CC BY
53
SIMULATOR FOR THE TRAINING OF THE SERVICE BRAKING
A. V. Belyakova
The paper proposes an idea of using a simulator for exercising car progressive service braking. Information model of such a simulator is substantiated. Model adequacy is validated. Experimental check of simulator serviceability is presented in the article. Results of the experiments aimed at developing skills of smooth service breaking by means of the simulator are shown. Analysis
of the results obtained with a group under test revealed the learning curve presence.
Белякова Александра Владимировна - старший преподаватель кафедры "Автомобили и тракторы» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии СибАДИ. Основное направление научных исследований: вопросы обучения водителей с использованием тренажеров, исследование процесса служебного торможения автомобиля. Общее количество публикаций - 8.alek-
belyakova@yandex. ru.
УДК 678.019.3:621.793.184:620.3
НАНОСТРУКТУРНЫЕ ТОПОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ
П. Б. Гринберг, К. Н. Полещенко, Д. Н. Коротаев, Е. П. Целых
Аннотация. Рассмотрены вопросы влияния методов объемного и поверхностного модифицирования на эксплуатационные свойства резинотехнических изделий. Приведены результаты разработок нового класса покрытий - наноструктурных топокомпозит-ных покрытий применительно к повышению ресурса трибосопряжений. Показано, что нанесение топокомпозитных покрытий в наноразмерном диапазоне обеспечивает повышение комплекса эксплуатационных свойств резинотехнических изделий, не снижая их главной характеристики - эластичности.
Ключевые слова: объемное и поверхностное модифицирование, резинотехнические изделия, наноструктурные покрытия.
Введение
Резинотехнические изделия (РТИ) получили широкое применение практически во всех отраслях промышленности [1]. Ведущими отраслями, в которых РТИ наиболее востребованы, являются автомобилестроение, машиностроение, сельское хозяйство и др. Вместе с тем, требования к обеспечению повышенных эксплуатационных свойств резинотехнических изделий неуклонно возрастают. В связи с этим, в настоящее время возрастает потребность в разработке инновационных технологий, обеспечивающих повышение комплекса характеристик РТИ как для использования их в более широком диапазоне рабочих режимов, так и для применения в изделиях и агрегатах техники нового поколения.
Анализ технологических решений повышения ресурса РТИ. Эластомеры, к которым относится и резины, имеют структуру не характерную для неорганических веществ. Резины представляют собой термоактивный, пространственно сшитый сетчатый полимер с поперечными химическими связями между макромоле-
кулями каучука и введенными в невулканизиро-ванную смесь ингридиентами: наполнителями, вулканизирующими агентами и др. При этом лишь небольшая часть звеньев макромолекул оказывается «сшитой» между собой [2, 3].
Большинство марок резин характеризуются высокими коэффициентами трения, способностью к залипанию, недостаточной износостойкостью в узлах трения и герметизации [4]. Задача повышения износостойкости решается путем введения антифрикционных добавок в состав резиновой смеси (объемное или рецептурное модифицирование), либо путем модифицирования поверхности изделия. Объемное модифицирование требует изменения рецептуры резин, существенной корректировки технологии их производства.
Повышение прочности и износостойкости резинотехнических изделий (РТИ) к настоящему времени при объемном модифицировании достигается за счет всевозможных добавок в «сырую» резину перед вулканизацией [5-7].
Однако эти добавки приводят к незначительным эффектам, поскольку основные резервы повышения свойств РТИ, достигаемые путем реализации традиционных подходов, уже исчерпаны. Традиционные методы модифицирования эластомеров, ввиду воздействия на отдельные ингредиенты РТИ, входящие в рецептуры резин, при получении определенных характеристик имеют и ряд отрицательных явлений морфологического и физико-механического характера. Методы объемного модифицирования эластомеров позволяют получать резины, работающие в среднеагрессивных средах в диапазонах температур по верхнему пределу до 350°С, но при этом резко снижается эластичность, прочность, повышается склонность к схватыванию с рабочими поверхностями прессформ. Наиболее значимыми для решения указанных проблем становятся нанотехнологии объемной модификации резин [8, 9]. В качестве модификаторов вводят различные нанокомпозиции на основе полимеров, металлов, керамик. Однако данное направление находится на стадии лабораторных исследований и сдерживается дороговизной получения наномодификаторов.
