CC BY
42
_Резание материалов и проектирование специального инструмента_
УДК 621.895; 621.892.8
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ СОТС ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ
И.В. Харченко
Проведён обзор трудов отечественных и зарубежных учёных в области применения нанопорошков в качестве присадок к смазочно-охлаждающим технологическим средствам. Представлены направления разработки смазочных составов с нано-модификаторами различного содержания. Приведены результаты экспериментальных исследований, определяющих область применения наноструктурированных смазочно-охлаждающих технологических средств. Также описано применение наноалмазной шихты, приведены результаты исследований. Затронуты вопросы агрегатирования нанопорошков, сложности стабилизации и равномерного распределения в объёме смазочного материала.
Ключевые слова: нанопорошки, присадки, смазочно-охлаждающие технологические средства, наномодификаторы.
Среди широкого спектра существующих технологий формообразования поверхностей деталей машин обработка металлов резанием занимает лидирующие позиции. Одним из основных условий надежности протекания процесса механической обработки является применение смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Введение в смазочные материалы антифрикционных, противоизносных, антиокислительных, моющих, антипенных, антикоррозионных присадок позволяет существенно повысить долговечность и экономичность эксплуатации лезвийного инструмента и качество образующейся эксплуатационной поверхности. Одним из актуальных направлений в этой области представляется модифицирование смазочных композиций нано- и ультрадисперсными порошками.
Благодаря структурированию СОТС нанопорошковой присадкой снижаются трибодиструкционные явления в поверхностном смазочном слое, что способствует повышению антиокислительных свойств и влияет на стойкость режущей кромки инструмента, а это, в свою очередь, положительно влияет на качество обработанной поверхности.
В качестве основных условий для повышения эффективности использования наномодификаторов в качестве присадок может быть их сорбционная активность, температуроустойчивость, повышенная тепло- и электропроводность.
При создании нанофазных и нанокомпозитных материалов применяется обширный ассортимент нанопорошков. К их числу относятся [1]:
- фуллерены и фуллереноподобные структуры, ультрадисперсные металлы, полученные термическим разложением прекурсов, химическим восстановлением, распылением в вакууме;
- продукты детонационного синтеза - наноалмазы и ультрадисперсный алмазоподобный графит - шихта;
- оксиды металлов, образующихся при термическом восстановлении, имплантации
На сегодняшний день при разработке основных составов наномо-дификаторов для смазок обозначились следующие направления [2]:
- добавление углеродсодержащих соединений с высокой адсорбционной активностью, способствующих формированию контактных слоёв из упорядоченных структур, которые при воздействии высоких температур и напряжений сдвига проявляют устойчивость к распаду;
- включение нанокластерных структур на базе углеродных металло-содержащих элементов, способствующих осуществлению микрорезания, удалению повреждённого слоя на поверхности трения и образованию юве-нильных поверхностей с их последующей пассивацией;
- использование нанопорошков, изменяющих свои трибологические свойства при воздействии эксплуатационных факторов вследствие сопутствующих химических превращений.
Из работ [3, 4] следует, что к пленкообразующим антифрикционным компонентам относят: нанопорошки металлов и их оксиды; металло-органика и полимеры; сульфид молибдена, наноалмазы, графит и т.п.
Дисперсные нанопорошки цветных металлов и их сплавов, например меди, бронзы, цинка, используют в качестве добавок к смазочным материалам для улучшения их триботехнических свойств [5].
Существенным недостатком при использовании нанопорошков в качестве модификаторов СОТС могут являться сложности стабилизации и равномерного распределения в объёме смазочного материала из-за высокой поверхностной энергии (агрегатирования). Между тем, анализ литературы показывает множество различных методов, направленных на предотвращения данного обстоятельства, а именно пассивация, стабилизация коллоидными растворами, использование капсулирующих (обволакивающих) веществ и т.д. Так, на основе полученных данных, использование на-ноструктурированных СОТС с фуллероидными наномодификаторами (АП ФН) позволяет уменьшить изнашивание сверла и шероховатость обработанной поверхности примерно в два раза [6].
Долматовым В.Ю. был рассмотрен метод модификации смазочных материалов весьма перспективными ультрадисперсными алмазографи-товыми порошками. Наноалмазы (НА), введённые в материалы, играют роль мощного структурообразователя, обеспечивая дисперсное упрочнение композиции. Включение наноалмазов в СОТС способствовало значительному снижению силы резания [7].
При резании использование СОТС с добавлением активных частиц способствует появлению на лезвии инструмента защитной плёнки. Положительный фактор такой среды - его пластифицирующее действие в процессе обработки металла. Снижается поверхностная энергия обрабатываемого металла. Уменьшаются предел текучести на сдвиг поверхностного слоя, а следовательно, и сила трения, снижается температура обработки [3].
_Резание материалов и проектирование специального инструмента_
Например, созданные авторами [8-10] СОТС, в состав которых была введена наноалмазная шихта (АШ), хлорсульфидированный жир и серосодержащий полиизобутилен, оказались эффективными при машинном и ручном резьбонарезании, сверлении, шлифовании и др. Применение данных СОТС увеличило стойкость инструмента в несколько раз. Происходящее уменьшение силы резания позволяет отказаться от некоторых СОТС с вредными веществами, загрязняющими окружающую среду и причиняющими вред для здоровья работающих.
