НАНОМАТЕРИАЛЫ ТЕХНОЛОГИИ СВС ДЛЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ. ОБЗОР

Дан обзор результатов применения порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения разнообразных наноматериалов, которые могут быть использованы по триботехническому назначению. Во-первых, это недорогие нанопорошки сульфидов, оксидов, нитридов, карбидов, боридов и металлов, которые пригодны в качестве твердых смазок и модификаторов трения для жидких и пластичных смазочных материалов. Во-вторых, это твердые компактные наноструктурные керамические и композиционные материалы для изготовления триботехнических конструкций. Данный вид наноматериалов может быть получен как ex situ из СВС-нанопорошков спеканием или введением в расплав, так и in situ в одну стадию из исходных порошковых реагентов методами газостатной СВС-технологии, силового СВС-компактирования, СВС-литья, СВС в расплаве, что значительно упрощает и удешевляет производство таких материалов. В-третьих, это материалы СВС для нанесения наноструктурных покрытий различной толщины с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения: наноструктурные материалы для наплавки и напыления, электроды для электроискрового легирования, многокомпонентные мишени для магнетронного распыления и катоды для вакуумно-дугового испарения, нанодисперсные наполнители электрохимических и химических покрытий.

1. Basu B., Kalin M. Tribology of ceramics and composites: a materials science perspective. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2011.

2. Achanta S., Dress D., Celis J.-P. Nanocoatings for tribo-logical applications // Nanocoatings and ultra-thin films: Technologies and applications / Eds. A.S.H. Makhlouf, I. Tiginyanu. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2011. P. 355—396.

3. Tang Z., Li S. A review of recent developments of friction modifier for liquid lubricants (2007-present) // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2014. Vol. 18. No. 3. P. 119—139.

4. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Изд. дом МИСиС, 2011.

5. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Сычев А.Е. Принципы и методы регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: от монокристаллов до наночастиц // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2005. No. 5. С. 9—22.

6. Амосов А.П. Материалы и покрытия триботехнического назначения, получаемые по технологии СВС // Ремонт, восстановление, модернизация. 2010. No. 1. С. 15—20.

7. Пучков В.Н., Заскалько П.П. Исследование влияния добавок наноструктурированных материалов на трибологические свойства смазочных масел // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. No. 11. C. 25—30.

8. Akbulut M. Nanoparticle-based lubrication systems // Powder Metall. Mining. 2012. Vol. 1. No. 1. 1000e101 (open access). URL: http://dx.doi.org/10.4172/2168-9806/1000e101 (дата обращения: 16.03.2016).

9. An V., Bozheyev F., Richencoeur F., Irtegov Yu. Synthesis and characterization of nanolamellar tungsten und molybdenum disulfides // Mater. Lett. 2011. Vol. 65. No. 15—16. P. 2381—2383.

10. Ан В.В., Иртегов Ю.А., Яворовский Н.А., Галанов А.И., Погребенков В.М. Трибологические свойства нанослоистых дисульфидов вольфрама и молибдена // Изв. вузов. Физика. 2011. Т. 54. No. 11. С. 326—331.

11. Alves S.M., Barros B.S., Trajano M.F., Ribeiro K.S.B., Moura E. Tribological behavior of vegetable oil-based lubricants with nanoparticles of oxides in boundary lubrication conditions // Tribol. Int. 2013. Vol. 65. P. 28—36.

12. Patil K.C., Hedge M.S., Tanu R. Chemistry of nanocrystalline oxide materials. Combustion synthesis, properties and applications. Singapore: World Scientific, 2008.

13. Mukasyan A.S., Dinka P. Novel approaches to solution-combustion synthesis of nanomaterials // Int. J. SHS. 2007. Vol. 16. No. 1. P. 23—35.

14. Martirosyan K.S. Carbon combustion synthesis of ceramic oxides nanopowders // Adv. Sci. Technol. 2010.Vol. 63. P. 236—245.

15. Bichurov G.V. Halides in SHS azide technology of nitrides obtaining // Nitride Ceramics: Combustion synthesis, properties, and applications / Eds. A.A. Gromov, L.N. Chukhlomina. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. P. 229—263.