Преимуществом поверхностного модифицирования является возможность обрабатывать уже готовые РТИ без изменения технологии их производства. Такой подход позволяет получать качественно иные материалы на основе известных эластомеров с улучшенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
При известном поверхностном плазмохимическом модифицировании [10] инициированные химические превращения на поверхности резины приводят к морфологическим изменениям материала. Микроскопические исследования структуры модифицированных резин на разных стадиях их модифицирования показали, что рельеф плазмообработанного резинотехнического изделия формируется в результате специфического действия разряда на различные ингредиенты, входящие в рецептуры резин. В связи с тем, что плазмо-модифицирование поверхности достаточно длительно, воздействие на отдельные ингредиенты носит отрицательный характер, а в процессе трения под воздействием нагрузки может привести к созданию каверн, вырывам и «скатыванию» поверхностного слоя.
Ионно-плазменное модифицирование
РТИ. Формирование на рабочих поверхностях
резинотехнических изделий наноструктурных покрытий может рассматриваться в качестве эффективного решения проблем повышения их эксплуатационных свойств. Однако, если нанесение нанострутурных покрытий на металлические и композиционные материалы положительно зарекомендовало себя, то возможность нанесения наноструктурных покрытий на эластомеры, в частности, на резинотехнические изделия, появилась лишь после модернизации установок ионно-вакуумного напыления, позволившей снизить температуру процесса до температур значительно ниже критических для эластомеров и резко увеличить скорость проведения процесса.
К настоящему времени коллективом авторов проведены исследования структуры и эксплуатационных свойств резиновых изделий с покрытиями различных составов и толщины нанометрового размера. Анализ полученных результатов позволил реализовать идею конструирования нового класса покрытий - наноструктурных топокомпозитных покрытий (НСТП) и разработать методики и технологии их получения посредством ионно-плазменной обработки.
Топокомпозиты и наноструктурные то-покомпозитые покрытия. Трудами зарубежных и отечественных ученых развивается новое научное направление - surface engineering [11], ориентированное на создание твердотельных объектов с тонкими покрытиями и модифицированными слоями, получивших название топокомпозитов [12, 13]. Развитие этого направления позволяет по иному подойти к проблеме обеспечения несущей способности контактных поверхностей изделий, в частности, к формированию топологии поверхности и выбору толщины модифицированных слоев изделий. Данное направление, изучающее получение топокомпозитов и включающее в себя технологию создания и расчет оптимальной конструкции поверхностного слоя, ориентировано на конструирование данного класса материалов посредством апробированных и новых технологий нанесения покрытий и модифицирования поверхностных слоев, в том числе и гибридных. Сущность гибридных технологий заключается в совмещении в одном технологическом процессе модифицирования поверхностных слоев от воздействия двух или более потоков вещества с разными энергетическими характеристиками. Использование гибридных технологий позволяет осуществлять как внедрение атомов вещества,
так и их осаждение на обрабатываемую поверхность с формированием наноструктурных слоев. Научный и практический интерес к наноструктурам обусловлен обнаруженными эффектами значительного повышения химических, физикомеханических и трибологических свойств наноструктурных материалов, пленок и покрытий [14]. Создание нанокристаллических пленок и покрытий в настоящее время является одним из перспективных направлений наноматериаловедения, поскольку в них могут быть сформированы зерна с размерами до 3-5 нм, что практически недостижимо путем наноструктурирования материалов методами порошковой металлургии [15]. Кроме того, высокая дефектность зерен и их границ могут рассматриваться в качестве важных факторов получения наноструктурных покрытий с повышенной адгезионной прочностью к материалу основы. Наноразмерные покрытия представляют собой новое поколение материалов. Они сформированы, по