CC BY
8УДК: 621.8.099.6, 532.135
В. В. Новиков, М. С. Маршалов, Г. А. Ананьева*, В. В. Быкова*, Н. В. Усольцева*
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИСАДКИ ХОЛЕСТЕРИЧЕСКОГО ТИПА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА СВОЙСТВА РЕЖУЩИХ МАСЕЛ INVESTIGATION OF INFLUENCE OF CHOLESTERIC ADDITIVES AND CARBON NANOTUBES ON PROPERTIES OF CUTTING OILS
Ивановский государственный университет, кафедра теоретической физики * Ивановский государственный университет, НИИ Наноматериалов 153025 Иваново, ул. Ермака, д. 39. E-mail: [email protected]
Исследовано влияние присадки холестерического типа или углеродных нанотрубок на свойства смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при сверлении. Применение присадки Х-15 в оптимальной концентрации позволяет значимо улучшить их смазочные свойств. Эффект влияния малых концентраций присадок углеродных нанотрубок к СОТС на их смазочную способность не обнаружен.
Ключевые слова: жидкие кристаллы, присадки, режущие масла, сверление.
The influence of cholesteric additives or carbon nanotubes on the properties of lubricants under drilling is studied. The use of the X-15 additive at optimal concentration significantly improves lubricating properties. The effect of low concentrations of carbon nanotube additives on the lubrication ability was not found.
Key word: liquid crystals, additives, cutting oils, drilling.
Известно, что жидкокристаллические соединения холестерола (ЖКСХ) являются эффективными присадками к смазочным маслам за счет своей способности структурироваться в зонах трения твердых тел, образуя несущие слои, разделяющие поверхности трения [1, 2]. Углеродные нанотрубки (УНТ) такой способность структурироваться не обладают, однако имеют высокие прочностные свойства. Целью исследований являлось сравнение свойств присадок ЖКСХ и УНТ в составе смазочных композиций на базе стандартных масел при сверлении.
Эксперимент
В качестве базового масла, в котором растворялись исследуемые присадки было использовано индустриальное масло И-20А, которое является основой производства всех режущих масел. Также для сравнения было взято индустриальное масло И-40 и готовые режущие масла СП-4 (ТУ 0258-100-05744685-96), ГСВ-1 (ТУ 0258-19905744685-2003), которые широко применяются на производстве. СП-4 используется для материалов нормальной обрабатываемости на следующих операциях: обработка на одно- и многошпиндельных токарных автоматах, фрезерование конструкционных углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов. ГСВ-1 предназначено
© Новиков В. В., Маршалов М. С., Ананьева Г. А., Быкова В. В., Усольцева Н. В., 2012
для использования в качестве смазочно-охлаждающего технологического средства при резании конструкционных легированных и коррозионно-стойких сталей на операциях глубокого сверления, протягивания, резьбонарезания.
В качестве ЖКСХ-присадки был использован холестериловый эфир миристи-новой кислоты Х-15 (C41H72O2) (1). Базовое масло И-20А модифицировалось за счет растворения этой присадки. Исследовались составы с процентным содержанием присадки 0,5; 1; 2 и 3 мас. %. Также для исследования было изготовлено два композита с углеродными нанотрубками (УНТ) в масле И-20А с содержанием 0,03 мас. % и 0,1 мас. %.
Фазовое состояние образцов исследовали при помощи поляризационного микроскопа «Leitz Laborlux 12 Pol», оснащенного нагревательным столиком «Mettler FP 82» и микрофотонасадкой «Wild MPS 51» 24x36 мм2.
Для исследования эффективности смазочной способности СОТС нами был разработан и сконструирован специальный автоматизированный трибометрический стенд с гравитационной подачей инструмента на базе вертикального сверлильного станка JET JPD-10L, модифицированного однофазным инвертором Omron МХ2.
Сравнительные испытания смазочной способности СОТС при сверлении проходили при скоростях резания и = 21,9 м/мин (1040 об/мин), и осевой нагрузке Р = 270 Н. Используемый инструмент - сверла 0 6,7 мм из быстрорежущей стали Р6М5. Подача СОТС осуществлялась капельным методом с расходом 1 мл/мин. Обрабатываемый материал - сталь 3 в виде полос 510x12x6 мм. Каждый опыт проводился не менее пяти раз, производилась статистическая обработка результатов. Погрешность измерений среднего значения момента резания не превышала 5 %.
