CC BY
0TECHNICAL SCIENCE
Антонова Н.М.,
Каменский институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова, доктор технических наук,
профессор Березовский В. С.,
Каменский институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова, студент
Лисниченко И.А.,
Каменский институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова, студент
Сибирка И.А.
Каменский институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова, студент
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ ПУТЕМ
НАНЕСЕНИЯ ПОРИСТЫХ АЛЮМИНИЙ - ОРГАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ С ТВЕРДЫМИ
СМАЗКАМИ (НА ПРИМЕРЕ ГРАФИТА)
THE POSSIBILITY OF INCREASING THE WEAR RESISTANCE OF STEEL PRODUCTS BY APPLYING OF A POROUS ALUMINUM - ORGANIC COATINGS WITH SOLID LUBRICANTS
(FOR EXAMPLE GRAPHITE)
Antonova N.M. Kamensky institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI) Doctor of Engineering, Sciences, full professor
Berezovsky V.S. Березовский В. С., Kamensky institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), student
Lisnichenko I.A. Kamensky institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), student
Sibirka I.A. Kamensky institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI, student
АННОТАЦИЯ
Разработаны новые антифрикционные материалы на основе полимера натрий-карбоксиметилцеллю-лозы с порошком алюминия и графита. Установлено, что при нанесении покрытий на стальные поверхности, наряду со снижением силы трения, наблюдается снижение коэффициента трения на 18-20 %. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии установлен порог термодеструкции покрытий: 300° C.
ABSTRACT
Developed new antifriction materials based on polymer sodium-carboxymethylcellulose with the addition of aluminum powder and graphite. Found that the coating applied on the steel surface while reducing the frictional forces also decrease the coefficient of friction by 18-20 %. Using differential scanning calorimetry threshold of thermal destruction of the coatings was 300 °C.
Ключевые слова: антифрикционное покрытие, графит, алюминий, трение, износ, термодеструкция.
Keywords: anti-friction coatings, graphite, aluminum, friction, wear, thermal destruction.
Введение
В настоящее время применение антифрикционных покрытий на основе полимеров в узлах трения получило большое распространение. Полимеры отличаются сравнительно невысокой себестоимостью, низким коэффициентом трения. Однако им присущи и недостатки - склонность к расслоению, невысокая адгезионная прочность. Применение композиционных материалов на основе полимерных матриц с различными наполнителями позволяет формировать покрытия с заданными механическими свойствами. Комбинация таких материалов с твердосмазочными покрытиями (ТСП), в свою очередь, определяет антифрикционные свойства композита. Для снижения трения в подвижных узлах любого оборудования требуется их своевременное смазывание. Выбор вида и способа смазки производится с учетом конструкции и условий эксплуатации пары трения. ТСП существенно снижают износ, повышают надежность работы и ресурс узлов и механизмов. Твердые сухие смазки
обладают стабильным низким коэффициентом трения и обеспечивают хороший смазочный эффект. При нанесении покрытия на одну из деталей пары трения в процессе работы происходит частичный перенос твердых смазок на сопряженную поверхность. Таким образом, в процессе трения под нагрузкой формируются плотные и очень гладкие антифрикционные пленки, закрывающие неровности материала основы. В результате при работе пары трения скорость изнашивания покрытия сводится к минимуму.
В качестве компонента для формирования ТСП используют сульфиды различных материалов, селениды, теллуриды, хлориды, фториды, иониды, оксиды металлов и др. Методы нанесения ТСП разнообразны и обусловлены условиями эксплуатации покрываемых деталей машин и механизмов и их узлов трения, необходимыми техническими ресурсами. Большой интерес в применении в качестве смазки для ТСП представляет графит обладающий
слоистой структурой, с относительно слабой связью между слоями и сильной связью внутри слоев. Такие свойства покрытия обеспечивают "легкое" скольжение трущихся поверхностей относительно друг друга, способствуя снижению коэффициента трения и повышению износостойкости поверхности деталей, входящих в пары трения различных механизмов и машин.
В настоящей работе рассматривается возможность создания новых пористых композиционных покрытий на основе биополимера натрий-карбок-симетилцеллюлозы (№-КМЦ) с порошком алюминия. Введение в поры покрытия твердых смазок (типа графита) позволяет регулировать антифрикционные свойства покрытия, предназначенного для защиты поверхностей трения. Следует отметить, что пористые материалы с функциональными свойствами вызывают все больший интерес исследователей [3-4].
Цель работы - установление закономерностей формирования структуры и антифрикционных свойств покрытия Al-Na-КМЦ с порами, заполненными графитом, предназначенных для защиты стальных поверхностей в процессе трения.
Материалы и методики исследований
Высокопористые покрытия были получены авторами из полимерных суспензий №-КМЦ с наполнителем порошком алюминия марки АСД-1 при добавлении наноразмерных частиц бемита - AЮ(OH) [1-2]. Образование пористых композиционных пленок происходило в результате самоорганизации полимерной системы при добавлении наночастиц бе-мита в экономичном энергетически выгодном режиме - при температуре (55+1)0 С. Использовали базовый состав: № - КМЦ (2,75 г) + глицерин (3,25 г) + алюминий (2,5 г) + вода (97,25 г) + частицы бемита в диапазоне содержания 0,10-0,20 г. Сформированные на фторопластовых подложках пленки
снимали и после смачивания высаживали на торцевую поверхность цилиндрических образцов из стали 08кп. На рисунке 1, а приведено изображение изготовленного исходного пористого материалов. Морфологию ячеистых пленок исследовали с помощью электронно-сканирующего микроскопа Quanta 200 (ЦКП «ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова».