крайней мере, двумя отдельными фазами с нанокристалли-ческой или с аморфной структурами. Наноразмерные материалы состоят из зерен с линейными размерами порядка 10 нм и более, которые окружает развитая граница. Наиболее предпочтительной моделью трибоструктурного состояния является градиентная структура поверхностных слоев с плавно изменяющимися свойствами по глубине при наличии нанодис-персных фаз в тонком поверхностном слое. При этом сдвиговая неустойчивость слоистой структуры в условиях трения будет проявляться при одновременном выполнении условия сочетания «жесткой» границы между покрытием и основой, и наличия «нежестких границ» между слоями покрытия. Создание поверхностных слоев с изменяющимися по глубине свойствами может обеспечить развитие релаксационных и адаптивных процессов при трибо-контакте. Тем самым формирование слоистой структуры с различными сдвиговыми характеристиками поверхностных слоев может наиболее эффективно способствовать понижению размера деформируемых объемов и, тем самым, снижению уровня пиковых напряжений в условиях эксплуатации модифицированных конструктивных элементов. Исходя из изложенных положений, авторами разработан подход к конструированию наноструктурных топо-композитных покрытий, основанный на совместном развитии представлений о влиянии топологических особенностей контактных поверхностей трибосопряжений и их наноструктурного состояния, изменяющегося по глубине, на несущую способность изделий. Реализация указанного подхода возможна путем формиро-
вания сетчато-связанной системы ингредиентов в виде наночастиц металлов с низкими коэффициентами трения, которые уже при незначительной поверхностной концентрации наночастиц могут приводить к существенному снижению коэффициента трения скольжения поверхностных слоев модифицированных изделий.
Метод получения наноструктурных топо-композитных покрытий. Для получения наноструктурных покрытий была проведена модернизация ионно-плазменной установки ННВ-6.6. В рабочую камеру помещена специальная конструкция трехкатодной системы, обеспечивающая комбинированное ионно-плазменное воздействие на обрабатываемую поверхность под различными углами. Создание данной конструкции позволяет осуществлять как последовательное распыление поверхности образца, так и обработку тремя потоками плазмы, генерируемой за счет одновременного распыления трех катодов. Подобная конструкция дает возможность перемешивания потоков плазмы для эффективного распыления обрабатываемой поверхности за счет образования многозарядных кластеров и минимизировать вероятность формирования капельной фазы. Предлагаемый метод поверхностного упрочнения РТИ заключается в следующем. Готовое изделие устанавливается в камеру вакуумной установки для ионноплазменного нанесения покрытия. Процесс нанесения покрытия включает очистку изделий в вакууме путем ионно-плазменного травления, нагрев поверхности изделия до температур на 40-50°С ниже температуры вулканизации с последующим нанесением покрытий контролируемой толщины путем бомбардировки его поверхности ионами металла. Время непосредственной конденсации покрытия толщиной 1-100 нм занимает не более 20-200 сек., что исключает негативное термическое влияние процесса на изделие. В результате обработки поверхности образуются покрытия таких металлов, как титан, хром, цирконий, медь, молибден, алюминий, как в чистом виде, так и в виде соединений металлов с азотом, углеродом и кислородом.
Наноструктурные покрытия, представляющие из себя практически нанодисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее влияние на износостойкость, и прочностными характеристиками материала покрытий, в том числе в условиях знакопеременных упругих деформаций и циклических термомеханических напряжений.
Свойства модифицированных РТИ. Нанесение наноструктурных топокомпозитных покрытий на резиновую подложку позволяет совместить одно из ключевых свойств, присущих резиновым уплотнителям, - эластичность, и, соответственно, способность длительно поддерживать оптимальный уровень контактного давления, с высокими показателями рабочих температур, маслобензостойкости, озоностойкости, стойкости против истирания, как в режиме сухого трения, так и при наличии различных смазок.
