойких покрытий [8].
Заключение
Проведенный обзор показывает, что простая, экономичная порошковая технология СВС открывает большие возможности для получения самых разнообразных наноматериалов триботехнического назначения: наномодификаторов смазочных материалов, наноструктурированных твердых композиционных материалов, наноструктурированных покрытий.
Список литературы
1. Амосов и покрытия триботехнического назначения, получаемые по технологии СВС. Ремонт, восстановление, модернизация, 2010. №1, с. 15-20.
2. Tang Zh., Lia Sh. A review of recent developments of friction modifier for liquid lubricants (2007-present). Curvent Opinion in Solid State and Materials Science, 2014, vol.18, no.3, pp. 119-139.
3. , Заскалько влияния добавок наноструктурированных материалов на трибологические свойства смазочных масел. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2010, №11, с. 25-30.
4. , , Сычев и методы регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: от монокристаллов до наночастиц. Известия вузов. Цветная металлургия, 2005, №5, с. 9-22.
5. , , Чернышова характеристики литых алюмоматричных композитов, модифицированных наноразмерными тугоплавкими порошками. Российские нанотехнологии, 2011, т. 6, №1-2, с. 144-153.
6. , , Ермошкин -технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами. Наукоемкие технологии в машиностроении, 2013, №8, с. 3-9.
7. Achanta S., Dress D., Celis J.-P. Nanocoatings for tribological applications. In: Nanocoatings and ultra-thin films: Technologies and applications. Edited by A. S. H. Makhlouf. Woodhead Publishing Limited, 2011. pp. 355-396.
8. , , Давыдов , структура и свойства СВС-прессованных катодов системы Ti-C-Al-Si и полученных из них вакуумно-дуговых покрытий. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2013, №2, с. 29-36.
NANOMATERIALS OF SHS POWDER TECHNOLOGY FOR TRIBOLOGY
A. P. Amosov
Samara State Technical University
It is a review of the results of application of powder technology of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) to obtain a variety of nanomaterials of tribological appointment: nanopowder friction modifiers for lubricating materials, nanostructured solid composite ceramic and metal-ceramic materials for the manufacture of tribological items, nanostructured tribological coatings.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, nanopowder modificators of friction, tribological nanocomposites, nanostructured tribocoatings.
