CC BY
81
чаткой структуры полимерной матрицы интенсифицирует процесс взаимодействия частиц наполнителя с полимерной связующей и повышает адгезионную прочность композиции. Такое ступенчатое действие лучистой энергии на полимерное покрытие при инфракрасном облучении его поверхности снижает внутреннее напряжение и повышает предел прочности покрытия.
Радиационное отверждение термореактивных олигомеров улучшает и качество покрытия. Показательной характеристикой плотности и однородности структуры покрытия является его водостойкость, определяемая выдерживанием контрольных образцов в воде.
При испытании покрытий на водостойкость различают только способ отверждения. Установлено, что на поверхности пленки, отвержденной только с конвективной теплопередачей, уже в конце первых суток появилась сплошная мелкая сыпь. На покрытии, отвержденном облучением, только после 8 сут обнаружен один небольшой участок, пораженный сыпью.
Как показало исследование, ускорение процесса отверждения полимерного покрытия при инфракрасном облучении зависит от материала, его цвета и характеристики металлической подложки, типа и количества ингредиентов композиции и толщины покрытия. Светлые покрытия, отражающие часть потока инфракрасных лучей, отверждаются медленнее, чем покрытия темного цвета. Следовательно, введение в покрытие чугунного и железного порошков, графита ускоряет отверждение полимера, а алюминиевая, бронзовая пудра, окись алюминия, карбид кремния и другие светлые порошки замедляют этот процесс. Хотя физико-механические и прочностные свойства композиций остаются более высокими, чем при отверждении с конвективной подачей теплоты.
Воздух почти полностью прозрачная для инфракрасных лучей среда, и при радиационном на-
греве деталей с полимерным покрытием исключает помещение их в закрытые камеры, особенно крупногабаритных корпусных деталей. Если терморадиационную лампу баллонного типа поставить на расстоянии 200.. .250 мм от поверхности деталей с полимерным покрытием на открытой площадке, через несколько минут температура воздуха между ними поднимается на 10.15 °C, а поверхность покрытия нагреется до 90.95 °C.
Выводы
Таким образом, терморадиационная обработка ускоряет процесс полимеризации (отверждения) покрытий из термореактивных олигомеров в 5.8 раз. Установлено, что покрытия светлых тонов, отражающие часть потока инфракрасных лучей, отверждаются медленнее, чем покрытия темного цвета. Поэтому введение в покрытие чугунного и железного порошков, графита ускоряет отверждение полимера, а алюминиевая, бронзовая пудра, окись алюминия и другие светлые порошки замедляют этот процесс.
С помощью лампы радиационного облучения, изменяя расстояние между облучаемой поверхностью и излучателем и интенсивность излучения, можно ускорить процесс отверждения полимерного покрытия на крупногабаритных изделиях.
Список литературы
1. Долгополов, Н.Н. Электрофизические методы в технологии строительных материалов / Н.Н. Долгополов. — М.: Стройиздат, 1994. — 312 с.
2. Евдокимов, Ю.А. Инженерная механика полимеров и применение пластмасс в промышленности / Ю.А. Евдокимов. — Тбилиси: Мецниереба, 1999. — С. 137-145.
3. Жердев, Ю.В. Влияние наполнителя и его поверхностной обработки на отверждение термореактивных полимерных материалов / Ю.В. Жердев. — М.: Информэлек-тро, 1974. — 31 с.
4. Интенсификация ремонта оборудования с применением модифицированных акриловых композиций / А.С. Жиляк [и др.]. — Харьков: УкрНИИНТИ, 1970. — 29 с.
УДК 621.892.09+621.357.7
В.В. Сафонов, доктор техн. наук, профессор
B.А. Александров, канд. техн. наук, доцент
C.А. Шишурин, канд. техн. наук, доцент
А.С. Азаров, канд. техн. наук, ст. преподаватель
ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ
ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ СЕРВИСЕ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ
Последнее десятилетие XX века ознаменовалось областей знаний к получению, свойствам и при-
повышенным интересом специалистов в об- менению наноматериалов. Это связано с тем, что
ласти физики, химии, материаловедения и других у частиц были обнаружены особые физические
62 ----------------------------- Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 3'2009 --------------------------
и химические свойства, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в обычной форме.
Нанотехнологии открывают большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и других отраслей науки.
Не отстает от перечисленных направлений развития наноиндустрии и наноинженерия поверхностей деталей машин. Наиболее широкое распространение нашло применение наноразмерных частиц металлов как добавок к смазочным материалам и при нанесении гальванических покрытий.
Одна из областей применения порошкообразных наноразмерных материалов — модификация пластичных смазок.