Известно, что первопричиной разрушения материалов с размерами зерен свыше 1 мкм является формирование трещин, возникающих вследствие концентрации дислокаций у различных дефектов. В наноструктурных ма-
Исходное состояние
териалах с размерами зерен менее 80-100 нм, а в отдельных случаях и до 300 нм, проявляется иной механизм разрушения. Для подобных материалов превалирующей причиной разрушения являются процессы на межзерен-ных границах, что связано с меньшим или сравнимым количеством атомов в зернах по сравнению с их количеством на границах [16].
Это подтверждается при нанесении нанопокрытий не только на металлы, но и на резиновые изделия. Даже при увеличении в 200 раз можно видеть, что покрытия толщиной до 100 нм, сформированные в виде кластеров не разрушаются при растяжении, а на покрытиях свыше 160 нм наблюдаются характерные трещины, показанные на рис. 1.
Растяжение б 2 раза
Покрытие толщиной 40 нм
Покрытие толщиной 100 нм
, ;
л*.-- -• ' Г -
.
1'
я ■ т V;
Покрытие толщиной 160 нм Рис. 1. Морфология НСТП, нанесенного на поверхность износобензостойкой резины 1287НТА
В качестве базовой нанотехнологии принята технология осаждения наноразмерных частиц металлов в вакууме на подложку из эластомеров. Формирование покрытия происходит путем нанесения слоев наноразмерных частиц различных металлов или их карбидов, оксидов, нитридов. Толщина каждого слоя не превышает 10-20 нм. Практически, общая толщина покрытия ограничивается для резинотехнических изделий условиями сохранения эластичности, определяемой по относитель-
ному удлинению при разрыве. По этому критерию максимальная общая толщина покрытия ограничена 100-160 нм в зависимости от материала покрытия. По критерию изменения объема образца в разных средах положительные результаты получены в диапазоне толщин покрытия от 20 до 240 нм. По критерию относительной остаточной деформации положительные результаты получены в диапазоне толщин 20-160 нм. По критерию износостойкости положительные результаты полу-
чены в диапазоне 20-320 нм при различных скоростях и давлениях. Однако оптимальные результаты получены в диапазоне 20-100 нм.
В приведенной таблице содержатся данные, полученные при испытании стандартных образцов из резины марки ИРП-1287 одной
партии и резиновых уплотнительных колец по ГОСТ 9833-73, изготовленных из резины той же партии. Для каждого испытания приведены усредненные результаты испытаний. Толщина покрытия на всех образцах составляла 80 нм. Материал покрытия - СгМо.
Таблица 1 - Результаты испытаний образцов из резины марки ИРП-1287
Наименование показателей Образцы с Образцы
наноструктурным без покры-
покрытием тия
Коэффициент сухого трения по стали при скорости 37,5 м/мин 0,41 0,84
- нагрузка 2160 г - нагрузка 4530 г 0,56 1,16
Износ при сухом трении по стали за 120 мин при скорости 37,5 м/мин и нагрузке (в % к массе изделия) - нагрузка 2160 г - нагрузка 4530 г 0,002 0,008 0,022 0,141
Относительное удлинение при разрыве, % 150 130
Изменение объема (среда: ТС-1, время выдержки 24 часа, Э=150°С), % 5,9 6,7
Изменение объема (среда: АМГ-10, время выдержки 24 часа, Э=150°С), % 2,5 4,2
Относительная остаточная деформация (среда: воздух, время выдержки 24 часа, Э=100°С), % 19,4 23,9
Истинная прочность при разрыве, МПа 169 152
Коэффициент морозостойкости 0,5 0,46
Температурный предел хрупкости -72 -60
Преимущества предложенной технологии модификации уплотнительных резиновых элементов заключаются в следующем. Новая технология модификации резинотехнических изделий обеспечивает нанесение износостойкого наноструктурного металлопокрытия на основу при температуре, не превышающей 80-120°С. При этом полностью отсутствуют изменения физико-механических свойств подложки (изделия), а улучшение физико-механических
свойств достигается только за счет наноструктурного покрытия. Время непосредственной конденсации покрытия толщиной 10-100 нм занимает не более 20-200 с, что исключает термическое влияние на основу материала. Микротвердость покрытия в пределах 10-100 нм отличается стабильностью по всей толщине.