16. Nersisyan H.H., Lee J.H., Won C.W. SHS for a large scale synthesis method of transition metal nanopowders // Int. J. SHS. 2003. Vol. 12. No. 1. P. 149—158.

17. Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P. Some regularities of α-Si3N4 synthesis in a commercial SHS reactor // Int. J. SHS. 2000. Vol. 9. No. 2. P. 171—191.

18. Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P. SHS of α-Si3N4 from fine Si powders in the presence of blowing agents // Int. J. SHS. 2011. Vol. 20. No. 3. P. 156—160.

19. Chukhlomina L.N., Ivanov Yu.F., Maksimov Yu.M., Akhu-nova Z.S., Krivosheeva E.N. Preparation of submicron silicon nitride powders via self-propagating high-temperature synthesis // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2007. Vol. 46. Iss. 1. P. 8—11.

20. Wang Q., Liu G., Yang J., Chen Y., Li J. Preheating-assisted combustion synthesis of β-Si3N4 powders at low N2 pressure // Mater. Res. Bull. 2013. Vol. 48. Iss. 3. P. 1321— 1323.

21. Yang J., Han L., Chen Y., Liu G., Lin Z., Li J. Effects of pelletization of reactants and diluents on the combustion synthesis of Si3N4 powder // J. Alloys Compd. 2012. Vol. 511. Iss. 1. P. 81—84.

22. Cui W., Zhu Y., Ge Y., Kang F., Yuan X., Chen K. Effects of nitrogen pressure and diluent content on the morphology of gel-cast-foam-assisted combustion synthesis of elongated β-Si3N4 particles // Ceram. Int. 2014. Vol. 40. Iss. 8. Pt. A. P. 12553—12560.

23. Nitride ceramics: combustion synthesis, properties, and applications / Eds. A.A. Gromov, L.N. Chukhlomina. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015.

24. Mukasyan A.S., Lin Ya-Ch., Rogachev A.S., Moskovskikh D.O. Direct combustion synthesis of silicon carbide nanopowder from the elements // J. Am. Ceram. Soc. 2013. Vol. 96. No. 1. P. 111—117.

25. Moskovskikh D.O., Lin Ya-C., Rogachev A.S., McGinn P.J., Mukasyan A.S. Spark plasma sintering of SiC powders produced by different combustion synthesis routes // J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 477—486.

26. Palmero P. Structural ceramic nanocomposites: a review of properties and powders’ synthesis methods // Nanomaterials. 2015. Vol. 5. No. 2. P. 656—696.

27. Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P., Chevykalova L.A., Kelina I.Ya. Combustion synthesis of α-Si3N4—(MgO, Y2O3) composites // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2007. Vol. 46. No. 1—2. P. 8—12.

28. Zhao Y.S., Yang Y., Li J.T., Borovinskaya I.P., Smirnov K.L. Combustion synthesis and tribological properties of SiAlON-based ceramic composites // Int. J. SHS. 2010. Vol. 19. No. 3. P 172—177.

29. Smirnov K.L. Combustion synthesis of hetero-modulus SiAlON-BN composites // Int. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 4. P. 220—226.

30. Zhang Y., He X., Han J., Du Sh. Combustion synthesis of hexagonal boron nitride-based ceramics // J. Mater. Process. Technol. 2001. Vol. 116. P. 161—164.

31. Zhang G.-J., Yang J.-F., Ando M., Ohji T. Nonoxide—boron nitride composites: in situ synthesis, microstructure and properties // J. Eur. Ceram. Soc. 2002. Vol. 22. No. 14—15. P. 2551—2554.

32. Carrapichano J.M., Gomes J.R., Silva R.F. Tribological be-havior of Si3N4-BN ceramic materials for dry sliding applications // Wear. 2002. Vol. 253. P. 1070-1076.

33. Amosov A.P., Shiganova L.A., Bichurov G.V., Kerson I.A. Combustion synthesis of TiN—BN nanostructured composite powder with the use of sodium azide and precursors of titanium and boron // Modern Appl. Sci. 2015. Vol. 9. No. 3. P. 133—144.

34. He W., Zhang B., Zhuang H., Li W. Combustion synthesis of Si3N4—TiN composite powders // Ceram. Int. 2004. Vol. 30. Iss. 8. P. 2211—2214.

