Научная статья на тему 'Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты'

Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
82
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ / ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС / СЕРВОВИТНАЯ ПЛЕНКА / ПЯТНО ИЗНОСА / НАГРУЗКА СВАРИВАНИЯ / КРИТИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА / FRICTION COEFFICIENT / SELECTIVE TRANSFER / SERVOVITE FILM / WEAR SCAR / WELDING LOAD / CRITICAL LOAD

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Дроган Е. Г., Бурлакова В. Э.

Введение. Работа посвящена исследованию эволюции коэффициента трения пары сплав медь-сталь при трении в водном растворе капроновой кислоты различной концентрации, а также изучению противоизносных свойств пары трения сталь-сталь при трении в маслянокислотной среде. Целью данного исследования являлось изучение влияния добавок капроновой кислоты на трибологические характеристики пар трения при фрикционном взаимодействии в составах на водной основе и на основе вазелинового масла.Материалы и методы. Проведены трибологические исследования пары трения латунь-сталь на машине трения торцевого тира АЕ-5. Исследование противоизносных характеристик проводилось на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) в соответствие со стандартом ГОСТ 949075. При испытаниях на ЧШМ объективными параметрами смазывающих свойств смазочных композиций являлись: нагрузка сваривания (Рс); диаметр пятна износа (Dн), критическая нагрузка (Рк). Параметры шероховатости сервовитной пленки определялись с помощью оптической профилометрии; ее микрогеометрия и структура на наноуровне с помощью атомно-силовой микроскопии.Результаты исследования. Изучены трибологические свойства трибосопряжения латунь-сталь в водных средах и сталь-сталь в средах на основе вазелинового масла. Установлена зависимость фрикционных характеристик пары трения латунь-сталь от концентрации карбоновой кислоты. Обнаружена ее оптимальная концентрация, обеспечивающая реализацию эффекта безызносности. Выявлено уменьшение шероховатости поверхности в результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты по сравнению с исходной поверхностью трения вследствие формирования достаточно плотного слоя, образованного мелкозернистыми кластерами меди с малым разбросом частиц по размеру. Обнаружена зависимость триботехнических характеристик пары трения сталь-сталь от состава смазочной среды. Показано, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %. Критическая нагрузка (Pк) при содержании 0,05 и 0,1 масс. % увеличивается на 32%, нагрузка сваривания (Pc) на 27 %. Обсуждение и заключения. В результате трибологических исследований пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено, что оптимальной молярной концентрацией кислоты в составе смазки является 0,1 моль/л. При фрикционном взаимодействии пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты на поверхностях трения формируется антифрикционная медная пленка, способствующая резкому снижению коэффициента трения до 0,007 и износа металлов пары трения до 25 раз. В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости по сравнению с исходной поверхностью трения. Обнаружено, что фрикционное взаимодействие пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды и формирующих сервовитную пленку. В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %. Показано, что добавление 0,1 масс. % капроновой кислоты в состав смазочной композиции обнаруживает наименьший износ трибопары сталь-сталь, диаметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, критическая нагрузка (Pк) и нагрузка сваривания (Pc) увеличиваются на 32% и 27 % соответственно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Дроган Е. Г., Бурлакова В. Э.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Tribocontact surface exploration after friction in hexanoic acid solution