Покрытие толщиной 10-100 нм конденсируется на поверхности резиновых изделий в виде нанокластеров, что способствует увеличению качественных характеристик резин: относительное удлинение при разрыве увеличивается до 10-20 %, истинная прочность растяжении - до 6-17 %, остаточная деформация после нагрева - до 12-24 %.
Установлено, что в пределах порядка 10100 нм сплошного слоя покрытия металла на поверхности резины не возникает. Металл конденсируется в поверхностном слое в виде нанокластеров, разделенных прослойками основного материала - подложки (рис.2.). Тем не менее, при этом достигается существенное повышение износостойкости модифицированных резин (эффект нанокластеризации).
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение наноструктурного топокомпозитного покрытия; 1 - материал основы; 2 - покрытие; 3 - нанокластерные образования
Анализ результатов проведенных исследований показал, что повышение износостойкости, снижение теплонапряженности и контактных давлений, уменьшение энергоемкости систем с модифицированными резинотехническими деталями достигаются за счет:
- повышения модуля упругости поверхностного слоя и, как следствие, увеличения твердости и контактной прочности;
- снижения коэффициента трения по металлу до 2-х и более раз;
- снижения температуры контакта и, как следствие, исключение термодеструкции резины.
Эффективность разработанной технологии заключается в том, что нанесение на поверхность эластичных резиновых изделий наноструктурных твердых металлических покрытий в нанометровом диапазоне, не снижая главной характеристики РТИ - эластичности, одновременно улучшает практически все другие значимые характеристики. При этом толщина покрытий варьируется в пределах от 10 до 100 нм в зависимости от условий эксплуатации, а ресурс увеличивается в зависимости от материала покрытий и условий эксплуатации до 10-30 раз.
Заключение
По результатам оценочных испытаний были установлены режимы эксплуатации, при которых эластичность РТИ не только оставалась на прежнем уровне, но и повышалась. Подобные эффекты помимо научной значи-
мости имеют и большое практическое значение. Поэтому проведение дальнейших исследований будет направлено на изучение деформационного поведения модифицированных РТИ, связанное с обнаруженным эффектом нанокластеризации, обеспечивающим повышение их ресурса. Кроме того, наноструктурные топокомпозитные покрытия могут быть использованы для решения технологических задач повышения пожароустойчивости; теплостойкости; радиационной стойкости; повышения ресурса в условиях вибрации; снижения температуры хрупкости; защиты от электромагнитного излучения резинотехнических изделий и конструктивных элементов машин и агрегатов на основе эластомеров.
Библиографический список
1. Дзюра Е. А. Свойства и применение в пневматических шинах резин, армированных короткими отрезками различной природы / Е. А. Дзюра, А. Л. Серебро. М.: ЦНИИТ Энефтехим,1978. - 62 с.
2. Кирпичников П. А. Химия и технология синтетического каучука./ П. А. Кирпичников, Л. А. Авер-ко-Антонович, Ю.О. Аверко-Антонович. Л.: Химия, 1987. 424 с.
3. Кошелев Ф. Ф. Общая технология резины / Ф. Ф. Кошелев, А. Ф. Корнев, А. М. Буканов. Изд. 4-е. перераб. и доп. М.: Химия, 1978. 528 с.
4. Шайдаков В. В. Свойства и испытания резин / В. В. Шайдаков. М.: Химия, 2002. 227с.