В настоящее время практически не существует машин, в которых бы не использовались подшипники качения. В качестве смазочной среды многих подшипниковых узлов машин и механизмов применяют пластичные смазки. Стремление к повышению производительности современных машин приводит к увеличению нагруженности и тепловой напряженности подшипниковых узлов. В более тяжелых условиях приходится выполнять свои функции и смазочным материалам, что обусловливает необходимость повышения их эффективности.
Обзор способов улучшения свойств пластичных смазок позволил выделить наиболее простой и экономически выгодный — применение специальных добавок. Анализ литературных источников и патентный поиск показали, что сравнительно новым и перспективным направлением является использование в качестве добавок в смазочные среды наноразмерных порошков (НРП) металлов и их соединений.
Для оценки эффективности модификации пластичных смазок названными компонентами проводили комплекс лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний.
Для приготовления экспериментальных смазочных композиций использовали пластичную смазку Литол-24 (ГОСТ 21150-87) и НРП следующих металлов и сплавов: N1, Бе, 2п, Си-8п, А1-РЬ, Си-РЬ, Бе-№, Бе-2п. Компоненты для приготовления экспериментальных смазочных композиций выбирали на основании данных литературных источников и проведенных ранее испытаний.
Сравнительные лабораторные испытания экспериментальных смазочных композиций и товарной пластичной смазки Литол-24 проводили на машине трения МИ-1М по схеме ролик-ролик в три этапа. На первом этапе — предварительные испытания с целью выявления НРП с лучшими трибологическими свойствами. На втором этапе проводили полный факторный эксперимент и количественную оптимизацию полученного состава смазочной композиции. Третий этап — сравнительные трибологи-
ческие испытания разработанной смазочной композиции и базовой пластичной смазки. При этом дополнительно оценивали влияние НРП на микрогеометрию рабочих поверхностей роликов и химический состав материала поверхностей качения.
Износ роликов определяли взвешиванием до и после испытаний на аналитических весах ДЛР-200М с точностью до 0,1 мг (ГОСТ 24104-80Е). Момент трения в контакте роликов регистрировался самопишущим устройством испытательной машины на диаграммной ленте. Значения шероховатости поверхностей качения роликов до и после испытаний устанавливали на профилографе-профилометре мод. 201 завода «Калибр» (ГОСТ 19300-86). Для выявления влияния НРП металлов и их соединений на химический состав материала поверхностей качения проводили исследования изменений, происходящих в качественном элементном составе материала поверхностей, на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4,0 с Бе — ка-излучением.
Результаты предварительных лабораторных испытаний позволили установить, что наилучшими противоизносными и антифрикционными свойствами обладают смазочные композиции, приготовленные с использованием НРП Бе, N1 и 2п.
С целью количественной и качественной оптимизации полученного состава проводили полный факторный эксперимент.
Для качественной оценки трибологических свойств смазочной композиции использовали следующие параметры: момент трения, Н м; массовый износ, мг; количество циклов до появления следов усталостного выкрашивания на поверхностях качения при заданной величине нагрузки, млн об. Так как каждый из принятых частных параметров имеет свой физический смысл и разную размерность, их объединяли в одну обобщающую функцию D.
В ходе эксперимента трибологические свойства находились в зависимости от нескольких варьируемых факторов: x1 — содержание НРП N1 в добавке, масс. %; x2 — концентрация НРП 2п в добавке, масс. %; x3 — концентрация добавки в смазочной композиции, масс. %.
В результате статистической обработки результатов эксперимента была получена математическая модель, характеризующая влияние концентрации компонентов смазочной композиции на ее трибологические свойства:
D = 0,251 + 0,011ц + 0,0064x2 + 0,296x3 -- 0,00035x^2 + 0,00 0 0 48x22 — 0,08 3 6x32. (1)
Оптимизируя полученную модель, установили оптимальную концентрацию элементов, входящих в смазочную композицию. На разработанный состав смазочной композиции, названной «Кластер-С», получен патент РФ № 2258080.
д
«
к
к
&
и
Продолжительность опыта, ч
Рис. 1. Результаты контроля антифрикционных свойств испытуемых смазочных материалов:
1 — Литол-24; 2 — Кластер-С
Результаты сравнительных лабораторных испытаний показали, что использование смазочной композиции Кластер-С способствовало уменьшению среднего значения момента трения в контакте роликов в 1,15 раза (рис. 1), величины износа роликов — в 2,3 раза (рис. 2), снижению значения шероховатости — в 2,2 раза, повышению числа циклов и нагрузки усталостного выкрашивания поверхностей качения — соответственно в 1,86 и 1,55 раза по сравнению с результатами испытаний пластичной смазки Литол-24.
