МЕХАНИЗМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТА НАТРИЯ

 

Марченко С.И. (РГУПС, Ростов-на-Дону, РФ)

Марченко Е.П. (ЮРГТУ(НПИ), Новочеркасск, РФ)

 

Mechanism of faze-structural unregulating on the surface of steel patterns modificated by water solution on the basis of  sodium silicate is under revue.

 

Одной из актуальных задач современного машиностроения является повышение работоспособности и долговечности деталей машин и особенно деталей узлов трения (трибосистем). В уловиях агрессивной среды проблемы износостойкости повышаются в несколько раз. На предприятиях химической промышленности при производстве высокопрочных пара-амидных волокон технологическое оборудование работает в условиях коррозионно-механического изнашивания вследствие того, что в растворе искусственных волокон «СВМ», «Руссар», «Армос» содержится соляная кислота, хлористый литий и другие. В этих условиях долговечность применяемого оборудования (в частности, шестеренного насоса для перекачки растворов искусственного волокна) невысока, и находится в пределах 30 – 45 суток [1]. Применение большинства из известных методов повышения износостойкости ограничено высокими требованиями к чистоте волокна, поэтому для повышения износостойкости был использован метод химического модифицирования поверхностей трения.

На основании априорной информации [1, 2, 3] для проведения модифицирования использовался водно-модифицирующий раствор, в состав которого вошли: силикат натрия Na₂SiO3 – 50-70 г/л, щёлочь NaOH – 180-200 г/л, триэтаноламин (HOCH₂CH₂)₃N – 15-18 г/л, остальное - вода. Образцы помещались в ванну с модифицирующим раствором, где находились при температуре кипения в течении двух часов.

В качестве объекта исследования была выбрана коррозионно-стойкая легированная сталь 18Х13Н3ФМА (ГОСТ 5633 – 81). Её  выбор в качестве объекта исследования объясняется ее широким  использованием в химическом машиностроении и, в частности, в узлах насосов для дозирования растворов искусственного волокна, к которым предъявляются жесткие требования по надежности и износостойкости и точности дозирования.

Были проведены теоретические исследования фаз и соединений, образующихся в результате модифицирования на поверхности обработанных изделий.

При взаимодействии водно-модифицирующего раствора с поверхностью металла проходят химические реакции по следующей схеме:

·                        образование при гидратации гидроксида Fe (III):

Fe₂O₃ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃

·                        образование при частичной дегидратации первичных коллоидных частиц состава

{[Fe(OH)₃]_m×nFeO×(n-x)OH^–}^x+

·                        частичная их коагуляция с частицами гидрозоля диоксида кремния и образование силикатов Fe(III) по схеме:

{(SiO₂)_m×nSiO₃^2-×2(n-x)H⁺}^2x- + 2{[Fe(OH)₃]_m×nFeO×(n-x)OH^-}^x+   -->

-->2(2n-x)H₂O + (4n/3)Fe₂(SiO₃)₃ + 2[m-(n/3)]Fe(OH)₃ + (m-3n)SiO₂.

Выявлено, что при трибомеханическом воздействии на детали после модифицирования основной фазовый состав в его поверхностных слоях может изменяться за счёт возможных механохимических реакций, полиморфных и морфотропных превращений с образованием ещё нескольких силикатосодержащих фаз. Это состояние поверхностного слоя можно охарактеризовать как состояние фазовой разупорядоченности.

В процессе трения (на стадии стационарного режима) происходит окончательное формирование фазового состава модифицированного слоя. При трении на поверхности модифицированного слоя проходят следующие химические реакции:

·                        образование силиката железа (II) – фаялита:

2FeO + SiO₂  -->Fe₂SiO₄

2Fe(OH)₂ + SiO₂ --> Fe₂SiO₄+ 2H₂O

·                        образование твёрдых растворов со структурой типа корунда:

xFe₂O₃ + (2-x)Al₂O₃-->2Al_2-xFe_xO₃

^(0<Х<0,3)

(2-2х/3)Fe₃O₄ + xAl₂O₃ --> 2Al_2-xFe_xO₃+3x×H₂O

^(0<X<0,3)

·                        образование твёрдых растворов со структурой типа шпинели:

(2-2x/3) Fe₃O₄ + xAl₂O₃ --> 2Fe_3-xAl_xO₄

2(2-x)Fe(OH)₃+2Fe(OH)₂+xAl₂O₃-->2Fe_3-xAl_xO₄+(8-3x)H₂O

Определено, что наряду с фазовой разупорядоченностью в поверхностном слое материала возможно состояние структурно-фазовой разупорядоченности – явление одновременного существования фаз разного состава каждая из которых может находится в нескольких структурных состояниях. Так как трибомеханические воздействия на поверхность материала сопровождаются точечными мгновенными деформациями и локальным повышением температуры в этих точках, на поверхности покрытия образуются новые фазы с развитой сетью межфазных границ.

Возникновение структурной и фазовой разупорядоченности в износостойкой композиции на поверхности металла при трибомеханических воздействиях могут протекать следующим образом:

- неметаллический компонент модифицированного слоя взаимодействует с металлом, в результате чего образуются фазы соответствующих силикатных соединений;

- силикатная структура деформируется с образованием возможных её низкосимметричных модификаций (табл. 1);

- для каждой силикатосодержащей фазы образуются наборы фаз, близких по структуре к основной фазе.

 

Таблица 1- Симметрия основных фаз модифицированного слоя стали, образующихся при трении

Состав	Симметрия фазы	Симметрия возможных диссимметричных модификаций
a-Fe (феррит)	Im3m
Al2-xFexO3 (0<=x<=0,3; корунд)
FeFe2-xAlxO4 (0<=x<=2; шпинель)	Fd3m
Fe2SiO4   (фаялит)	Pnma	P212121, Pmc21, Pna21, Pmn21, P21/b, P21/m, Pb, P21, Pm

 

 

На поверхности модифицированных материалов при трении возможны следующие обратимые фазовые переходы:

·                   для структур типа вольфрама (феррит α-Fe):

;

·                   для структур типа корунда (Al_2-xFe_xO₃):

;

·                   для структур типа шпинели (FeFe_2-xAl_xO₄):

Fd3m <=> I4₁/amd <=> I42d <=> Fddd <=> Fdd2;

·                   для структур типа оливина (силикат Fe₂SiO₄ – фаялит):

Pnma <=> Pn2₁a <=> Pmn2₁ <=> P2₁/m <=> P2₁

Повышение трибологических характеристик поверхности изделий после модифицирования с применением жидкого стекла обеспечивает:

1) наличие (или отсутствие) определенных фаз, образующихся (или исчезающих) в результате вероятных физико-химических процессов, и их распределение в объеме покрытия в соответствии с принципом положительного градиента твердости;

2) одновременное существование в объеме модифицированного слоя твердых износостойких фаз и фаз, обладающих смазочными свойствами;

3) образование защитного коррозионно-стойкого слоя на изделии с повышенной адгезией к его поверхности и возможное оптимизирующее влияние на этот процесс показателей агрессивной среды, в частности рН растворов полимеров.

Таким образом, анализ компонентов фазово-разупорядоченного состояния поверхностей трения покрытий стальных изделий, а именно: состояний фазовой, структурно-фазовой и структурной разупорядоченности, может послужить основой для интерпретации проявляемых ими высоких антифрикционных и износостойких свойств, а также для выявления особенностей качественного аспекта механизма трения и износа.

Литература

1. Марченко С.И. Повышение долговечности работы шестерённых насосов-дозаторов 11НШ путем создания композиционного модифицирующего покрытия. - Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - Спец. вып. : Композиционные материалы. - С. 52-53

2. Логинов В.Т., Миньков В.Д., Марченко С.И. и др. Способ очистки и модифицирования поверхностей шестерённых насосов для перекачивания растворов по изготовлению искусственного волокна. Пат. 2240874 Рос. Федерация, МПК⁷ В 08 В 3/08.

3. Башкиров О.М., Марченко С.И., Миньков Д.В., Логинов В.Т. Использование элементов нанотехнологий при разработке и исследовании композиционных покрытий и материалов для повышения долговечности работы шестерённых насосов 11НШ. – Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки, 2004. – Приложение №9. – С.111-114.