Исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства полимерного композиционного материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УД< 534-16:620.22 Д. А. НЕГРОВ

Е. Н. ЕРЁМИН

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изучено влияние параметров ультразвукового прессования на структуру, механические и триботехнические свойства полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена.

Ключевые слова: композиционный материал, ультразвуковые колебания, структура, модифицирование.

Срок эксплуатации современных машин и механизмов во многом зависит от механических и трибо-технических свойств материалов узлов трения. В настоящее время детали узлов трения, изготовленные из различных металлов и сплавов, постепенно заменяются полимерами и полимерными композиционными материалами, в частности на основе политетрафторэтилена [1].

Механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена (ПТФЭ) позволяют применять его в узлах трения без смазки. В то же время низкая износостойкость политетрафторэтилена требует

разработки новых способов и методов повышения механических и триботехнических свойств, для работы при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения.

Наиболее распространенным методом, повышения механических и триботехнических свойств политетрафторэтилена, является введение в полимерную матрицу наполнителей — модификаторов различного типа: дисперсных, волокнистых, ультрадисперсных [2].

Модификацию выпускаемых промышленностью полимеров можно также осуществлять и физическими методами, как на стадии их получения, так и в процессе

Рис. 1. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего 6 % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мов2 и Изготовленного ультразвуковым прессованием

Рис. 2. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего 6 % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мо52, изготовленного холодным прессованием

Время прессования, с

-•- с ультразвуком -•- без ультразвука Рис. 4. Зависимость предела прочности от времени прессования

Рис. 3. Микрофотография скола образца политетрафторэтилена, содержащего 6 % УВ, 8 % СКГ, 2 % Мов2 изготовленного холодным прессованием

переработки полимера в готовое изделие [3]. Физические метолы модификации могут быть применены практически для всех полимеров и полимерных композиционных материалов на их основе, так как они вызывают в них химические и структурные изменения. Физические методы модификации можно условно разделить на ряд видов:

— термическое воздействие (низкотемпературная или термохимическая обработка);

— облучение (радиационное, радиационно-тер-мическое, ТВЧ, лазерное, ИК и УФ излучение);

— вакуумно-компрессорная обработка (давление, вакуум, взрывное нагружение);

— воздействие электромагнитных полей (электротермическая или электрическая обработка, воздействие магнитных полей);

— периодическое деформирование (вибрационная или ультразвуковая обработка).

Применение энергии ультразвуковых колебаний при прессовании порошкообразных или гранулированных полимеров и полимерных композиций, находящихся в твердом состоянии или претерпевающих переход в высокоэластическое или вязкотекучее состояние, наблюдается уплотнение материала, сопровождающееся удалением газовой фазы. Указанный эффект обусловлен тем, что при воздействии вибрационных импульсов отдельным частицам материала сообщаются индивидуальные скорости и ускорения, в результате чего разрушаются арочные образования и происходит равномерная укладка частиц порошка.

Если в процессе ультразвукового прессовани порошковый полимер переходит в вязкотекучее сос-

тояние, то периодические импульсы вызовут в текучей фазе беспорядочную вибрацию отдельных молекул, сопровождаемую их скручиванием и взаимным переплетением, в результате чего происходит интенсивная дегазация, перемешивание и сплавление отдельных частиц в однородную, без пористую массу, обладающую высокой структурной монолитностью и прочностью [4].

Стационарное давление, производимое на прессуемую массу, будет способствовать концентрации звуковой энергии и более эффективному ее использованию. Наилучших, с точки зрения эффективности и энергоемкости, результатов можно добиться при ведении процесса ультразвукового прессования в резонансном режиме, сопровождаемым образованием в формующей полости стоячих волн.

Целью данной работы является исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру, механические и триботехнические свойства полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена.

