CC BY
61
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК421.891:678.7 Ю. К. МАШКОВ
И. Л. ЗАХАРОВ В. В. СЫРКИН А. В. ТЮКИН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия. г.Омск
ТЕРМОДИНАМИКА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ
Рассматриваются зависимости износостойкости и трибоэлектрических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) от концентрации наполнителей и режимов трения, а также термодинамика трибофизических процессов, развивающихся в металлополимерных трибосистемах.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, трибоэлектрические процессы, термодинамика, износостойкость.
Прогнозирование долговечности узлов трения, а окончании приработки, стационарном состоянии или также ее увеличение предполагает изучение и о приближении катастрофическою изнашивания, использование закономерностей термодииамичес- В ряде работ приводится описание тепловых, кихпроцессов: электрических, физико-химических триботехпических, электрических процессов при и тепловых при фрикционном взаимодействии трении и предлагаются различные подходы для
твердых тел. При эгом выявление закономерностей количественной оценки характеристик трения и
даже одного такого явления при трении позволяете изнашивания с использованием параметров про-большинстве случаев установить корреляционные цессоп [1,2,3|.Однако при этом не всегда учитывается
зависимости между параметрами этого процесса и влияние формирующихся при трении трибосгруктур
трибологическими характеристиками пары трения. или итак называемого «третьего тела» на характер
Имея такие зависимости, можно в любой момент протекающих процессов. Количественные и качес-
времени по «отклику» трибосистемы на внешнее твенные изменении в «третьем теле» или в пленке
воздействие судить о ее состоянии, например об фрикционпо1’опереноса(пфп)вметаллонолимериых
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (90) 2010
парах трения па металлическом контртеле п процессе трения влияют на изменения параметров сопутствующих процессов.
Согласно теории создания структур Гленсдорфа-Пригожина, возникновение диссииативных трибо-структур можно считать результатом неустойчивости грибосистемы в переходном процессе приработки и обмен энергией и веществом с окружающей средой. Мерой скорости образования диссипативных трибоструктур является производство избыточной энтропии. Появление таких трибоструктур способствует переходу системы в стационарное состояние, когда термодинамические силы становятся постоянными (температура, давление, напряженность электрического поля в поверхностных слоях), а производство избыточной энтропии, связанное сдействием термодинамических сил, равно нулю. Это следует из определения избыточной энтропии |4|:
-JZ'.
v
dt
dV £0
(1)
где./, — термодинамический поток; V — объем системы, хк — термодинамическая сила.
Действительно, по окончании переходного процесса-приработки производная хь (температура, давление, напряженность электрического поля) станет равной нулю и система перейдет в устойчивое стационарное состояние.
Динамику трибосистемы, в частности металлополимерной, и ее способность к самоорганизации за счет проявления действия энергетического сигнала обратной связи можно рассмотреть на примере электроиоляризационных явлений при трении. Известно, что на поверхностях трения индуцируются заряды и создается трибоЭДС, в результате чего изменяется энтропия системы. В рамках неравновесной термодинамики этот вклад в изменение энтропии описывается выражением ] ' '
Т
dS„=Ul£JJt4lE'dVdt
(2)
где Г — абсолютная температура, Зк - термодинамический ноток зарядовА-й компоненты полимерной композиции; дк - индуцированный заряд /с-й компоненты полимерной композиции; £' — напряженность электрическою ноля. Режим устойчивого трения при минимальных значениях силы трения и интенсивности изнашивания реализуется при минимуме производства энтропии в трибосистеме, иоэтому для режима устойчивого трения можно принят!» с£и -> ГШП .
Исследование трибоэлектрических процессов и свойств ПКМ проводили на образцах ПКМ на основе ПТФЭ, содержащих в качестве наполнителей скрытокристаллический графит (СКГ) марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74) с удельной поверхностью частиц 55...70 м2/т, углеродное волокно (УВ), высушенное и измельченное в присутствии порошка ПТФЭ до размеров 50...500 мкм.
Для исследований трибоэлектрических эффектов и трибогехнических свойств ПКМ была разработана специальная установка, в рабочем узле которой реализуется торцовая схема трения палец-диск (рис.1).