35. Evdokimov A.A., Sivkov A.A., Gerasimov D. Yu. Obtaining ceramic based on Si3N4 and TiN by spark plasma sin-tering // Glass Ceram. 2016. Vol. 72. Iss. 9. P. 381—386.

36. Yoshimura M., Komura O., Yamakawa A. Microstructure and tribological properties of nano-sized Si3N4 // Scr. Mater. 2001. Vol. 44. P. 1517—1521.

37. Tatami J., Kodama E., Watanabe H., Nakano H., Wakihara T., Komeya K., Meguro T., Azushima A. Fabrication and wear properties of TiN nanoparticle-dispersed Si3N4 ceramics // J. Ceram. Soc. Jap. 2008. Vol. 116. No. 6. P. 749—754.

38. Kata D., Ohyanagi M., Munir Z.A. Induction-field-activated self-propagating high-temperature synthesis of AlN—SiC solid solutions in the Si3N4—Al—C system // J. Mater. Res. 2000. Vol. 15. No. 11. P. 2514—2525.

39. Vallauri D., Atías Adrián I.C., Chrysanthou A. TiC—TiB2 composites: A review of phase relationships, processing and properties // J. Eur. Ceram. Soc. 2008. Vol. 28. Iss. 8. P. 1697—1713.

40. Vallauri D., DeBenedetti B.L., Jaworska, Klimczyk P., Rod-riguez M.A. Wear-resistant ceramic and metal—ceramic ultrafine composites fabricated from combustion syn-thesized metastable powders // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. Vol. 27. Iss. 6. P. 996—1003.

41. Barsoum M.W. MAX phases. Properties of machinable ternary carbides and nitrides. Weinheim: Wiley-VCH, 2013.

42. Myhra S., Summers J.W.B., Kisi E.H. Ti3SiC2 a layered ceramics exhibiting ultra-low friction // Mater. Lett. 1999. Vol. 39. No. 1. P. 6—11.

43. Meng F., Liang B., Wang M. Investigation of formation mechanism of Ti3SiC2 by self-propagating high-temperature synthesis // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 41. P. 152—161.

44. Davydov D.M., Amosov A.P., Latukhin E.I. Synthesis of MAX-phase of titanium silicon carbide (Ti3SiC2) as a promising electric contact material by SHS pressing method // Appl. Mech. Mater. 2015. Vol. 792. P. 596—601.

45. Shi X., Wang M., Zhai W., Xu Z., Zhang Q., Chen Y. Influence of Ti3SiC2 content on tribological properties of NiAl matrix self-lubricating composites // Mater. Design. 2013. Vol. 45. P. 179—189.

46. Rohatgi P.K., Tabandeh-Khorsid M., Omrani E. Chapter 8. Tribology of metal-matrix composites // Tribology for scientists and engineers: From basics to advanced concepts / Eds. P.L. Menezes et al. N.Y.: Springer Science + Business Media, 2013.

47. Levashov E., Kurbatkina V., Zaytsev A. Improved mechanical and tribological properties of metal-matrix composites dispersion-strengthened by nanoparticles // Materials. 2010. No. 3. P. 97—109.

48. Rapoport L., Leshchinsky V., Lvovsky I., Volovik Yu., Feld-man Y., Popovitz-Biro R., Tenne R. Superior tribological properties of powder materials with solid lubricant nano-particles // Wear. 2003. Vol. 255. No. 7—12. P. 794—800.

49. Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Levashov E.A., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu., Rogachev A.S. SHS of TiC—TiNi composites: Effect of initial temperature and nanosized refractory additives // Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. Iss. 4. P. 202—211.

50. Amosov A.P., Fedotov A.F., Latukhin E.I., Novikov V.A. TiC—Al interpenetrating composites by SHS pressing // Int. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 4. P. 187—191.

51. Федотов А.Ф, Амосов А.П., Латухин Е.И., Новиков В.А. Получение алюмокерамических каркасных композитов на основе МАХ-фазы Ti2AlC методом СВС-прессования // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 6. C. 53—62.