Лучшие трибологические свойства смазочной композиции Кластер-С по сравнению с пластичной смазкой Литол-24 можно объяснить следующим образом. Наноразмерные компоненты добавки обладают пониженной температурой плавления, повышенными химической активностью и поверхностной энергией. При попадании в зону фрикционного контакта в условиях протекания физико-химических
с
к
сг
£
Рис. 2. Износ роликов, работавших в среде смазочных материалов:
1 — Литол-24; 2 — Кластер-С
процессов и фрикционного нагрева происходит их активное взаимодействие с материалом поверхностей качения. Температурное воздействие, а также высокие химическая активность и поверхностная энергия обусловливают формирование поверхностного слоя с участием компонентов добавки. Поверхностный слой, сформированный таким образом, способствует увеличению фактической площади контакта, а модификация материала поверхностного слоя компонентами добавки — уменьшению коэффициента трения, что приводит к снижению действующих контактных напряжений. В результате уменьшаются величина микропластических деформаций, интенсивность диффузии кислорода и как следствие — скорость усталостного изнашивания элементов трибосопряжения.
Результаты рентгенофазового анализа (рис. 3) подтвердили, что при протекании механических и физико-химических процессов, сопровождающих трение, благодаря высокой активности наночастиц металлов в зоне фрикционного контакта происхо-
"Г
Є
Угол отражения рентгеновских лучей (20), град
Угол отражения рентгеновских лучей (20), град б
Рис. 3. Рентгенограммы поверхностей качения роликов:
а — до испытания; б — после работы в среде смазочной композиции Кластер-С
а
дит формирование пленки, содержащей исходные наноразмерные компоненты добавки, вследствие чего поверхности качения приобретают более высокие трибологические свойства.
Для определения влияния разработанной смазочной композиции на ресурс подшипников качения проводили стендовые испытания 40 радиальноупорных подшипников 7202 (ТУ 37.006.162-89), из которых 20 испытывали на товарной смазке, а остальные 20 — на разработанной смазочной композиции. Испытания проходили на испытательной машине ЦКБ-50 в соответствии с методикой периодических стендовых испытаний подшипников качения М ВНИПП.020-04.
В ходе испытаний контролировали температуру наружных колец подшипников и наличие следов усталостного выкрашивания на поверхностях качения деталей подшипников. Температуру контролировали с помощью термопары «хромель-копель» и трехпозиционного потенциометра типа КСП2-026 (ГОСТ 7164-98). Ресурс подшипников определяли по продолжительности их работы до повышения рабочей температуры более чем на 20 °C.
В результате проведения стендовых испытаний установили, что ресурс подшипников, соответствующий 90 %-й надежности, работавших на пластичной смазке Литол-24, составил 78 ч, а подшипников, смазку которых осуществляли разработанной смазочной композицией, — 186 ч, что в 2,4 раза больше. Кроме того, использование смазочной композиции Кластер-С привело к снижению температурного режима работы подшипников на 18 %.
Эксплуатационные испытания проводили согласно плану [NUT] (ГОСТ 27.410-87) с использованием автомобилей КамАЗ. При этом испытуемые смазочные материалы закладывали в подшипниковые узлы ступиц колес. В ходе испытаний с периодичностью 10 тыс. км контролировали визуально состояние поверхностей качения деталей подшипников. Наступление предельного состояния определяли по наличию следов усталостного выкрашивания на рабочих поверхностях тел качения. По результатам эксплутационных испытаний прогнозировали повышение ресурса подшипников, эксплуатирующихся на смазочной композиции, модифицированной НРП металлов. Расчеты показывают, что их ресурс при этом увеличивается в 2,8 раза по сравнению с подшипниками, работающими на пластичной смазке Литол-24.
В последнее время широко развивается направление, связанное с разработкой технологий получения композиционных гальванических покрытия (КГП) с использованием наноразмерных порошкообразных материалов.
Гальванические покрытия применяются в различных областях промышленности, в частности при упрочнении и восстановлении деталей машин. Од-
нако при всех своих достоинствах гальванические способы восстановления имеют и существенные недостатки (недостаточно высокие прочность сцепления, микротвердость и износостойкость, склонность к дендридообразованию и ряд других), поэтому в последние годы успешно развивается технология осаждения композиционных гальванических покрытий. Особенность такой технологии заключается в том, что вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждаются дисперсные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов, сульфидов, порошков полимеров и т. д. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу гальванических покрытий значительно изменяет свойства последних. Такие покрытия обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для решения разнообразных задач.
Особый интерес в этой связи вызывает КГП на основе хрома, так как оно является наиболее перспективным для создания твердых, износостойких и антифрикционных покрытий.