5. Никулин С. С. Свойства резин, содержащих низкомолекулярные сополимеры, полученные из отходов нефтехимии / С. С. Никулин, А. И. Дмит-ренков, А. А. Рыльков // Проблемы шин и резино-
кордных композитов. Задачи на пороге XIX века. VII симпозиум.- Москва,1996. С.148-152.
6. Ривин Э.М. Синтетические каучуки общего назначения / Э. М. Ривин, Л. О. Дымент, Б. А. Кузнецова. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1982. 61 с.
7. Глазков С. С. Синтез полимерных продуктов на основе кубовых остатков и акриловых мономеров / С. С. Глазков, С. С. Никулин, А. И. Дмитренков // Экологические проблемы производства синтетических каучуков. Всесоюз. науч.-техн. конф. Москва, 1990. С. 78.
8. Соколова М. Д. Полимерная нанокомпозиция как модификатор бутадиен-нитрильных резин уплотнительного назначения / М. Д. Соколова, И. В. Баранец, А. С. Рамш, М. Л. Ларионова // Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал. Выпуск 2/2007 URL: http://www.ogbus.ru (дата обращения 15. 01. 12)
9. Охлопкова А. А. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями / А. А. Охлопкова, А. В. Виноградов, Л. С. Пин-чук. Гомель: ИММС НАНБ, 1999. 164 с.
10. Абдрашитов Э. Ф. Исследование структуры поверхности плазмомодифицированных резин / Э. Ф. Абдрашитов и др. // Трение и износ. 2002. № 23(1).
11. Bell T. Towards Designer Surfaces / T. Bell //Industrial Lubrication and Tribology. 1992. Vol. 44. № 1, P. 3-11.
12. Современная трибология: Итоги и перспективы. Отв. Ред. К.В. Фролов. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. - 480 с.
13. Воронин Н. А. Топокомпозиты - новый класс конструкционных материалов триботехнического назначения. Ч. 1 / Н. А. Воронин // Трение и износ. 1999. Т. 20. № 3. С. 313-320.
14. Панин В. Е. Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурирован-ных покрытий - эффективный способ упрочнения современных конструкционных и инструментальных материалов / В. Е. Панин, В. П. Сергеев, А. В. Панин, Ю. И. Почивалов // Физика металлов и металловедение. 2007. Т.104, №6, с.650-660.
15. Панин В. Е. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий / В. Е. Панин, В. П. Сергеев, А. В. Панин. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 286с.
16. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / Гусев А. И.- М.: Физматлит, 2007.
NANOSTRUCTURAL TOPOKOMPOZITNYE OF THE COVERING FOR THE TRIBOSOPRYAZHENYS RUBBER CONSTRUCTIVE ELEMENTS
P. B. Grinberg, K. N. Poleshchenko,
D. N. Korotaev, Y. P. Tselih
The analysis of efficiency of methods of volume and superficial modifying rubber-technical products is carried out. Influence of spraying of ionic-plasma coverings on morphological changes of coverage of the rubber-technical products is investigated. Efficiency of the developed technology of spraying on a surface of rubber products nanostructured firm coverings in nanosized range which without reducing their main characteristic - elasticity is proved, leads to improvement of other operational characteristics.
Гоинберг Петр Борисович - Гэнеральный директор Омского научно-исследовательского института организации и технологии производства двигателей (НИИД). Основные направления научной деятельности: процессы и технологии ионно-плазменного модифицирования материалов и изделий. Общее количество опубликованных работ: 160. e-mail: [email protected].
Полещенко Константин Николаевич - доктор технических наук, профессор. Гпавный научный сотрудник Омского научно-исследовательского института организации и технологии производства двигателей (НИИД). Основные направления научной деятельности: физическое материаловедение. Общее количество опубликованных работ: 200.e-mail: [email protected]
Коротаев Дмитрий Николаевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Общее количество опубликованных работ: 80.e-mail: [email protected]
Целых Елена Петровна - инженер - механик ФГУП научно-производственное предприятие «Прогресс». Основные направления научной деятельности: полимерное материаловедение. email: [email protected].