Introduction. The paper considers the evolution of friction coefficient of the pair of copper steel alloy under friction in a hexanoic acid solution in various concentrations, and antiwear properties of the steel-steel friction pair in an oil-acidic medium. The work objective is to explore the effect of hexanoic acid additives on the tribological characteristics of friction pairs under the friction interaction in waterborne and paraffin-based formulations. Materials and Methods. Tribological studies of a brass-steel friction pair were carried out on the AE-5 end-type friction machine. Antiwear characteristics were explored on a four-ball friction machine (FBW) in accordance with the standard GOST 9490-75. When tested at the FBW, the objective parameters of the lubricity of the oiling compositions were: welding load (Рс); wear spot diameter (Dн), critical load (Рк). Roughness parameters of the servovite film were determined through the optical profilometry; its microgeometry and structure at the nanoscale through the atomic force microscopy. Research Results. Tribological properties of the brass-steel tribocoupling in aqueous media and steel-steel one in petroleum paraffin-based media are studied. The dependence of the frictional characteristics of the brass-steel friction pair on the concentration of carboxylic acid is established. Its optimum concentration is specified, which provides the effect of wearlessness. A decrease in surface roughness is revealed as a result of the frictional interaction of a brass-steel friction pair in the hexanoic acid solution compared to the initial friction surface due to the formation of a sufficiently dense layer from fine-grained copper clusters with tight particle-size dispersion. The tribological characteristics of a steel-steel friction pair were found to depend on the composition of the lubricant. It is shown that the dependence of the size of the wear scar diameter (WSD) on the acid content in the base oil is nonmonotonic in nature with a pronounced minimum at a concentration of 0.1 mass. %. The critical load (Pк) at a content of 0.05 and 0.1 mass. % increases by 32%, welding load (Pc) by 27%.Discussion and Conclusions. As a result of the tribological studies of a brass-steel friction pair in the hexanoic acid solution, it has been found that the optimum acid molar concentration in the lubricant composition is 0.1 mol/L. Under the frictional interaction of a brass-steel pair in the hexanoic acid solution, an antifriction copper film is formed on the friction surfaces, which contributes to a sharp decrease in the friction coefficient to 0.007 and metal wear of the friction pair to 25 times. As a result of the frictional interaction of a brasssteel friction pair in the hexanoic acid solution, a decrease in roughness is revealed compared to the initial friction surface. It is found that the frictional interaction of a brass-steel pair in the hexanoic acid solution causes a significant modification of the friction surface as a result of the deposition of finely dispersed copper clusters occurring in the lubricating medium composition and forming a servovite film. As a result of studies, it is found that the dependence of the WSD size on the acid content in the base oil is nonmonotonic in nature with a significant minimum at a concentration of 0.1 mass. %. It is shown that the addition of 0.1 mass. % of hexanoic acid into the lubricant composition exhibits the smallest wear of the steel-steel tribological pair, the WSD decreases to 0.497 mm, the critical load (Pк) and the welding load (Pc) increase by 32% and 27%, respectively.

Текст научной работы на тему «Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCE

УДК 620.178.162.42; 620.178.15 https://doi.org/10.23947/1992-5980-2019-19-4-366-373

Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты

Е. Г. Дроган1, В. Э. Бурлакова2**

1,2 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация Tribocontact surface exploration after friction in hexanoic acid solution*** E. G. Drogan1, V. E. Burlakova2**

1,2 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation

Введение. Работа посвящена исследованию эволюции коэффициента трения пары сплав медь-сталь при трении в водном растворе капроновой кислоты различной концентрации, а также изучению противоизносных свойств пары трения сталь-сталь при трении в масляно-кислотной среде. Целью данного исследования являлось изучение влияния добавок капроновой кислоты на трибологические характеристики пар трения при фрикционном взаимодействии в составах на водной основе и на основе вазелинового масла. Материалы и методы. Проведены трибологические исследования пары трения латунь-сталь на машине трения торцевого тира АЕ-5. Исследование противоизносных характеристик проводилось на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) в соответствие со стандартом ГОСТ 949075. При испытаниях на ЧШМ объективными параметрами смазывающих свойств смазочных композиций являлись: нагрузка сваривания (Рс); диаметр пятна износа фн), критическая нагрузка (Рк). Параметры шероховатости сервовитной пленки определялись с помощью оптической профилометрии; ее микрогеометрия и структура на наноуровне — с помощью атомно-силовой микроскопии. Результаты исследования. Изучены трибологические свойства трибосопряжения латунь-сталь в водных средах и сталь-сталь в средах на основе вазелинового масла. Установлена зависимость фрикционных характеристик пары трения латунь-сталь от концентрации карбоновой кислоты. Обнаружена ее оптимальная концентрация, обеспечивающая реализацию эффекта безызносности. ^ Выявлено уменьшение шероховатости поверхности в

и результате фрикционного взаимодействия пары трения

С

О латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты по

^ сравнению с исходной поверхностью трения вследствие

'й формирования достаточно плотного слоя, образованного

мелкозернистыми кластерами меди с малым разбросом частиц по размеру. Обнаружена зависимость & триботехнических характеристик пары трения сталь-сталь Л

<U

>

* Работа выполнена в рамках инициативной НИР.