52. Xue Q.J., La P.Q. Combustion synthesized bulk nano-crystalline materials and intermetallic matrix composites and their tribological properties // Chin. J. Nonferr. Met. 2004. Vol. 14. No. 1. P. 128—137.

53. La P.Q., Wang H.D., Bai Y.P., Yang Y., Wei Y.P., Lu X.F., Zhao Y., Cheng C.J. Microstructures and mechanical properties of bulk nanocrystalline Fe3Al materials with 5, 10, and 15 wt.% Cr prepared by aluminothermic reaction // Mater. Sci. Eng. A. 2011. Vol. 528. No. 21. P. 6489—6496.

54. Sanin V., Andreev D., Ikornikov D., Yukhvid V. Cast inter-metallic alloys and composites based on them by combined centrifugal casting — SHS process // Open J. Metal. 2013. No. 3. P. 12—24.

55. Nabavi A., Goroshin S., Frost G.L., Barthelat F. Mechanical properties of chromium-chromium sulfide cermets fabricated by self-propagating high-temperature synthesis // J. Mater. Sci. 2015. Vol. 50. P. 3434—3446.

56. Tomoshige R., Niitsu K., Sekiguchi T., Oikawa K., Ishida K. Some tribological properties of SHS-produced chromium sulfide // Int. J. SHS. 2009. Vol. 18. No. 4. P. 287—292.

57. Калашников И.Е., Болотова Л.К., Чернышова Т.А. Трибологические характеристики литых алюмоматричных композитов, модифицированных нано-размерными тугоплавкими порошками // Росс. нанотехнологии. 2011. T. 6. No. 1—2. C. 144—153.

58. Амосов А.П., Никитин В.И., Никитин К.В., Рязанов С.А., Ермошкин А.А. Научно-технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмо-матричных композиционных сплавов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. No. 8. C. 3—9.

59. Амосов А.П., Титова Ю.В., Майдан Д.А., Ермошкин А.А., Тимошкин И.Ю. О применении нанопорошковой продукции азидной технологии СВС для армирования и модифицирования алюминиевых сплавов // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 1. С. 68—74.

60. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Применение процессов СВС для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами карбида титана: Обзор // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. No. 1. С. 39—49.

61. Штанский Д.В., Бондарев А.В., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Левашов Е.А. Нанокомпозиционные антифрикционные покрытия для инновационных триботехнических систем // Металловедение и терм. обраб. металлов. 2015. No. 7. С. 77—84.

62. Sanin V.N., Ikornikov D.M., Andreev D.E., Yukhvid V.I., Derin B., Yücel O. Protective Mo2NiB2—Ni coatings by centrifugal metallothermic SHS // Int. J. SHS. 2015. Vol. 24. Iss. 3. P. 161—170.

63. Горшков В.А., Качин А.Р., Юхвид В.И. СВС-металлургия литого композиционного материала Cr3C2—NiAl и защитные покрытия на его основе // Перспективные материалы. 2014. No. 10. C. 60—67.

64. Бажин П.М., Столин А.М., Алымов М.И., Чижиков А.П. Особенности получения длинномерных изделий из керамического материала с наноразмерной структурой методом СВС-экструзии. // Перспект. материалы. 2014. No. 11. C. 73—81.

65. Stolin A.M., Bazhin P.M., Mikheev M.V., Averichev O.A., Saguidollayev A.S., Kylyshbaev K.T. Deposition of protective coatings by electric arc cladding with SHS electrodes // Weld. Int. 2015. Vol. 29. No. 8. P. 657—660.

66. Степанова И.В., Панин С.В., Дураков В.Г., Корчагин М.А. Модификация структуры порошковых покрытий на никелевой и хромоникелевой основах введением наночастиц диборида титана при электронно-лучевой наплавке // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2011. No. 1. С. 68—74.

67. Makhlouf A.S.H. Current and advanced coating technologies for industrial applications // Nanocoatings and ultra-thin films: Technologies and applications / Eds. A.S.H. Makhlouf, I. Tiginyanu. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2011. P. 3—23.

68. Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой. М.: Лидер М, 2008.

69. Pawlowski L. Finely grained nanometric and submicro-metric coatings by thermal spraying: a review // Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 4318—4328.

