CC BY
122
Ionov Anton Olegovich, candidate of technical sciences, the deputy the director, io-nov anton@mail.ru, Russia, Tula, Limited Company «Solid»
УДК 621.2.082.18
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИГЕТЕРОАРИЛЕНА «Р-ОДФО»
С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ НАНОЧАСТИЦ ДИСЕЛЕНИДА
ВОЛЬФРАМА
А. Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А. Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко,
Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов
Представлены результаты исследования триботехнических свойств композиционных покрытий с матрицей из полигетероарилена «Р-ОДФО» и наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама. Для создания композиционного материала были использованы полученные методом газофазного синтеза наночастицы диселенида вольфрама со средним размером 60х5 нм.
Ключевые слова: полигетероарилены, композиционные покрытия, дихалькоге-ниды вольфрама, наночастицы, газофазный синтез, сухое трение, износ.
Полигетероарилены - это полимеры, содержащие в повторяющемся звене макромолекулы в качестве фрагментов ароматические карбоциклы (бензольные, нафталиновые) и гетероциклы (имидазольные, оксадиазоль-ные или др.). Наиболее распространены полигетероарилены, содержащие 5- и 6-членные циклы. Ароматические карбоциклы могут быть соединены с гетероциклами простой связью или конденсированы [1].
Известно широкое применение полигетероариленов в качестве материалов для различных узлов трения. В частности, для узлов трения используются полиимиды. Всё большую роль в технике приобретают различные композиционные материалы, поэтому всё чаще полиимиды используют в качестве матриц.
В таблице ниже приведены составы и основные свойства самосмазывающихся композиционных материалов на основе полиимидов. Коэффициент трения этих материалов с увеличением скорости скольжения снижается. Детали узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых изделий, например, подшипников, к полиимиду добавляют полиформальдегид. При температуре до 340 °С наиболее эффективно работают композиции, содержащие 45 % графитированного волокна (коэффициент трения снижается до 0,05...0,10) при допустимом контактном давлении 350 МПа [2].
Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях ограничивает их использование в вакуумной технике, а также хрупкость, предъявляющая особые требования к технологии обработки деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую стоимость. Поэтому их применяют лишь для изготовления ответственных деталей подвижных сопряжений, работающих в экстремальных условиях [2], что важно для военной техники.
Характеристики материалов на основе полиимидов [2]
Марка материала Состав материала Плотность 3 р, г/см Прочность ов, МПа Ударная вязкость КС, кДж/м2 Твердость НВ, кг/мм2 Предельная рабочая температура, °С
Полиар-2 ПМ-67, МоБ2 1,3 — 50 140 -196.300
Тесан-38 ПМ-69, МоБ2 1,3 — 30 140 -196.250
ПМ-67-ДИ-3 ПМ-67, МоБ2 1,43 90.130 20.70 210.310 -196.250
ПМ-69-ДМ-3 ПМ-67, МоБ2 1,45 85.120 30.50 210.280 до 250
ПМ-67-Г10 ПМ-67, графит 1,45 70.98 8.30 230.330 до 250
ПМ-69-Г5 ПМ-69, графит 1,47 70.90 20.40 220.330 до 250
ПАМ 1567 ПМ-67, графит 1,42 80.100 16.30 300 -196.250
ПАМ 1569 ПМ-69, графит 1,42 65.80 7,8 330 -196.250
ПАМ 5067 ПМ-7, графит, нитрид бора 1,62 44.45 1,5.5,0 270.300 -196.250
ПАМ 5069 ПМ-69, графит, нитрид бора 1,5...1,6 30.38 5,0 300 -196.250
Указанные в таблице наполнители полиимидных матриц относятся к так называемым слоистым модификаторам трения, которые также называют твёрдыми смазочными материалами. Наряду с широко распространёнными наполнителями из графита и дисульфида молибдена заслуживает внимания также такой слоистый модификатор трения, как диселенид вольфрама Ш8е2. Известно применение диселенида вольфрама в качестве наполнителя для создания жидких и пластичных смазочных композиционных материалов [3, 4]. В связи с широкой номенклатурой полигетероари-
ленов и развитием нанотехнологий возникает необходимость исследований полимерных композиционных материалов, содержащих наночастицы диселенида вольфрама.