** E-mail: [email protected], [email protected]

366 *** The research is done within the frame of the independent R&D.

Introduction. The paper considers the evolution of friction coefficient of the pair of copper - steel alloy under friction in a hexanoic acid solution in various concentrations, and antiwear properties of the steel-steel friction pair in an oil-acidic medium. The work objective is to explore the effect of hexanoic acid additives on the tribological characteristics of friction pairs under the friction interaction in waterborne and paraffin-based formulations.

Materials and Methods. Tribological studies of a brass-steel friction pair were carried out on the AE-5 end-type friction machine. Antiwear characteristics were explored on a four-ball friction machine (FBW) in accordance with the standard GOST 9490-75. When tested at the FBW, the objective parameters of the lubricity of the oiling compositions were: welding load (Pc); wear spot diameter (Dh), critical load (Pk). Roughness parameters of the servovite film were determined through the optical profilometry; its microgeometry and structure at the nanoscale - through the atomic force microscopy.

Research Results. Tribological properties of the brass-steel tribocoupling in aqueous media and steel-steel one in petroleum paraffin-based media are studied. The dependence of the frictional characteristics of the brass-steel friction pair on the concentration of carboxylic acid is established. Its optimum concentration is specified, which provides the effect of wearlessness. A decrease in surface roughness is revealed as a result of the frictional interaction of a brass-steel friction pair in the hexanoic acid solution compared to the initial friction surface due to the formation of a sufficiently dense layer from fine-grained copper clusters with tight particle-size dispersion. The tribological characteristics of a steel-steel friction pair were found to depend on the composition of the

от состава смазочной среды. Показано, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %. Критическая нагрузка (Рк) при содержании 0,05 и 0,1 масс. % увеличивается на 32%, нагрузка сваривания (Рс) — на 27 %.

Обсуждение и заключения. В результате трибологических исследований пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено, что оптимальной молярной концентрацией кислоты в составе смазки является 0,1 моль/л. При фрикционном взаимодействии пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты на поверхностях трения формируется антифрикционная медная пленка, способствующая резкому снижению коэффициента трения до 0,007 и износа металлов пары трения до 25 раз. В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости по сравнению с исходной поверхностью трения. Обнаружено, что фрикционное взаимодействие пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды и формирующих сервовитную пленку. В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %. Показано, что добавление 0,1 масс. % капроновой кислоты в состав смазочной композиции обнаруживает наименьший износ трибопары сталь-сталь, диаметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, критическая нагрузка (Рк) и нагрузка сваривания (Рс) увеличиваются на 32% и 27 % соответственно.

lubricant. It is shown that the dependence of the size of the wear scar diameter (WSD) on the acid content in the base oil is nonmonotonic in nature with a pronounced minimum at a concentration of 0.1 mass. %. The critical load (P^ at a content of 0.05 and 0.1 mass. % increases by 32%, welding load (Pc) - by 27%.

