CC BY
30
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.822.6:532.5.516
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТЯЖЕЛЫХ РЕЖИМАХ ГРАНИЧНОГО ТРЕНИЯ
E.r.EepgH^eBCKHH
RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF LUBRICANTS UNDER HEAVY DUTY CONDITIONS OF BOUNDARY FRICTION
E. G.Berdichevskii
Политехнический институт НовГУ, Evsey.Berdichevsky@novsu.ru
Рассмотрено влияние реологических характеристик смазочных материалов на трибологические показатели процесса граничного трения, реализуемого в многочисленных приборах и устройствах микроэлектроники и радиотехники. Показано, что при определенных временах релаксации смазочных материалов, рассматриваемых как квазиупругое тело Максвелла, и с учетом эффекта Вейссенберга может быть достигнут значительный положительный результат. Результаты исследования позволяют создавать новые инновационные смазочные материалы для технологических процессов электронного приборостроения.
Ключевые слова: реология, смазочные материалы, контактное трение, высокоскоростные технологии
This article considers the influence of rheological characteristics of lubricants on tribological indicators of the boundary friction process realized in various devices for microelectronics and radio engineering. It is shown that at certain values of relaxation time of the lubricants considered as quasi-elastic Maxwell bodies, and taking into account the Weissenberg effect, the tangible positive result can be achieved. The research results allow creating new innovative lubricants for technological processes of electronic tool engineering. Keywords: rheology, lubricants, contact friction, high-speed technologies
Известно, что свойства технологических смазочных жидкостей в граничном слое могут существенно отличаться от их свойств в объеме. Различия затрагивают в первую очередь реологические свойства (вязкость, прочность, упругость, пластичность и т.д.), а через них и трибологические характеристики процесса граничного трения. Можно предположить, что различия особо значимы в условиях высокоскоростной упругопластической сдвиговой деформации и при наличии высоких локальных давлений и температур. Такие условия реализуются во многих технологических процессах обработки материалов, таких как абразивно-алмазное шлифование, ковка, штамповка взрывом, прокатка и т.д. Влияние реологического поведения смазочных сред в зоне фрикционного контакта на трибологические характеристики тяжелых режимов трения практически не изучено, что обусловлено сложностью задачи.
Смазочные жидкости в обычных условиях являются классическими ньютоновскими средами, механическая модель которых представлена на рис. 1а. В ньютоновской среде при постоянном напряжении деформации растут пропорционально времени. В граничном слое при наличии интенсивной сдвиговой деформации смазочная жидкость может вести себя как твердопластическое вещество (неньютоновская жидкость).
Рис.1. Механические модели жидких сред: а — модель Ньютона; б — модель Максвелла
Теоретический анализ поведения смазочной среды в граничном слое при абразивной обработке и ковке металлов показал, что смазка может приобретать упруговязкие свойства, т.е. трансформироваться в тело Максвелла [1]. Модель тела Максвелла представлена на рис. 1б.
Реологическое уравнение тела Максвелла имеет вид [2]:
У = Уо
G+i—
G y -л
(1)
б
а
где х — касательное напряжение, Па; п — вязкость при сдвиге, Пас; у - скорость сдвига, сек4; t — время, сек; G — модуль сдвига второго рода, Па.
В процессе деформации тела Максвелла изменение касательного напряжения во времени при ^ = 0,
у = уо имеет вид:
х ="ЛУо
1- exP|-p
(2)
Из (2) следует, что при у = const напряжение не остается постоянным и достигает равновесного значения при t = ж. При t > ti скорость деформации становится равной нулю, а деформация остается постоянной. В этом случае изменение напряжения во времени равно:
x = x1exp
t -1
(3)
Т "Л
= — — время релаксации, с.
G
Вышеприведенные уравнения показывают, что при постоянной деформации во времени напряжение во времени уменьшается по экспоненциальному закону. Это явление называется релаксацией напряжений. Время релаксации равно времени, в течение которого начальное напряжение уменьшается в е раз. Из этого следует важнейший вывод: если у смазочной жидкости в граничном слое время реклаксации будет больше времени сдвиговой деформации, то смазочный слой будет вести себя как квазитвердое упругое тело со всеми вытекающими трибологическими последствиями (снижение задира, износа, заедания, ко-эфициента трения и т.д.).
Изменению реологического статуса смазочной жидкости с вязкого тела на квазитвердое упругое способствует увеличение вязкости смазочного вещества в зоне контактного трения на выступах микронеровностей [3]. Показано, что вязкость масла на граничном фрикционном контакте увеличивается в разы, несмотря на противоположное действие температуры.
