Аннотация. Экспериментально сформированы высокоэнтропийные сплавы методов механического легирования. Для них измерены коэффициенты трения. Получено уравнение, по которому можно вычислять толщину поверхностного слоя сплава и определять поверхностное натяжение, связанное с коэффициентом трения.

Ключевые слова: коэффициент трения, поверхностный слой, высокоэнтропийный сплав, эквиатомные пропорции.

Введение

Сравнительно недавно появились новые объекты исследования — высокоэнтропийные сплавы [1]. Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) — сплавы, которые содержат не менее 5 элементов, причём количество каждого из них не должно превышать 35 ат.% и не должно быть меньше 5 ат.%.

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭСы) выделены в особую группу, так как процессы структуро- и фазообразования в них, а также диффузионная подвижность атомов, механизм формирования механических свойств и термическая стабильность существенно отличаются от аналогичных процессов в традиционных сплавах [2, 3].

В настоящей работе мы рассмотрим вопрос — как связан коэффициент трения с толщиной поверхностного слоя, который формируется в процессе синтеза ВЭСов.

Методика эксперимента.

Для синтеза использовались микропорошки из представленных ниже составов:

1. Fe-Co-Cr-Ni-Ta-Ti-Zr;

2. Fe-Co-Cr-Ni-Ta-Ti-Mo;

3. Fe-Co-Cr-Ni-Ta-Ti-W;

4. Fe-Co-Cr-Ni-Ta-Ti-Al;

5. Fe-Co-Cr-Ni-Ta-Ti-Cu.

Для приготовления таблеток брались микропорошки соответствующих металлов и смешивались в эквиатомных пропорциях. Затем приготовленная смесь порошков помещалась в мелющий стакан планетарной шаровой мельницы изготовленный из карбида вольфрама и добавлялись мелющие тела (шары диаметром 5-10мм) также изготовленные из карбида вольфрама , масса которых была равна 10-ти массам смеси порошков. После стакан наполняли бензином «Галоша», закрывали крышку и включали планетарную шаровую мельницу (скорость вращения составляла 500 об/мин., время работы 5 ч.).

Полученные таким образом гомогенизированные составы затем сушились в вакууме и при помощи пресс-формы (давление 20 т) прессовались в плоские диски диаметром 12 мм и толщиной в 3 мм (рис. 1).


Рис. 1 — Синтезированные диски ВЭСов

Исследование фазового состава и структурных параметров образцов проводилось на дифрактометре XRD-6000 на CuKα-излучении. В результате были обнаружены две фазы: ОЦК+ГЦК. Экспериментальная установка для определения коэффициентов трения описана нами в работе [4].

Для определения толщины поверхностного слоя различных соединений нами использовалась размерная зависимость некоторого физического свойства A®:


Параметр d связан с поверхностным натяжением σ формулой:


Здесь σ—поверхностное натяжение массивного образца; υ—объем одного моля; R—газовая постоянная; Т—температура. В работе [5], а также [6], было показано, что с большой точностью выполняется соотношение:


где Tm — температура плавления твердого тела (К). Соотношение выполняется для всех металлов и для других кристаллических соединений. Если его подставить в (2), то при T = Tm получим:


Уравнение (4) показывает, что толщина поверхностного слоя d(I) определяется одним фундаментальным параметром — атомным объемом элемента, который периодически изменяется в соответствие с таблицей Д.И. Менделеева.

Результаты эксперимента и их обсуждение.

Из (2) вытекает, что d ~ σ — поверхностное натяжение ВЭСов. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Толщина поверхностного слоя d и коэффициент трения kтр высокоэнтропийных сплавов


Из табл. 1 следует, что коэффициент трения kтр снижается в соответствие с уменьшением поверхностного натяжения. В работе [7] дан подробный обзор влияния различных факторов на трибологические свойства ВЭСов. Можно сформулировать два основных способа повышения износостойкости материалов [7]: за счет повышения твердости поверхностных слоев и за счет снижения коэффициента трения между соприкасающимися поверхностями (уменьшение схватываемости).

В этом случае увеличение активации поверхностных слоев осуществляется за счет снижения поверхностной энергии и облегчения пластической деформации. Направленное изменение свойств покрытий путем варьирования их состава, структуры и строения за счет легирования позволяет существенно влиять на контактные характеристики процесса трения.

Заключение.

Снижение поверхностной энергии (иначе-удельного поверхностного натяжения) мы и показали. Уравнение (4) дает возможность определять толщину поверхностного слоя и ВЭСов и других материалов по одному параметру: атомному объему образца (υ=М/ρ).

Список литературы

  1. Yeh J.W., Chen Y.L., Lin S.J. High-entropy alloys — a new era of exploitation // Materials Science Forum. 2007. Vol. 560. — P. 1-9.
  2. Фирсов С.А., Горбань В.Ф., Крапивка Н.А., Печковский Э.П. Упрочнение и механические свойства литых высокоэнтропийных сплавов // Композиты и наноструктуры, 2011, № 2. — С. 3-20.
  3. Погребняк А.Д., Багдасарян А.А., Якущенко И.И., Береснев В.М. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе // Успехи химии, 2014, т. 83, вып. 11. — С. 1027-1061.
  4. Колесников В.А., Байсагов Я.Ж., Юров В.М. Информационно-измерительный прибор для определения коэффициента трения скольжения // Фундаментальные исследования. 2011. № 12. Часть 1. — С. 121-124.
  5. Юров В.М., Гученко С.А., Лауринас В.Ч. Толщина поверхностного слоя, поверхностная энергия и атомный объем элемента // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2018. Вып. 10. — С. 691-699.
  6. Рехвиашвили С.Ш., Киштикова Е.В., Кармокова Р.Ю. К расчету постоянной Толмена // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. вып. 2. — С. 1-7.
  7. Ахммад М. Махммуд Албу-Бадри. Физико-механические свойства и структура покрытий на основе Ti, Al, Zr , Si и N. Дисс. кандид. физ.-мат. наук. Сумы. 2013. — 150 с.