Discussion and Conclusions. As a result of the tribological studies of a brass-steel friction pair in the hexanoic acid solution, it has been found that the optimum acid molar concentration in the lubricant composition is 0.1 mol/L. Under the frictional interaction of a brass-steel pair in the hexanoic acid solution, an antifriction copper film is formed on the friction surfaces, which contributes to a sharp decrease in the friction coefficient to 0.007 and metal wear of the friction pair to 25 times. As a result of the frictional interaction of a brass-steel friction pair in the hexanoic acid solution, a decrease in roughness is revealed compared to the initial friction surface. It is found that the frictional interaction of a brass-steel pair in the hexanoic acid solution causes a significant modification of the friction surface as a result of the deposition of finely dispersed copper clusters occurring in the lubricating medium composition and forming a servovite film. As a result of studies, it is found that the dependence of the WSD size on the acid content in the base oil is nonmonotonic in nature with a significant minimum at a concentration of 0.1 mass. %. It is shown that the addition of 0.1 mass. % of hexanoic acid into the lubricant composition exhibits the smallest wear of the steel-steel tribological pair, the WSD decreases to 0.497 mm, the critical load (PR) and the welding load (Pc) increase by 32% and 27%, respectively.

Ключевые слова: коэффициент трения, избирательный перенос, сервовитная пленка, пятно износа, нагрузка сваривания, критическая нагрузка.

Keywords: friction coefficient, selective transfer, servovite film, wear scar, welding load, critical load

Образец для цитирования: Дроган, Е. Г. Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты / Е. Г. Дроган, В. Э. Бурлакова // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2019. — Т. 19, №4. — С. 366-373. https://doi.org/ 10.23947/1992-5980-2019-19-4-366-373

For citation: E.G. Drogan, V.E. Burlakova. Tribocontact surface exploration after friction in hexanoic acid solution. Vestnik of DSTU, 2019, vol. 19, no. 4, pp. 366-373. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2019-19-4-366-373

Введение. Вопросы трения и износа лежат в основе трибологии — науки о взаимодействии сопряжённых поверхностей контактирующих тел, находящихся в относительном движении. В авиакосмической и машиностроительной промышленности снижение трения и износа является одной из наиболее важных задач [1-3]. В настоящее время особое внимание для снижения трения и износа уделяется смазочным материалам с антифрикционными присадками, в качестве которых используются металлы или оксиды металлов с размерами частиц в нанодиапозоне [4-7]. Было установлено, что среди металлов, используемых в качестве модификаторов или металлоплакирующей добавки, медь проявляет большую тенденцию к снижению трения и износа в результате формирования на стальной поверхности металлической пленки с низкой прочностью на сдвиг на трущихся поверхностях [4]. Такая пленка при трении предотвращает прямой контакт стальных поверхностей. Исследования трибосопряженных поверхностей после трения на наноуровне выявляют зависимость эволюции коэффициента трения и износа трибопары от морфологии и физико-механических характеристик антифрикционной пленки [8, 9].

<и S X

«

<и m о X

s 3

<и S X <и о а н о о X

s 3

Необходимо отметить, что смазки на масляной основе с нанодобавками демонстрируют улучшенные трибологические характеристики, однако их использование неизбежно приводит к загрязнению окружающей среды. Повторное их использование является невозможным.

В связи с этим, целью данного исследования являлось изучение влияния добавок капроновой кислоты на трибологические характеристики пар трения при фрикционном взаимодействии в составах на водной основе и на основе вазелинового масла.

Материалы и методы. Эволюцию коэффициента трения системы «латунь 59-водный раствор карбоновой кислоты-сталь 40Х» исследовали на торцевой машине трения типа АЕ-5 со скоростью вращения 180 об/мин при осевой нагрузке 98 Н в течение 10 часов в лаборатории «Гибридные функциональные материалы на основе графена» НОЦ «Материалы». В качестве органической компоненты смазочной композиции использовали капроновую кислоту с концентрацией 0,025-0,5 моль/л.