Электрическое сопротивление образцов измеряли с помощью мегомметра марки ЭС 0210/1-Г, имеющего класс точности 2,5. Для регистрации и
Рис. 1. Схема исследований электрических эффектов, триботеянических свойств ПКМ: конструкция рабочего узла состоит из следующих деталей:
I - корпус-держатель полимерных образцов,
2 - металлическое кольцо, 3 - гайка крепления металлического патрона, 4 - металлический патрон,
5 - полимерный образец, б - самоустанавливающееся металлическое кошртсло, 7 - металлическая опора.
8 - текстолитовая изоляция, 9 - металлическое основание, 10 - металлический шарик, 11 - прибор, регистрирующий трибоЭДС
обработки электрического сигнала трибоЭДС использовали специальный ПК осциллограф и самописец марки КСП-4. Зависимость трибозаряда от температуры исследовали на установке, доукомплектованной электроизмерительным блоком, который состоял из баллистического гальванометра БГ, двух герконов и конденсатора постоянной емкости С. Для измерения момента силы трения использовали малогабаритный потенциометрический датчик давления ДМП-6А. Температуру изме-ряли с помощью термопары цифрового мультиметра марки MY - 62, погрешность измерений которого в интервале от 0 °С до 400 "С не превышала ± 1 %.
Для комплексной оценки взаимосвязи тепловых и грибоэлектрических процессов и установления зависимостей трибоЭДС и трибозаряда от температуры, конгактного давления и химического состава ПКМ использовался статистический метод планирования эксперимента. В качестве независимых изменяющихся параметров приняты контактное давление (механическая нагрузка), температура и концентрация углеродного модификатора.
Графики концентрационной зависимости скорости изнашивания (рис.2) при различных значениях контактного давления показывают, что при концентрации СКГ 5,0масс.% скорость изнашивания мало зависит от контактною давления и ее среднее значение приближенно равно 6,3-104 г/ч. Полученные зависимости имеют экстремальный характер. При концентрации графита 10... 15 масс. % наблюдаем ся минимальный уровень скорости изнашивания. Исключение составляет зависимость, полученная при давлении 1,5 МПа, где максимальная скорость изнашивания получена при концентрации 5 масс.% СКГ.
На графиках (рис.2) концентрационных зависимостей коэффициента трения видно, что ири концентрации наполнителя 5 масс.% и изменении контактного давления в интервале 1.5...3 МПа коэффициент трения с увеличением концентрации повышается незначительно. При давлении 2,0 МПа почти не изменяется, а при давлении 3,0 МПа вначале
ПРИБОР РЕГИСТРИРУЮЩИЙ ТРИБОЭДС
Рис. 2. Концентрационные зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения ПКМ при контактном давлении:
I - 1,5МПа; 2 - 2,0МПа; 3 - 3,0МПа
1- Т*29вК;2-Т»303К;3 Т-ЗОВК; 4 • т«шК; 5 • Т«11$ К; • -Т-323 И.
1 - р = 1,5 МП*:а - р = 2.0 МП»; 3 - р = 2,5 МП«:4 - р = 3.0 МПа.
а) б)
Рис. 3. Зависимости трибоЭДС: от контактного давления 1! = ((р)п температуры Ч-/(Т)
сігажастся и при 20 масс.% незначительно повышается.
Исследование электрических свойств ПКМ включало исследование концентрационных зависимостей электрического сопротивления, удельной проводимости, трибоЭДС и трибоэлектрического заряда.
Исследование зависимостей электрического сопротивления ПКМ проводили на образцах с двумя различными типами наполнителя при концентрации 5,10,15 и 20 масс. %. В первом случаев качестве наполнителя использовали ультрадисперсний скрытокристаллический графит, во втором случае измельченное углеродное волокно.
Установлено, что электрическое сопротивление образцов ПКМ остается постоянным и составляет 500 МОм, а при концентрации 20 масс.% электрическое» сопротивление равно 0,049 МОм, т.е. наблюдается его резкое уменьшение более чем в 10000 раз. Следовательно, в интервале концентрации СКГ от 15 масс.% до 20 масс.% находится критическая концентрация. при которой может происходить качественное изменение структуры ПКМ и характера распределения частиц СКГ, приводящее к резкому увеличению электрической проводимости.