Однако широкое внедрение КГП в производство сдерживается из-за ограниченности сведений по технологии нанесения, физико-механическим свойствам, структуре и износостойкости таких покрытий, отсутствия методов расчета и прогнозирования состава покрытий и т. д.
Анализ литературных данных показал, что в качестве упрочнителей применяют частицы, волокна и усы различных материалов с размерами от 200 нм и более. Заращивание дисперсных материалов с такими размерами слоем хрома затруднено из-за низкой скорости осаждения гальванического хрома и седиментации частиц. Однако в настоящее время появились технологии получения нанодисперсных частиц с размерами в десятки нанометров. Применение таких частиц даст возможность получать качественные КГП на основе хрома.
В связи с этим в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» на кафедре «Надежность и ремонт машин» был проведен ряд экспериментов по изучению влияния, оказываемого нанодисперсными частицами на структуру и физико-механические свойства гальванического покрытия хрома.
С целью определения наиболее эффективной на-нодисперсной фазы были проведены эксперименты, по которым лучшие результаты показал ноноразмер-ный порошок оксида алюминия. В результате проведенных экспериментов была достигнута микротвердость КГП на основе хрома 14 ГПа. Микротвердость гальванического покрытия хрома без нанодисперс-ных частиц составляла в среднем 10 ГПа.
Изучение структуры полученных покрытий позволило установить (рис. 4), что на поверхности КГП отсутствуют трещины, тогда как при обычным хромировании поверхность имеет достаточно глубокую сетку трещин. Кроме того, установлено, что
а б
Рис. 4. Поверхность гальванического покрытия хрома:
а — без нанодисперсных частиц; б — с нанодисперсными частицами (*80)
частицы распределяются в покрытии достаточно равномерно и КГП более четко повторяет контуры основного металла.
Для определения элементного и количественного состава КГП на основе хрома были проведены лазерный эмиссионный и масспектральный анализы. В результате получены спектрограммы гальванических покрытий, в КГП было обнаружено наличие алюминия порядка 1,85 %, тогда как при анализе стандартного покрытия хрома алюминия в покрытии обнаружено не более 0,01 %.
Проведенные исследования структуры и состава КГП показали, что нанодисперсные частицы, вводимые в электролит хромирования, в процессе электролиза внедряются в гальваническое покрытие, что приводит к снижению трещиноватости и изменению его структуры.
Трибологические испытания хромированных образцов проводили на машине трения МИ-1М по схеме ролик-колодка. Установлено, что весовой износ образцов с КГП в среднем в 2,2 раза меньше, чем износ образцов, покрытых чистым хромом. Высокая износостойкость КГП на основе хрома объясняется высокой микротвердостью таких покрытий, а также особенностями структуры, в частности отсутствие трещин в покрытии способствует тому, что не происходит скалывания покрытия в результате взаимодействия с абразивными частицами.
С целью определения коррозионной стойкости КГП проведены сравнительные коррозионные испытания. Испытания проводили в камере коррозионных испытаний при повышенной относительной влажности и температуре с периодической конденсацией влаги и введением агрессивной составляющей — хлористого натрия. Установлено, что коррозионная стойкость покрытий, полученных с применением нанодисперсного порошка, в 1,8 раза выше, чем чистого хрома.
66
На основании проведенных лабораторных исследований разработаны рекомендации по нанесению КГП на основе хрома и предложена технология восстановления плунжерных пар топливных насосов высокого давления автомобилей КамАЗ. На способ получения КГП на основе хрома получен патент РФ № 2283373.
Для испытания восстановленных и упрочненных плунжерных пар топливных насосов дизелей КамАЗ-740 был применен метод ускоренных износ-ных испытаний. Испытания проводили, используя стенд КИ-15711М-01 ГОСНИТИ. На стенде были смонтированы термокамера и смеситель, позволяющие поддерживать температуру и заданную загрязненность топлива.
В результате стендовых ускоренных испытаний цикловая подача серийных плунжерных пар снизилась на 38 %, в то время как восстановленных с применением композиционного хромирования — на 18 %.
Эксплуатационные сравнительные испытания топливных насосов с восстановленными и серийными плунжерными парами проводили на автомобилях КамАЗ. По полученным данным эксплуатационных испытаний ресурс плунжерных пар, восстановленных с применением КГП на основе хрома в среднем в 1,7 раза выше ресурса серийных плунжерных пар.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что применение нанодисперсных частиц цветных металлов и их соединений как добавок к пластичным смазочным материалам и при получении КГП позволяет существенно улучшить основные физико-механические свойства поверхностных слоев трущихся деталей машин и получаемых покрытий, что в итоге приводит к повышению надежности агрегатов и сельскохозяйственных машин в целом.