Исследование противоизносных характеристик проводилось на ЧШМ в соответствие со стандартом ГОСТ 9490-75. Пара трения на ЧШМ сталь-сталь представляла собой точечные контакты шаров. Шары для испытаний изготавливались из стали ШХ-15 по ГОСТ 801-78, термически обрабатывались до твердости HRC 62-66. Диаметр шара d = 12,7 мм. При испытаниях на ЧШМ объективными параметрами смазывающих свойств смазочных композиций являлись: нагрузка сваривания (Рс); диаметр пятна износа фи), критическая нагрузка (Рк). Испытания на ЧШМ проводились в двух режимах: испытания в течение 3600 секунд при постоянной нагрузке для определения величины износа испытуемых образцов путем измерения диаметров пятна износа каждого из трех шаров с использованием микроскопа ММУ-1 №660002; испытания в течение 10 секунд при повышенной нагрузке до сваривания шаров для определения значений Рк, Рс. Полученные числовые значения аппроксимированы методом наименьших квадратов. В качестве смазочной композиции (эмульсии) для испытаний на ЧШМ использовали вазелиновое масло с добавлением различной концентрации капроновой кислоты. Испытания проводились при концентрации кислоты в базовом вазелиновом масле 0,025-05 моль/л.

Для определения толщины сервовитной пленки, полученной на поверхности трибоконтакта в результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь, а также параметров ее шероховатости использовали оптический профилометр Contour GT-K1 с аналитическим программным обеспечением Vision 64, установленном в РЦКП НОЦ «Материалы» (nano.donstu.ru). Измерения проводились методом вертикальной сканирующей интерферометрии (VSI) со скоростью сканирования 0,1 мкм/сек, при повторяемости RMS 0,01 нм.

Изучение топографии поверхности сервовитной пленки осуществлялось методом атомно-силовой микроскопии. Сканирование поверхности пленки проводили с использованием атомно-силового микроскопа марки PHYWE Compact в полуконтактном режиме монокристаллическим кремниевым зондом с алюминиевым покрытием.

Результаты исследования. Проведенные длительные эволюционные трибологические исследования пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты обнаруживают зависимость трибологических характеристик от концентрации кислоты в смазочной среде. Анализ изменения коэффициента трения пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты с концентрациями 0,025 и 0,05 моль/л выявляет достаточно низкие до 0,07 значения [8, 9]. Дальнейшее увеличение концентрации кислоты в составе смазки до

з 0,2 и 0,5 моль/л, напротив, приводит к увеличению коэффициента трения (рис. 1).

д Как следует из полученных результатов, в период приработки трибопары наблюдается тенденция к

о

чз снижению коэффициента трения. Однако при введении высокой концентрации кислоты инициируются также и •д коррозионные процессы на поверхности контакта. Использование капроновой кислоты в смазочной

<3 композиции с концентрацией 0,1 моль/л позволяет достичь наименьших значений коэффициента трения до

J>

/ 0,007 при длительных трибологических испытаниях, образования сервовитной пленки и перехода системы в режим безызносного трения [10, 11]. Одновременно с этим снижается износ пары трения латунь-сталь до 25 раз, а на трибосопряженных поверхностях в результате избирательного переноса при трении формируется медная пленка с различной шероховатостью и плотностью покрытия поверхности.

а £ л

к 0,4

0 0,72 1,44 2,16 2,88 3,60 t, с (xlOJ)

Рис. 1. Эволюция коэффициента трения в системе«латунь-водный раствор капроновой кислоты-сталь» с концентрацией кислоты: 1 — 0,025 моль/л; 2 — 0,05 моль/л;

3 — 0,1 моль/л; 4 — 0,2 моль/л; 5 — 0,5 моль/л Сравнение параметров шероховатости образующейся антифрикционной медной пленки при сканировании поверхности методом оптической профилометрии обнаруживает существенные отличия от исходной топографии. В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости до Ra равное 69,4 нм (рис. 3), по сравнению с шероховатостью исходной поверхности трения Ra равно 118 нм (рис. 2).

Рис. 2. Результаты исследования стальной поверхности до трения методом оптической профилометрии: а — 2Б-визуализация, б — 3Б-визуализация, в — профиль поверхности. 1 — профиль шероховатости; 2 — профиль сканирования поверхности; 3 — профиль волнистости

■Jj/jl'lÎ MI А5 мм!