В ПКМ с измельченным УВ характер зависимости электрического сопротивления от концентрации сущесгвенно отличается. Уже при концентрации УВ 5 масс.% образец ПКМ приобретает способность проводить электрический ток. Значение электрического сопротивления при этой концентрации составляет 0,022 МОм. При дальнейшем увеличении концентрации от 5 до 10 масс.% сопротивление ПКМ резко уменьшается и происходит его изменение более чем в 12 раз. Можно полагать, что для измельченного УВ критическая концен трация находится в диапазоне концентраций от 5 до 10 масс.%.
Таким образом, изменяя концентрацию и геометрическую форму частиц наполнителя, обладающего электропроводящим свойством, можно не только изменять значение электропроводности ПКМ, но и механизм электропроводности. Проводимость в ПКМ
Рис. 4. Графики зависимости величины заряда от температуры для образцов с различной концентрацией СКГ
в зависимости от вида наполнителя и его концентрации может осуществляется за счет эмиссии электронов через зазоры между частицами и (или) переносом заряда через цепочки, в которых частицы имеют непосредственный контакт |5|. Использование ранее полученных нами результатов позволило сделан» вывод о том, что механизмы электропроводности связаны с различием ироцессов формирования фазового состава ПКМ и надмолекулярной структуры полимерной матрицы |6|.
Зависимости трибоЭДС от контактного давления 1)=Др) при различных значениях постоянной температуры зависимости трибоЭДС оттемнературы 11=/ГГ) при различных значениях постоянного давления приведены на рис. 3.
Полученные результаты показывают, что увеличение контактного давления приводит к снижению трибоЭДС (рис. За), а также к уменьшению градиента трибоЭДС по темиературе (рис. 36). Результаты иолиномной аппроксимации показали, что в интервале температур от 298 К до 323 К зависимости трибоЭДС от контактного д авления могут бы ть описаны уравнениями вида ІІ = ар3+Ьр1-ср+с11 где а,Ь,с,(1 — коэффициенты, характерные для определенного контактного давления и температуры. Также установлено, 4-ю трибоЭДС уменьшается при увеличении температуры и чем выше температура, тем меньше разница
мкКл
60
350 Т. К
между значениями трибоЭДС ири различном контактном давлении. Характер полученных экспериментальных зависимостей и —/ (Т) для кристаллоаморфного полимера ПТФЭ можно объяснить с привлечением положоіїий зонной теории, согласно которым работа выхода электрона из иолимера уменьшается при увеличении температуры, а вследствие чего уменьшается трибоЭДС (6,7].
Графики зависимостей трибоэлектрического заряда от температуры для образцов ПКМ с концентрацией СКГ 10, 15 и 20 масс.% в интервале температуры 298...343 К приведены на рис. 4. Как видно из графиков, характер полученных зависимостей аналогичен характеру зависимостей трибоЭДС от температуры. При аппроксимации результатов измерения трибозаряда получены уравнения вида
0 = аҐ+ЬТ+сТ+ії, где а,Ь,с и с/ — некоторые коэффициенты, характерные для определенной температуры и концентрации.
Зависимости трибоЭДС от контактного давления и температуры исследовали с разработкой факторного эксперимента. Получено уравнение регрессии в кодовых значениях контактного давления р и температуры Т.
и = 4.9-1, 0х,-0.25х2 (3)
Из уравнения (3) видно, что контактное давление оказывает значительно большее влияние на величину трибоЭДС, чем температура. Увеличение давления и температуры ириводит к уменьшению грибоЭДС.
Следовательно, для снижения трибоЭДС необходимо создавать условия работы для узла трения при повышенных значениях контактного давления.
Для оценки совместного влиянии концентрации С наполнителя СКГ и температуры Т на трибоэлект-рический заряд проводили факторный эксперимент, по результатам которого получено уравнение регрессии в натуральных величинах варьируемых факторов:
<7= 129,6- 1,ОС- 0,287 (4)
Из полученного уравнения видно, что увеличение концентрации наполнителя и температуры приводит к снижению величины электрического заряда.