Из работ [9, 10] можно сделать следующий вывод:
- включение АШ в СОТС способствует стабилизации процесса резания и снижает до 25 % момент резания;
- созданные СОТС показали свою эффективность при сверлении и резьбонарезании в труднообрабатываемом материале;
- малые размеры частиц АШ позволяют использовать созданные смазки в автоматизированных системах подачи СОТС.
Важной особенностью АШ является то, что кроме частиц графита, обеспечивающих смазочные свойства, в композиции содержатся частицы алмаза. Последние при трении внедряются (шаржируются) в металлическую поверхность. Взаимодействуя таким образом с поверхностью деформирующего инструмента, АШ может способствовать повышению его износостойкости [11].
Дальнейшее изучение и внедрение наномодификаторов позволит как минимум избавиться от применения СОТС с вредными компонентами при резании сложнообрабатываемых материалов, как максимум - увеличить производительность металлорежущего инструмента, что, в свою очередь, приведёт к снижению себестоимости готового изделия.
Вывод: нанопорошки имеют свои уникальные свойства, которые можно использовать для повышения качества и производительности металлообработки. Одни хороши с поверхностно-активными веществами, другие-с эмульсиями, а третьи - в твёрдых смазывающих материалах.
Список литературы
1. Поляков С. А. Нанотехника в трибологии // Нанотехника. 2006. № 1. С. 42 - 51.
2. Образцов Л.Н. Наноалмазы в смазочных композициях // Вестник Полоцкого государственного университета. 2010. С. 83 - 91.
3. Говорова О.В., Петров В.М., Сойту Н.Ю. Возможность применения активных мелкодисперсных модификаторов трения в современных СОТС // Сборник статей «ТРАНСТРИБО-2005». 2005. С. 192 - 196.
4. Additive Schmiers und Arbeitssigkeit / K. Matsuo, U. Maede, M. Ku-rabashi, M. Miuva // 5th Int. Kolog., Esslingen, Germany, 14-16 jan., 1986. Esslingen, 1986. Bd. 2. P. 5.417-5.418.
5. Функциональные технологические смазочные материалы, структурированные нанопорошками цветных металлов, для повышения эффективности обработки деталей транспортных средств / Г.И. Шульга, А.О. Колесниченко, Е.В. Скринников [и др.] // Вестник ДГТУ. 2011. Т. 11. № 10 (61). С. 1867 - 1873.
6. Петров В.М., Сойту Н.Ю., Петров Ю.В. Результаты испытаний на-ноструктурированных СОТС, содержащих активные фуллероидные нано-модификаторы, на операциях сверления конструкционных материалов, применяемых в машиностроении // Вестник СГТУ. 2010. №3 (46). С. 49-55.
7. Долматов В.Ю. Детонационные наноалмазы: синтез, строение, свойства и применение // Успехи химии. 2007. № 4. С. 375 - 397.
8. Санников В.М., Корейбо Ю.М. О приработочной способности ультрадисперсного алмазо-графитного порошка // Ультрадисперсные материалы. Получение и свойства / под ред. А.М. Ставера. Красноярск: КрПИ, 1990. С. 155 - 161.
9. Использование УДП-АГ в смазочно-охлаждающих композициях для обработки металлов резанием / А.П. Шангин, В.Е. Редькин, Э.Д. Рак-шин [и др.] // Ультрадисперсные материалы. Получение и свойства / под ред. А.М. Ставера. Красноярск: КрПИ, 1990. С. 165 - 170.
10. Смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки металлов : пат. 2009186 РФ / В.Е. Редькин, А.М. Ставер, А.П. Шангин. Опубл. 15.05.92. Бюл. № 5.
11. Долматов В.Ю. Детонационные наноалмазы в маслах и смазках // Сверхтвёрдые материалы. 2010, № 1. С. 19 - 28.
Харченко Илья Владимирович, асп., ilya.kharchenko. [email protected], Россия, Симферополь, Крымский инженерно-педагогический университет
APPLICA TION OF NANOMODIFIERS FOR INCREASE IN EFFICIENCY OF LCTM
WHEN CUTTING METALS
I. V. Kharchenko
Review of works of scientists in the use of nanopowders as additives to lubricating-cooling technological means. Considered range of nanopowders. Presents directions of development of lubricant compositions with different content of nanomodifiers. The results of experimental studies of fulleroid nanomodifiers. The method of modification of lubricants ul-tradispersed diamond-graphite powders. Also described the use of diamond-graphite charge and detonation diamonds, and the results of their research. Covered the issues of aggregation of nanopowders, complexity, stabilization and uniform distribution of them in the amount of the lubricant.
Key words: nanopowders, additives, lubricant-cooling technological means, nano-modifiers.
Kharchenko Ilya Vladimirovich, postgraduate, ilya. kharchenko. 33@mail. ru, Russia, Simferopol, Crimean Engineering and Pedagogical University