а)

h, мкм 0,5 0

-0,-5 <

0 0,5 1,0 1,5 /, мм

б)

в)

Рис. 3. Результаты исследования поверхности после трения методом оптической профилометрии: а — 2Б-визуализация; б — 3Б-визуализация; в — профиль поверхности. 1 — профиль шероховатости; 2 — профиль сканирования поверхности; 3 — профиль волнистости

Поверхность после трения представляет собой расположенные параллельно направлению скольжения наноканавки, что характерно при образовании меньшего количества и размера частиц продуктов износа в смазке [12]. Такое состояние фрикционной системы приводит к существенному уменьшению коэффициента

<и S X

«

<и m о X

s 3

<и S X <и о а н о о X

s 3

трения. Известно [13-15], что наноразмерные неровности, как правило, оказывают меньшее влияние на износостойкость поверхности, чем их микронные аналоги из-за их почти бездефектной структуры. Кроме того, наличие наноразмерных неровностей способствует уменьшению площади контакта и увеличивает гидрофобность поверхности [16], что приводит к уменьшению сил сцепления при трении в водных растворах. В связи с этим наноструктурные пленки имеют огромный потенциал в процессах обеспечения снижения коэффициента трения и защиты поверхностей от износа.

Дальнейшее приближение к поверхности трения при анализе результатов атомно-силовой микроскопии показывает, что фрикционное взаимодействие пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды [17] и формирующих сервовитную пленку (рис. 4).

с о чЗ

'й -м

ХЛ

£ л

a)

б)

Рис. 4. Результаты атомно-силовой микроскопии поверхности образца: а — до трения; б — после трения пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты

В результате визуализации обнаруживается, что стальная поверхность после фрикционного взаимодействия в водном растворе капроновой кислоты выглаживается, покрывается мелкозернистыми кластерами меди [18, 19] вследствие их адсорбции из состава рабочей среды на контртело (рис. 4). При этом слой, сформированный на поверхности, достаточно плотный, с малым разбросом частиц по размеру.

Для изучения влияния капроновой кислоты на противоизносные свойства смазочного материала интересно было рассмотреть пару трения сталь-сталь. Для этого использовали вазелиновое масло, в состав которого вводили от 0,025 до 0,5 масс. % капроновой кислоты в виде добавки. Результаты испытаний указывают на изменение трибологических параметров модифицированного масла. В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа (Эи) от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. % (рис. 5). Добавление капроновой кислоты в состав смазочной композиции в качестве модифицирующей добавки обнаруживает наименьший износ трибопары при концентрации кислоты 0,1 масс. %. Диаметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, в то время как диаметр пятна износа при трении пары сталь-сталь в чистом вазелиновом масле составляет 0,664 мм. При концентрации 0,025 масс. % и 0,5 масс. % отмечается ухудшение трибологических характеристик пары трения. При трении в базовом масле с добавлением капроновой кислоты с концентрацией 0,05 масс. % и 0,2 масс. % наблюдается лишь незначительное уменьшение диаметра пятна износа.

Dn, мм 0.8 0,7

0.6 0,5

0,4 0,3

0,2 0,1

0

1

Рис. 5. Зависимость диаметра пятна износа (Би) от концентрации капроновой кислоты в составе вазелинового масла: 1 — 0,025 масс. %, 2 — 0,05 масс. %, 3 — 0,1 масс. %, 3 — 0,2 масс. %, 5 — 0,5 масс. %,

6 — чистое вазелиновое масло

Исследование прочности модифицированной масляной пленки по нагрузочной способности смазочной композиции в сравнении с базовым маслом выявило изменение предельной несущей способности смазочного материала. При трении в вазелиновом масле с добавлением капроновой кислоты с концентрацией 0,025 масс. % наблюдается незначительное увеличение критической нагрузки в сравнении с чистым базовым маслом (рис. 6).