70. Lomovsky O.I., Dudina D.V., Ulianitsky V.Yu., Zlobin S.B., Kosarev V.F., Klinkov S.V., Korchagin M.A., Know D.-H., Kim J.-S., Know Y.-S. Cold and detonation spraying of TiB2—Cu nanocomposites // Mater. Sci. Forum. 2007. Vol. 534—536. P. 1371—1376.

71. Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Kudryashov A.E., Senatulin B.R., Moore J.J. Studying the effect of various nature zirconia nanocrystalline powder additions on composition and physical-chemical properties of SHIM-3B hard alloy // Phys. Metals Metallogr. 2003. Vol. 96. No. 2. P. 1—7.

72. Левашов Е.А., Погожев Ю.С., Кудряшов А.Е., Рупасов С.И., Левина В.В. Дисперсно-упрочненные нано-частицами композиционные материалы на основе TiC—Ni для электроискрового легирования // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2008. No. 2. С. 17—24.

73. Кудряшов А.Е., Левашов Е.А., Ветров Н.В., Шалькевич А.Б., Иванов Е.В., Солнцева И.С. Новый класс электроискровых покрытий для изделий из титановых сплавов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2008. No. 3. С. 34—45.

74. Левашов Е.А., Кудряшов А.Е., Доронин А.Н., Крафт В.Б. О применении СВС-электродных материалов для электроискрового упрочнения валков стана горячей прокатки // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2013. No. 1. С. 64—72.

75. Манакова О.С., Кудряшов А.Е., Левашов Е.А. О применении дисперсионно-твердеющих СВС-электродных материалов на основе карбида (Ti, Zr)C в технологии электроискрового легирования // Электрон. обраб. материалов. 2015. Т. 51. No. 5. С. 1—10.

76. Пантелеенко Ф.И., Саранцев В.В., Столин А.М., Бажин П.М., Азаренко Е.Л. Создание композиционных покрытий на основе карбида титана электроискровым легированием // Электрон. обраб. материалов. 2011. Т. 47. No. 4. С. 106—115.

77. Левашов Е.А., Штанский Д.В. Многофункциональные наноструктурированные пленки // Успехи химии. 2007. Т. 76. No. 5. С. 501—509.

78. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Комаров В.А., Блантер М.С., Скрылева Е.А., Ширманов Н.А., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Наноструктурные покрытия Ti—Cr—B—N и Ti—Cr—Si—C—N для твердосплавного режущего инструмента // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2010. No. 2. С. 39—47.

79. Федотов А.Ф., Амосов А.П., Ермошкин А.А., Лавро В.Н., Алтухов С.И., Латухин Е.И., Давыдов Д.М. Состав, структура и свойства СВС-прессованных катодов системы Ti—C—Al—Si и полученных из них вакуум-но-дуговых покрытий // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2013. No. 2. C. 29—36.

80. Walsh F.C., Ponce de Leon C. A review of the electrode-position of metal matrix composite coatings by inclusion of particles in a metal layer: an established and diversifying technology // Trans. Inst. Mater. Finish. 2014. Vol. 92. No. 2. P. 83—98.

81. Ahmad Y.H., Mohamed A.M.A. Electrodeposition of nano-structured nickel-ceramic composite coatings: a review // Int. J. Electrochem. Sci. 2014. Vol. 9. P. 1492—1963.

82. Sudagar J., Lian J., Sha W. Electroless nickel, alloy, composite and nanocoatings — a critical review // J. Alloys Compd. 2013. Vol. 571. P. 183—204.

83. Narayanan T.S.N.S., Seshadri S.K., II Park S., Lee M.H. Electroless nanocomposite coatings: synthesis, characteristics, and applications // Handbook of Nanoelectro-chemistry: Electrochemical synthesis methods, properties and characterization techniques / Eds. M. Aliofkhazraei, A.S.H. Makhlouf. Springer Intern. Publ., 2015. P. 1—23.

84. Бородин И.М. Порошковая гальванотехника. М.: Машиностроение, 1990.

85. Ashby M.F. Chapter 4. Material property charts // Materials selection in mechanical design / Ed. M.F. Ashby. 4-th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2011. P. 57—96.