Если справедливо, что смазочный материал в зоне трения приобретает свойства квазиупругого тела, то следует ожидать проявление эффекта Вейс-сенберга (эффекта нормальных напряжений). Сущность эффекта состоит в том, что при течении упругих жидкостей в условиях простого сдвига возникают не только касательные, но и нормальные напряжения, ортогональные направлению сдвига. Это явление, необъяснимое с точки зрения классической гидродинамики, иллюстрируется рис.2 [4]. Как следует из рис.2, жидкость, обладающая упругостью, деформационное состояние которой характеризуется осевой симметрией, как бы стягивается нормальными напряжениями, противодействующими силам тяжести и центробежным силам. В случае вращения цилиндра с упругой или упруго-вязкой жидкостью последняя поднимается вверх по стенкам неподвижного внутреннего цилиндра (эксперимент б) или по неподвижному стержню (эксперимент в) и т. д.
Рис.2. Форма поверхности жидкостей в ротационных приборах при различных конструкциях и скоростях вращения наружного цилиндра: I — упругие жидкости с конечной обратимой деформацией; II — ньютоновские жидкости с очень малой обратимой деформацией. Скорости сдвига: 1 — нуль; 2 — средняя; 3 — большая; 4 — любая. Статор: а — отсутствует; б — цилиндр; в — стержень; г — открытая труба; д — закрытая снизу труба с отверстием; е — диск с пьезометрами; ж — диск
Эффект Вейссенберга установлен при изучении реологического статуса таких неньютоновских жидкостей, как масляные или водные растворы полимеров. Эффект экспериментально подтвержден на ротационном воскозиметре у 5-10% растворов поливинилового спирта в воде, в 3-процентных растворах полиизобути-лена в средневязком минеральном масле ИС-20. Эти среды вполне могут использоваться как основа для промышленных технологических смазочных материалов для высокоскоростных процессов обработки.
Расчеты показывают, что в ряде случаев проявление эффекта Вейссенберга весьма значимо. Возникающие в граничном смазочном слое во время фрикционного контакта нормальные напряжения могут существенно повлиять на механику контактного трения.
Реологическую активность смазочных материалов для тяжелых режимов контактного трения можно регулировать в нужном направлении изменением состава базовой среды.
Изменяя состав смазочных жидкостей, вводя в него длинноцепочечные молекулы полимеров, можно изменить время релаксации жидкостей и тем самым влиять на их упруго-вязкостные характеристики.
p
Время релаксации различных сред (по данным [5] и [6]) приведены в табл.1.
Таблица 1 Время релаксации некоторых сред
Среда Время релаксации, сек
Воздух 2 •Ю-10
Вода 3 10-6
Касторовое масло 2 10-3
Водный раствор полиоксиэтилена, 3% 30 10-3
Минеральное масло ИС-20+ 5% изо-бутилена 800 10-2
Силиконовое масло +0,5 % желатина 50- 10-2
Из таблицы следует, что у некоторых жидкостей время релаксации вполне соизмеримо со временем протекания реальной сдвиговой деформации при типовых режимах абразивно-алмазного шлифования и скоростной ковки.
При увеличении вязкости смазки в процессе «затвердевания» при высоких локальных давлениях время релаксации увеличивается на порядок.
Экспериментальная проверка гипотезы о трибо-логической эффективности материалов, проявляющих в граничном слое упругие свойства, проводилась на операции плоского шлифования образцов из стали Х18Н10Т. Режимы обработки: скорость резания — 35 м/сек, скорость возвратно-поступательного движения стола — 11 м/мин, глубина резания — 0,01 мм/дв.х.; шлифовальный круг 5П250Х25Х7514А28СМ1К7. Критериями эффективности смазочных материалов являлись: стойкость круга, Т (мин.), удельная производительность q = Qм / Qк, где Qм — объем сошлифованного металла, мм3, Qк — износ шлифовального круга, мм3.
В качестве смазочных композиций применялись модельные среды на водной и масляной основах. В водные растворы вводился гидрофильный полимер
— виниловый спирт. В индустриальное масло вводились полиизобутилен и канифоль (биологический полимер). Для сравнения испытывались типовые промышленные смазочные материалы: сульфофрезол и 5%-я эмульсия Укринол-1. Результаты испытаний приведены в табл.2
Анализ результатов показывает, что применение структурированных полимерных жидкостей, склонных к проявлению реологических эффектов, существенно повышает основные характеристики процесса шлифования. При переходе от типовой эмульсии к 5%-му водному раствору поливинилового спирта стойкость круга возросла почти вдвое, а удельная производительность — на 16%.