Объектом исследования являлся композиционный материал на основе политетрафторэтилена с комплексным наполнителем-модификатором: 8% — скрытокристаллический графит, 6% — углеродное волокно, 2% — М032. Для исследования образцы изготавливались холодным прессованием (т.е. без наложения ультразвуковых колебаний), и прессованием с наложением ультразвуковых колебаний. Методика исследования включала два этапа. На первом этапе исследовалась тонкая структура изделий из полимерного композиционного материала. На втором этапе методикой предусматривалось исследование влияния режимов ультразвукового прессования на механические свойства (предел прочности, модуль упругости)

60 80 Время прессования, с

-*— с ультразвуком — без ультразвука Рис. 5. Зависимость модуля упругости от времени прессования

30 -I

_- 25

20

Я 15

10

23

7 11 16 19

Амплитуда колебаний, мкм

Рис. 6. Зависимость предела прочности полимерного композиционного материала от амплитуды колебания волновода-пуансона

Рис.

Температура. *с -♦-с ультразвуком -»—без ультразвука 7. Зависимость предела прочности от температуры

и триботехнические характеристики (скорость изнашивания, коэффициент и момент трения) исследуемого композиционного материала.

Для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом ультразвукового прессования, была разработана и изготовлена специальная установка на базе гидравлического пресса МТ — 50 (рис. 1). В качестве источника ультразвуковых колебаний был взят магнитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18 (резонансная частота колебаний 17,8 кГц), с ультразвуковым генератором УЗГ 3 — 4, имеющим входную мощность 5 кВт и работающим в частотном диапазоне от 17,5 до 23 кГц.

Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

Для изучения тонкой структуры в данной работе были использованы микороскомы РЭМ-100У (разрешение 10 нм) и JEM — 6460 LV (разрешение 3 нм), при этом для создания на поверхности скола электропроводящего покрытия применялось напыление серебра (для РЭМ-100У) или золота (для JEM - 6460LV) в условиях высокого вакуума.

Введение наполнителя приводит к измельчению исходной структуры, что характерно для образцов, изготовленных по обеим технологиям. Данное воздействие можно определить как геометрическое модифицирующее воздействие на матрицу: исходная ленточная структура ПТФЭ разбивается частицами наполнителя, внедряющимися в матрицу (рис. 1,2).

В образцах изготовленных ультразвуковым прессованием обнаруженные структурные элементы в наполненном ПТФЭ могут быть идентифицированы как сильно дефектные сферолиты неправильной формы [5]. Образование сферолитов обнаружено вблизи частиц разных размеров, но наиболее сильное — вблизи крупнодисперсного наполнителя (рис. 1,2). При этом центрами кристаллизации выступают участки поверхности частиц наполнителя и углеродного волокна [6].

В результате проведенных исследований метод электронно-микроскопического анализа скола об-

разцов, изготовленных холодным прессованием, показал, что на поверхности скола наблюдаются явно выраженные раковины и пустоты. Концентрация пустот выше около углеродного волокна, то есть при обычном способе прессования полимерная матрица плохо облегает углеродное волокно и в дальнейшем это сказывается на механических свойствах материала (рис. 3).

На поверхности скола образцов, изготовленных ультразвуковым прессованием, не наблюдается пустот и раковин. Углеродное волокно находится внутри полимерной матрицы, полимерный композиционный материал более равномерно пропрессован и разлом происходит по полимерной матрице.

В результате проведенных механических испытаний установлено, что оптимальное время прессования составляет 90 секунд (рис. 4, 5). При этом у образцов изготовленных методом ультразвукового прессования придел прочности выше на 15%, а модуль упругости на 23%, по сравнению с образцами, изготовленными по технологии без применения ультразвука. Дальнейшее увеличение времени прессования не приводит к изменению предела прочности и модуля упругости.

Влияние амплитуды колебаний волновода-пуан-сона на предел прочности композиционного материала носит ярко выраженный экстремальный характер с максимумом 14 мкм (рис. 6). При этом усилие прессования составляло 65 МПа, при времени прессования 90 секунд.

Механические испытания при повышенных температурах показали, что у образцов изготовленных ультразвуковым прессованием предел прочности практически не изменяется до 80 °С, а от 80 °С до 120 °С изменяется на 15% (рис. 7). Предел прочности образцов, изготовленных без ультразвука, с повышением температуры монотонно уменьшается и при 120 °С изменяется на 30 %.