Целью настоящей работы является оценка триботехнических свойств композиционных покрытий с матрицей из полиимида «Р-ОДФО» и наполнителем из полученных методом газофазного синтеза наночастиц диселенида вольфрама со средним размером частиц 60х5нм.
В границах данного исследования в качестве полимера для связующего наночастиц диселенида вольфрама, исходя из анализа литературных данных [5], был выбран полигетероариллен - полиимид «Р-ОДФО», разработанный в ИВС РАН.
Для оценки трения и изнашивания исследуемых полимерных покрытий была использована машина трения 2070 СМТ-1 (аналог машины трения ИИ5018). Для реализации данного исследования в условиях скольжения поверхностей использовалась схема испытаний «прямоугольный образец - ролик», удобная для осуществления экспресс-оценки трения и износа полимерных покрытий. Подвижный образец состоял из стали Р6АМ5, неподвижный (прямоугольный брусок) - из стали У8А с нанесённым на него полимерным покрытием. Трущиеся образцы приводились в контактное взаимодействие в процессе вращения подвижного образца. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реали-зовывалось с нормальной силой W=25H=const. Частота вращения подвижного образца составляла n = 500 об/мин = const. Диаметр ролика составлял dp = 50 мм. Размеры прямоугольного контртела с покрытием 20х10х5. Время одного испытания в условиях выбранных параметров составляло t№ = 30 с.
Зависимости трения и износа от концентрации наноструктур из частиц диселенида вольфрама в полигетероарилене «Р-ОДФО», нанесённом на стальной подложке, в режиме сухого трения скольжения по стальной поверхности приведены на рисунке.
Полученные данные показывают увеличение энергетических потерь на трение при приращении концентрации наполнителя от 0 до 70 % по массе в жёстких условиях фрикционного взаимодействия. Также происходит приращение износа при увеличении концентрации наноструктур в выбранном полиимиде. Вместе с тем, характеристики трения и износа у полученных покрытий получаются меньше либо близкими к фрикционным характеристикам, выявленным при трении подложки по стальной поверхности:
- итоговый износ образца с базовым покрытием «Р-ОДФО» на 76 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» «Р-ОДФО» был на 43 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;
- итоговый износ образца с покрытием «Р-ОДФО»+Ю на 52 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре сталь - покрытие «Р-ОДФО»+Ю %Ш8е2 был на 28,6 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;
- итоговый износ образца с покрытием «Р-ОДФО»+70 %WSe2 совпадает по величине с износом подложки. За указанный интервал времени на образце с покрытием изнашивалось как само покрытие, так и материал подложки, при этом к концу опыта материал подложки был локально открыт. Это говорит об уменьшении адгезии и износостойкости покрытия при существенном увеличении концентрации наполнителя. При этом за указанное время изнашивания момент трения в паре «сталь - покрытие» «Р-ОДФО»+70 %WSe2 был на 9,5 % меньше, чем в паре «сталь - подложка».
Зт
2.4-Е
К
н" 1.8-
я
я
(и &
О
0.6-о-о
Концентрация наполнителя, по массе, Уо
Зависимости фрикционных характеристик композита на основе Р-ОДФО от концентрации WSe2 (сухое трение): 1 - зависимость ширины лунки износа; 2 - момента трения от концентрации;
3, 4 - ширина лунки износа и момент трения для стальной подложки
На основе полученных результатов лабораторных исследований триботехнических свойств композиционных покрытий с полигетероари-ленной матрицей «Р-ОДФО» и наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама в режиме сухого трения скольжения можно сделать следующие основные выводы
1. В результате проведённых исследований получен массив экспериментальных данных, подтверждающих эффективность используемого базового полигетероарилленного покрытия «Р-ОДФО» без наполнителей:
136
в жестких условиях испытаний момент трения у покрытия меньше, чем у подложки на 43 %, ширина лунки износа у базового покрытия на 76 % меньше, чем у подложки.