Чистые масла ИС-20 и сульфофрезол показали значительно худшие результаты по Т и q. Легирование масла ИС-20 канифолью и полиизобутиленом позволило значительно повысить основные показатели процесса шлифования.
Установленный существенный эффект от использования в качестве смазочных сред реологически активных композиций можно объяснить образованием в зоне фрикционного контакта зерно-металл упругой квазитвердой смазочной пленки, предотвращающей затупление абразивных зерен.
Реологическую активность смазочных сред можно регулировать изменением состава и свойств базовой основы, а также введением специальных веществ, которые можно позиционировать как реомо-дификаторы трения.
В дальнейшем, вероятно, будут разработаны композиции, реологический статус граничных смазочных слоев которых будет описываться более сложными моделями, чем модель Максвелла (модель Бингама, модель Шведова и др.). Но уже сейчас полученные результаты позволяют приступить к созданию инновационных смазочных материалов, образующих в трибозоне упругоэластичный слой с высоким временем релаксации.
Таблица 2
Сравнительные испытания смазочных полимерсодержащих композиций
№ п/п Смазочная композиция Стойкость круга, Т, мин Удельная производительность Усилие шлифования Ру, Н Усилие шлифования, Рх, Н
1 5%-я эмульсия Укринол-1 16,4 86,3 57 28
2 3%-й р-р поливинилового спирта в воде 29,2 118,7 52 27
3 5%-й р-р поливинилового спирта в воде 31,4 126,2 48 29
4 Касторовое масло 38,8 156,8 49 20
5 Сульфофрезол 24,1 120,2 53 24
6 Масло И-12+2% канифоли 36,5 144,4 51 23
7 Масло И-12+2% полиизо- 38,7 149,5 47 22
бутилена
8 Масло ИС-12+5% поли- 40,2 152,2 46 22
изобутилена
9 Масло ИС-12 19,6 101,8 59 28
Заключение
Для повышения качества и надежности скользящего контакта в приборах и устройствах электронного приборостроения и радиотехники предложены инновационные смазочные материалы, реализующие реологические эффекты, характерные для неньютоновских жидкостей.
1. Бердичевский Е.Г. Трение и смазка при пластической обработке металлов: монография. В.Новгород: НовГУ. 2011. 183 с.
2. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965. 224 с.
3. Богомолов Б.П. Экспериментальное определение области стеклования смазочных жидкостей при высоких давлениях // Вестник Московского университета. Сер. 2. 1988. Т.29. №1. С.10-12.
4. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. М.: Машиностроение, 1968. 270 с.
5. Бахрамов А.Д. и др. Акустические вязкоупругие свойства полимер-загущенных смазочных материалов и модельных систем // Вестник МГУ. Сер.7. 1987. Вып.3. №18. С. 110-118.
6. Skelland A.H. Non-Newtonion Flow and Heat Transfer. N.Y., 1967. 469 c.
References
1. Berdichevskii E.G. Trenie i smazka pri plasticheskoi obrabotke metallov [Friction and lubrication at plastic processing of metals]. Veliky Novgorod, NovSU Publ., 2011. 183 p.
2. Reiner M. Rheology. Berlin, Springer Verlag, 1958. (Russ. ed.: Reiner M. Reologiia. Moscow, "Nauka" Publ., 1965. 224 p.).
3. Bogomolov B.P. Eksperimental'noe opredelenie oblasti stek-lovaniia smazochnykh zhidkostei pri vysokikh davleniiakh [Experimental determination of vitrification areas of lubricating fluids with high pressures]. Vestnik Moskovskogo uni-versiteta, Seriia 2, 1988, vol. 29, no. 1, pp. 10-12.
4. Belkin I.M., Vinogradov G.V., Leonov A.I. Rotatsionnye pribory. Izmerenie viazkosti i fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik materialov [Rotational devices. Measurement of viscosity and physico-mechanical characteristics of materials]. Moscow, "Mashinostroenie" Publ., 1968. 270 p.
5. Bakhramov A.D. et al. Akusticheskie viazkouprugie svoistva polimer-zagushchennykh smazochnykh materialov i model'nykh sistem [Acoustic viscoelastic properties of polymer-thickened lubricants and model systems]. Vestnik MGU, Seriia 7, 1987, vol. 3, no. 18, pp. 110-118.
6. Skelland A.H. Non-Newtonion Flow and Heat Transfer. New York, Wiley, 1967. 469 p.