Рис. 6. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла, модифицированного капроновой кислотой разной концентрации (С): 1 — чистое вазелиновое масло (ВМ); 2 — ВМ + 0,025 масс. %; 3 — ВМ + 0,05 масс. %; 4 — ВМ + 0,1 масс. %;

5 — ВМ + 0,2 масс. %; 6 — ВМ + 0,5 масс. %

При достижении критической нагрузки трущиеся поверхности пары сталь-сталь значительно нагреваются, адсорбционная пленка, образующаяся в базовом масле, разрушается, трение усиливается, а поверхности металла свариваются в точках их соприкосновения (рис. 6). Капроновая кислота, введенная в базовое масло, реагирует со стальной поверхностью трения, образуя на выступах контактирующих поверхностей более стойкую хемосорбционную пленку, предохраняющую поверхности от износа и уменьшающую трение в условиях высокой температуры и давления, благодаря чему трущиеся поверхности выравниваются, износ снижается.

Наилучший результат при трении пары сталь-сталь наблюдается в вазелиновом масле, модифицированном капроновой кислотой с концентрациями 0,05 и 0,1 масс. %, критическая нагрузка (Рк) при этом увеличивается на 32%, нагрузка сваривания (Рс) увеличивается на 27 % (рис. 5). Дальнейшее увеличение концентрации капроновой кислоты до 0,2 масс. % и 0,5 масс. % в составе смазочной композиции уже отрицательно сказывается на ее несущей и предельной нагрузочной способности.

Обсуждение и заключения. Полученные в работе результаты позволяют сформировать следующие

выводы:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• В результате трибологических исследований пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено, что оптимальной молярной концентрацией кислоты в составе смазки является 0,1 моль/л.

• При фрикционном взаимодействии пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты на поверхностях трения формируется антифрикционная медная пленка, способствующая резкому снижению коэффициента трения до 0,007 и износа металлов пары трения до 25 раз.

• В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости, по сравнению с исходной поверхностью трения.

• Обнаружено, что фрикционное взаимодействие пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды, и формирующих сервовитную пленку.

• В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %.

• Показано, что добавление 0,1 масс. % капроновой кислоты в состав смазочной композиции обнаруживает наименьший износ трибопары сталь-сталь, диметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, критическая нагрузка (Рк) и нагрузка сваривания (Рс) увеличиваются на 32% и 27 % соответственно.

<и S X

«

<и m о X

s 3

<и S X <и о а н о о X

s 3

Библиографический список

1. Ludema, K. C. Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology / K. C. Ludema, L. Ajayi. — CRC press. — 2018. — 82 p.

2. Hutchings, I. Tribology: friction and wear of engineering materials / I. Hutchings, P. Shipway. — Butterworth Heinemann. — 2017. — 389 p.

3. Kato, K. Wear in relation to friction-a review / K. Kato // Wear. — 2000. — Vol. 241, no. 2. — P. 151— 157. DOI : 10.1016/S0043-1648(00)00382-3

4. Liu, G. Investigation of the mending effect and mechanism of copper nano-particles on a tribologically stressed surface / G. Liu [et al.] // Tribology Letters. — 2004. — Vol. 17. — P. 961—966. DOI: 10.1007/s11249-004-8109-6

5. A. Hernández Battez. CuO, ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiwear additive in oil lubricant / A. Hernández Battez [et al.] // Wear. — 2008. — Vol. 265. — P. 422—428. DOI : 10.1016/j.wear.2007.11.013

6. Uflyand, I. E. Metal chelate monomers based on nickel (II) cinnamate and chelating N-heterocycles as precursors of nanostructured materials / I. E. Uflyand [et al.] // Journal of Coordination Chemistry. — 2019. — Vol. 72, no. 5—7. — P. 796—813. DOI : 10.1080/00958972.2019.1587414

7. Peng T. The influence of Cu/Fe ratio on the tribological behavior of brake friction materials / T. Peng [et al.] // Tribology Letters. — 2018. —Vol. 66, no. 1. — P. 18. DOI : 10.1007/s11249-017-0961-2