На основании выше изложенных результатов исследований установлены рациональные параметры прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона 14 мкм, усилие прессования 65 МПа, время прессования 90 секунд), при которых были изготовлены образцы для триботехнических испытаний. Испытания образцов проводили на специальном стенде МДС — 2 [4], скорость скольжения составляла У=0,75 м/с, при давлении Р = 2 МПа без смазки.

На основании проведенных исследований установлено, что прессование изделий из полимерных композиционных материалов с применением ультразвуковых колебаний является активным технологическим приемом, повышающим эффективность модификации структуры матрицы и оказывающим существенное влияние на процессы структурообразования

в ней. Применение ультразвукового прессования позволяет повысить предел прочности на 15%, модуль упругости — на 23%, при этом скорость изнашивания снижается на 23%, а коэффициент трения — на 15%.

Библиографический список

1. Ерёмин, Е. Н. Совершенствование технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Е. Н. Ерёмин, Д. А. Негров // Технология машиностроения. — 2010. — № 1. — С. 30 — 32.

2. Негров, Д. А Влияние параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства структурно-модифицированного политетрафторэтилена / Д. А. Негров, Е. Н. Ерёмин // Омский научный вестник. — 2009. — №2(80). — С. 58-60.

3. Петрова, П. Н. Разработка полимерных композитов на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью для узловсухого трения / П. Н. Петрова, А. Л. Федоров // Вестник машиностроения. — 2010. — №9. — С. 50 —53.

4. Шаталова, И. Г. Физико-химические основы вибрационного уплотнения порошковых материалов / И. Г. Шаталова, П. С. Горбунов, В. И. Лихтман. - М.: Наука, 1966. - 98 с.

5. Schltgel Н. Plaste u. Kautschuk, 1976, Bd. 23, № 5, S. 362.

6. Михайлин, Ю. А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы / Ю. А Михайлин. — СПб.: Профессия, 2006. — 624 с.

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов». ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор и заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», декан машиностроительного института. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 09.03.2011 г. © Д. А. Негров, Е. Н. Ерёмин

УДК 66» «1.91.02 В. С. КУШНЕР

А. Н. ЖАВНЕРОВ А. В. УДОДОВА

Омский государственный технический университет

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Проанализированы основные направления совершенствования твердых сплавов. Показано, что уменьшение размеров карбидных зерен эффективно для повышения работоспособности инструмента при обработке никелевых сплавов и неэффективно для титановых сплавов. Выявлены особенности распределения температур и удельных касательных сил при обработке резанием жаропрочных титановых и никелевых сплавов. Даны рекомендации по назначению предварительного притупления и критериев износа по задней поверхности.

Ключевые слова: твердые сплавы, жаропрочные сплавы, геометрия режущего инструмента.

Задачи повышения режущих свойств инструмента, определения рациональных геометрических параметров, формы режущего инструмента, режимов резания относятся к числу наиболее актуальных в области авиа-двигателестроения.

Известно, что идеальный режущий материал для повышения износостойкости должен обладать высокой твердостью, а для уменьшения пластических деформаций и повышения формоустойчивости режущего лезвия — высокими прочностными характеристиками. Эти характеристики должны сохраняться при высоких температурах и контактных нагрузках [1]. Условия термомеханического нагружения режущего лезвия зависят от свойств обрабатываемого материала, формы режущего инструмента и режимов резания. Одним их основных направлений повышения эффективности обработки жаропрочных сплавов резанием было и остается совершенствование инструментальных материалов. Однако, наряду с этим,

большую роль играют правильный выбор формы, геометрических параметров режущего лезвия и режимов резания.

В настоящей статье проблема повышения работоспособности режущих инструментов рассматривается не только с позиций совершенствования инструментального материала, но и с учетом особенностей обработки никелевых и титановых сплавов.

Увеличение прочности обычно достигается повышением содержания связки (кобальта) (рис. 1). Однако с увеличением массового содержания в твердом сплаве кобальта, хотя и увеличивается прочность на изгиб, но уменьшается твердость сплава [2].

Компенсация уменьшения твердости при повышении массового содержания связки может быть достигнута уменьшением размеров карбидных зерен ШС [2] (рис.2).

Благодаря технологиям уменьшения размеров карбидных зерен, в 70-е годы прошлого века были