Открытые поры покрытий заполняли порошком графита марки ГС-1, применяемого при создании твердосмазочных композитов. В порошке графита ГС-1 преобладают преимущественно частицы размерами около 6 мкм, что позволяло надеяться на плотную упаковку частиц графита в порах пленки. Графит имеет гексагональную слоистую решетку в форме призматического шестигранника (рис.1, б). Подобное строение кристаллической решетки графита обеспечивает наличие необходимых для смазочных материалов адгезионных свойств. Стоит так же отметить среднюю теплопроводность и термоустойчивость графита: максимальная рабочая температура в условиях воздуха составляет порядка +600 °С, влияние влаги же на графит проходит положительно, поляризуя его молекулы, повышая при этом адгезионные свойства. Графит обладает слоистой структурой, в которой атомы каждого слоя кристаллической решётки расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних (нижнем и верхнем) слоях. Положение слоев повторяется через один, каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм (укладка АВАВА). При этом, относительно слабые связи между слоями графита позволяют твердосмазочному покрытию обеспечивать «лёгкое» скольжение трущихся поверхностей относительно друг друга, существенно снижая коэффициент трения и изнашивание пары трения.
а) б)
Рис. 1. Микрофотография исходной пленки с порами, изготовленной из Ыа-КМЦ с порошком А1 при добавлении наночастиц бемита - (а); кристаллическая решетка графита - (б)
Термостойкость полученных пористых пленок с определяли методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), с помощью кало-
риметра DSC-1 фирмы METTLER TOLEDO в интервале температур 30- 500°С при скорости нагревания образца 20°С мин-1 и расходе воздуха 50 мл мин-1 в алюминиевом стандартном тигле.
Антифрикционные свойства материалов исследовали на стендовой установке трения УСУТ-2 при возвратно-поступательном движении рельса по вкладышу, при нагрузке до 6 МПа и скорости скольжения 0,04 м/с. Рабочей средой являлся воздух.
Результаты и обсуждение
Методами дифференциальной сканирующей калориметрии определен порог термодеструкция покрытий на основе Na-КМЦ с Al и графитом - при температуре 300 ° С. Ранее проведенные исследования показали, что покрытия химически инертны
Коэффициент трения образца с защитным покрытием снижается на 18-20%.
Результаты измерений показали незначительное снижение как коэффициента трения, так и силы трения ТСП. Зафиксировано снижение температуры контртела при нагружении (15-31%), контактирующего с поверхностью антифрикционного покрытия на стали, что обусловлено достаточно высокой теплопроводностью как порошка алюминия, входящего в состав композита, так и графита.
Что касается показателей износостойкости, то образец, покрытый слоем композиционного антифрикционного покрытия с графитом, показал больший износ при прохождении рельса по вкладышу для 30 и 60 м, чем сталь. Это объясняется тем, что на начальных этапах работы пары трения изнашивается "мягкий" композит. Оценка состояния поверхности композита после испытаний показала, что под нагрузкой происходит уплотнение покрытия и образуется прочная гладкая защитная пленка, износ которой близок к износу стали.
Заключение
Полученное и исследованное антифрикционное твердосмазочное покрытие на основе полимера натрий - карбоксиметилцеллюлозы с порошком
к средам - воздуху, керосину, минеральным маслам.
Испытания антифрикционных покрытий проводились на базе стендовой установки трения УСУТ-2, являющейся стендом-имитатором нагру-зочно - скоростных и температурных режимов работы узлов трения, всухую. Испытывали исходный непокрытый образец стали 08кп, и образец стали 08кп с нанесенным покрытием (Na-КМЦ +A1 + графит).
В таблице 1 приведены полученные на установке УСУТ-2 характеристики для исходного образца стали, в таблице 2 - результаты испытаний для образца с покрытием (Na-КМЦ +A1 + графит).
Таблица 1
алюминия и графитом на стальных деталях, отвечает техническим требованиям (износостойкость, коррозионная стойкость, коэффициент трения), не требует сложного изготовления и дорогостоящего оборудования для нанесения покрытия. Предлагаемый метод получения покрытия характеризуется простотой изготовления, не требует больших затрат ресурсов, высокотехнологичного оборудования и температурных режимов.
Список литературы
1. Н. М. Антонова, О. С. Овчинников, А. П. Бабичев. Исследование влияния наночастиц адю-миния и нановолокон бемита на генерацию ячеек в композитах на основе полимера Na-КМЦ / Наноин-женерия. 2014. № 3, С. 17-22.
2. N. M. Antonova, A. P. Babichev, V. Yu. Dorofeev. Regularities of Formation of the Structure of Al-containing Nanocomposites upon Interaction of ASD-6 Powder with Polymer Suspension./ Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. -2013. Vol. 49, № 7. P. 868-872.
3. Анциферов В. Н., Макаров А. М., Ханов А. А., Башкирцев Г. В. Модели и свойства высокопористых ячеистых материалов. / Перспективные материалы. - 2010. - № 3. - С. 5-9.
4. Д. В. Новиков, А.Н. Красовский. Фрактальная решетка наноглобул желатина. /Физика твердого тела. 2012, т. 54, вып. 11. С. 2183.
Результаты испытаний образца стали 08кп (исходный) на трение
Пройденный путь, м Сила трения, Н Коэффициент трения Температура контртела, ° С Износ, мкм
30 21,9 0,135 67 1,8
30 34,7 0,135 71 1,3
30 47,6 0,140 78 1,5
30 62,3 0,145 82 1,0
Таблица 2
Результаты испытаний образца стали 08кп с покрытием на трение
Пройденный путь, м Сила трения, Н Коэффициент трения Температура контртела, ° С Износ, мкм
30 19 0,120 46 3,3
30 32 0,120 55 2,3
30 44 0,128 62 1,6
30 58 0,128 69 1,2