8. Механические свойства сервовитных пленок, формирующихся при трении в водных растворах карбоновых кислот / В. Э. Бурлакова [и др.] // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2018. — Т. 18, №. 3. — С. 280—288. DOI : 10.23947/1992-5980-2018-18-3-280-288

9. Menezes, P. L. Role of surface texture, roughness, and hardness on friction during unidirectional sliding / P. L. Menezes [et al.] // Tribology letters. — 2011. — Vol. 41(1). — P. 1—15. DOI : 10.1007/s11249-010-9676-3

10. Бурлакова, В. Э. Трибологические возможности пары трения латунь-сталь в водных растворах органических кислот / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган, Д. Ю. Геращенко // Трибология-машиностроению: сб. трудов XII междунар. науч.-техн. конф. — Ижевск, 2018. — С. 92—95.

11. Бурлакова, В. Э. Влияние концентрации органической кислоты в составе смазки на трибологические характеристики пары трения / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2019. — Т. 19, №. 1. — С. 24—30. DOI : 10.23947/1992-5980-2019-19-1-24-30

12. Gerberich, W. W. Superhard silicon nanospheres / W. W. Gerberich [et al.] // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. — 2003. — Vol. 51, no. 6. — P. 979-992. DOI : 10.1016/S0022-5096(03)00018-8

13. Saurín, N. Study of the effect of tribomaterials and surface finish on the lubricant performance of new halogen-free room temperature ionic liquids / N. Saurín [et al.] // Applied Surface Science. —2016. — Vol. 366. — P. 464-474. DOI : 10.1016/j.apsusc.2016.01.127

14. Jansons, E. The Impact of Ice Texture on Coefficient of Friction for Stainless Steel with Different Surface Roughness. Key Engineering Materials / E. Jansons, K. A. Gross // Trans Tech Publications. —2019. —Vol. 800. — P. 308-312 DOI : 10.4028/www.scientific.net/KEM.800.308

15. Qin, W. Effects of surface roughness on local friction and temperature distributions in a steel-on-steel fretting contact / W. Qin [et al.] // Tribology International. — 2018. — Vol. 120. — P. 350—357. DOI : 10.1016/j.triboint.2018.01.016

16. Choi, C. H. Nanoturf surfaces for reduction of liquid flow drag in microchannel / C. H. Choi, J. Kim, C.J. Kim // ASME 3rd Integrated Nanosystems Conference. American Society of Mechanical Engineers. — 2004. — P. 47— 48. DOI : 10.1115/NANO2004-46078

g 17. Burlakova, V. E. Nanotribology of Aqueous Solutions of Monobasic Carboxylic Acids in a Copper

3 Alloy-Steel Tribological Assembly / V. E. Burlakova [et al.] // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron | and Neutron Techniques. — 2018. — Vol. 12, no. 6. — P. 1108—1116. DOI : 10.1134/S1027451018050427 -§ 18. Влияние состава смазочной среды на структуру поверхностных слоев формирующейся при трении

г;^ сервовитной пленки / В. Э. Бурлакова [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные ■й исследования. — 2019. — №. 4. — С. 91—99. DOI : 10.1134/S0207352819040061

.> 19. Wolff, C. A. newly developed test method for characterization of frictional conditions in metal forming /

^ C. Wolff, O. Pawelski, W. Rasp // Proceedings of the Eighth International Conference on Metal Forming. — Krakow. Л — 2000. — P. 91—97.

Сдана в редакцию 30.09.2019 Принята к публикации 02.12.2019

Об авторах:

Бурлакова Виктория Эдуардовна,

заведующая кафедрой «Химия» Донского государственного технического университета, (РФ, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), доктор технических наук, профессор, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3779-7079 vburlakova@donstu. га

Дроган Екатерина Геннадьевна,

старший преподаватель кафедры «Химия» Донского государственного технического университета, (РФ, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), ORCID: http://orcid.org/0000-0002-4002-2082 ekaterina. dro gan@ gmail. com

<u S X

(U «

(U m о X

s 3

ей

<U

S X <u О

a

H о о X

s 3

ей

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.