2. Чистое полигетероариленное покрытие «Р-ОДФО» показало хорошие результаты по износу и трению, причём с увеличением концентрации наноструктур данные показатели снижаются, что говорит о возможности использования данного наполнителя в выбранной дисперсионной среде лишь в небольших концентрациях. Вместе с тем, в данных условиях лабораторных триботехнических испытаний сохранялись исходные свойства полимера и не происходила его деструкция за короткие интервалы испытаний, которая происходит в процессе длительной эксплуатации. Можно полагать, что действие наноструктур будет проявляться более существенно по мере интенсификации деструкции полимера и постепенного ухудшения изначально заложенных в него свойств.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научного проекта "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553 в рамках государственного задания при финансовой поддержке Минобрнауки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014.
Список литературы
1. Коршак В.В. Термостойкие полимеры. М.: Наука, 1969. 418 с.
2. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учебник для вузов / под ред. Д.Г. Громаковского. Самара: Самарский государственный технический университет. 2000. 268 с.
3. Применение мелкодисперсного диселенида вольфрама для улучшения трибологических характеристик масел и пластичных смазок / И.А. Буяновский, Т.А. Лобова, Е.А. Марченко, И.П. Чулков // Механизация строительства. 2014. № 5. С. 11 - 14.
4. Новые смазочные композиции с добавками порошков диселени-дов молибдена и вольфрама / Т.А. Лобова, М.В. Лобанов, И.П. Чулков, О. А. Саяпин // Вестник машиностроения. 2004. № 7. С. 40 - 44.
5. Светличный В.М., Кудрявцев В.В. Полиимиды и проблема создания современных конструкционных и композиционных материалов // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. Т. 45. №6. 2003. С. 1 - 52.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав., кафедрой, al-breki@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, зав. лабораторией, fadinspb@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,
Диденко Андрей Леонидович, канд. хим. наук, старший научный сотрудник, va-nilin72@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт высокомолекулярных соединений РАН,
Кудрявцев Владислав Владимирович, д-р хим. наук, проф., заведующий лабораторией, vanilin 72@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт высокомолекулярных соединений РАН,
Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса, plast-ftim@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., katrinfr@,inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@,tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав., кафедрой, stari-kov_taii@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodmyt@rambler. ru, Россия, Тула, Научно-производственное предприятие «Вулкан-ТМ»
TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF COMPOSITE COATINGS ON THE BASIS OF POLYETHERURETHANE «R-ODFO» FILLED WITH NANOPARTICLES OF TUNGSTEN
DISELENIDE
A. D. Breki, Yu. A. Fadin, A. L. Didenko, V. V. Kudryavtsev, O. V. Tolochko, E. S. Vasilyeva,
A. E. Gvozdev, N.E. Starikov, D.A. Provotorov
The paper presents the results of a study of the tribological properties of composite coatings with a matrix of poligeteroarilenes «R-ODFO» and filled with nanoparticles of tungsten diselenide. To create the composite material were used obtained by chemical vapor deposition of tungsten diselenide nanoparticles with an average size 60h5nm.
Key words: poligeteroarilenes, composite coatings, dichalcog-tungsten, nanoparticles, the gas-phase synthesis, dry friction, wear.
138
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technicale sciences, docent, deputy. head of chair, albreki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Fadin Yuri Alexandrovich, doctor of technicale sciences, professor, head of the laboratory, fadinspb@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Institute of problems of mechanical engineering RAS,
Didenko Andrey Leonidovich, candidate of chemical sciences, senior researcher of the laboratory, vanilin72@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Institute of macromolecular compounds RAS,
Kudryavtsev Vladislav Vladimirovich, doctor of chemical sciences, professor, head of the laboratory, vanilin72@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Institute of Macromolecular Compounds RAS,
Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex, plast-ftim@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Vasil'eva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Gvozdyev Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,
Starikov Nikolay Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, starikov taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, leading design engineer, pprodmyt@rambler.ru, Russia, Tula, SME «Vulkan-TM»
УДК 621.922: 621.921.34
НОВЫЙ КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СМЕСЕЙ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
А.В. Евсеев
Предложен новый критерий оценки качества смесей сыпучих материалов, получаемых по технологии детерминированного формирования их однородности.
Ключевые слова: качество, сыпучий материал, смесевой продукт.
Номенклатура смесевых продуктов постоянно расширяется и требования к ним становятся все более жесткими. Это обстоятельство подталкивает инженеров и ученых создавать новые более современные и совер-
139