Образцы для исследований закреплялись в держателе на столике динамометра, который позволял определять крутящий момент, возникающий при сверлении. Сигнал с датчиков динамометра поступал через АЦП на ПК и обрабатывался программой PowerGraph 3.0. В качестве показателя процесса сверления, определяющего эффективность СОТС, был средний крутящий момент, возникающий при резании М.
Результаты и обсуждение
Методом оптической поляризационной микроскопии получены данные по мезоморфным свойствам соединения 1. Установлено, что при нагревании данное соединение обладает термотропным мезоморфизмом в температурном интервале 71, 9 °С -82,1 °С (рис. 1).
Рис. 1. Микрофотографии текстур соединения 1 при нагреве: a - веерная текстура, Т = 71,9 °С; б - текстура миелиновых фигур, Т = 77,4 °С
При охлаждении мезофаза существует в интервале температур 80, 0 °С - 42,5 °С (рис. 2). При 42,5 °С вещество кристаллизуется.
в г
Рис. 2. Микрофотографии текстур соединения 1 при охлаждении: a - голубая фаза, Т = 80,0 °С; б - веерообразная текстура с элементами маслянистых бороздок, Т = 77,2 °С; в - веерообразная текстура, Т = 70,9 °С; г - Сг, Т = 42,5 °С
Результаты исследований на сверление экспериментальных СОТС различных составов приведены рис. 3 и в таблице.
Рис. 3. Относительная эффективность исследуемых СОТС при сверлении
Как видно из представленных результатов, введение присадки Х-15 положительно влияет на смазочную способность базовой СОТС, причем зависимость носит экстремальный характер. Максимальное снижение момента резания (до 25 % по сравнению с резанием без СОТС) соответствует концентрации присадки 2 мас. % (состав № 8).
Влияние концентрации присадок в базовых маслах на крутящий момент
при сверлении стали 3
№ соста- ва Вид СОТС Концентрация присадки ЖКСХ, мас. % Момент резания, М, Нм Относительная эффективность COTC, M/Mo
1 Без СОТС - 1,021 1
Базовые СОТС
2 ffi0A 0 0,925 1,10
3 И40 0 0,918 1,11
4 СП-4 0 0,893 1,14
5 ГСВ-1 0 0,73 1,40
СОТС на основе индустриального масла 1-20 с присадками ЖKCХ
б ffi0A+X-15 0,5 0,897 1,14
7 ffi0A+X-15 1 0,886 1,15
8 ffi0A+X-15 2 0,819 1,25
9 ffi0A+X-15 3 0,907 1,13
СОТС на основе индустриального масла И-20 с присадками углеродных нанотрубок
10 ffi0A + УНТ 0,03 0,939 1,09
11 ffi0A + УНТ 0,1 0,898 1,14
Установлено, что введение УНТ в СОТС в малых концентрациях не оказывает существенного влияния на изменение крутящего момента при сверлении. Результат снижения момента для чистого базового масла И-20А составляет 10 %, а для масла с УНТ (состав № 11), — 14 %, т. е. разница значений при погрешности эксперимента в 5 % не является значимой. Тем не менее, возможно при более высоком содержании УНТ в смазке эффект их положительного влияния будет более выражен.
Итак, применение в составе СОТС присадки Х-15 в оптимальной концентрации позволяет значимо улучшить их смазочные свойства. Эффект от использования малых концентраций присадок УНТ к СОТС не обнаружен.
Список использованной литературы
1. Ермаков С. Ф., Родненков В. Г., Белоенко Е. Д., Купчинов Б. И. Жидкие кристаллы в технике и медицине. Мн. : ООО «Асар»; М. : ООО «ЧеРо», 2002. 412 с.
2. Колбашов М. А., Латышев В. Н., Новиков В. В., Сырбу С. А. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2009. Вып. 1. С. 78 - 84.
Поступила в редакцию 16.09.2011 г.