На основе известных линейных законов Онзагера, позволяющих связать между собой изменение энтропии трибосистемы, тепловые, электрические и другое эффекты с использованием зависимостей для производства энтропии от физико-химических процессов в локальных объемах автором работы [5| обоснована и разработана термодинамическая модель металлополимерной трибосистемы, позволяющая оценить интенсивность изнашивания^.
где - тепловой поток; Jk - диффузионный ноток к-й компоненты - химический потенциал А-й компоненты; - заряд А-й компоненты; Є и В' -напряженность электрического ноля и индукция магнитного поля; с. — плотность; Р — площадь трения;
1 - путь трения; Ф - тензор давления; о — вектор скорости; 5* - удельная энтропия; Т — абсолютная температура. Согласно выражению (2) в уравнении (5) первое слагаемое подынтегрального выражения отражает вклад диффузионных потоков в изменение
энтропии системы за счет возникающего при трении электрического поля. Подставив в уравнение (5) выражение (4) для электрического заряда д = 129,6 — 1,0 С — 0,28Г, получим уравнение, в котором трибо-заряд выражается через температуру и концентрацию наполнителя.
//<'»•«-'.ОС -0.28Г)-Ф
Выражения (4), (5) и (6) представляют собой термодинамическую энтропийную модель металлополимерной трибосистемы, как открытой термодинамической системы. Эта модель расширяет возможность оценить интенсивность изнашивания металлополимерной пары трения на этапе проектирования с учетом физико-химических процессов в зоне трения и физических свойств изнашиваемого материала.
На основе исследования электрических свойств ПКМ предложена методика, позволяющая прогнозировать износостойкость разрабатываемых ПКМ на основе ПТФЭ без проведения исследования триботехнических свойств (массовая скорость изнашивания и коэффициент трения) путем измерения трибоЭДС в металлополимерном узле трения, что не представляет серьезной проблемы и не занимает значительного времени в отличие от исследования износостойкости ПКМ.
Выводы:
1. Получены зависимости трибоЭДС от концентрации ультрадисперсного наполнителя при различном контактном давлении, они имеют два участка с различными градиентами снижения величины грибоЭДС.
2. Зависимости трибоЭДС от контактного давления также имеют два участка, характеризующиеся различными градиентами уменьшения трибоЭДС, с повышением температуры трибоЭДС монотонно уменьшается при любом уровне контактного давления, что, согласно зонной теории, обуславливает уменьшение разности работ выхода электрона у полимера и металла.
3. Процесс трибоэлектризации сопровождается накоплением электрического заряда в поверхностном слое ПКМ, величина которого с увеличением концентрации и температуры монотошю уменьшается.
4. Ведение электропроводящих углеродных наполнителей: ультрадисперсного (СКГ) и волокнистого вида (У В) оказывает существенное влияние на электросопротивление и удельную проводимость ПКМ, при концентрации УВ более 5 масс. % или концентрации СКГ более 15 масс. % ПКМ утрачивает свойства диэлектрика, переходит в класс электропроводящих материалов.
5. Зависимость трибоэлектрического заряда от одновременно изменяющихся концентрации углеродного наполнителя и температуры описывается уравнением регрессии, использование которо-го в качестве математического выражения для трибоэлектрического заряда в энтропийной модели метал-лополимерной трибосистемы является развитием этой модели и позволяет получать более точные оценки интенсивности изнашивания металлоноли-мерных трибосистем.
Библиографический список
1 Бауден, Ф. Трение и смазка твердых тел / Ф. Бауден, Д.Тейбор// иер.сангл. - М.:Машиностроение, 1968. — 542с.
2. Рыжхин, А.А. Термодинамический метод оценки интенсивности изнашивания трущихся материалов / А.А. Рыжкин, А.И. Филипчук, К.Г. Шучев, М.М. Климов // Трение и износ. -1982. - Т. Ш, №5. - С. 867 - 872.
3. Машков, Ю.К. Динамика процессов трепия металло-нолимерных трибосистем / Ю. К. Машков, А. И. Блесман // Долговечность трущихся деталей машин : сб. науч. ст. под ред. д.т.и. Д.Н. Горхунова. — М. : Машиностроение, 1990. — С. 244-253.
4 Журавлев, В.А. Термодинамика необратимых процессов / В. А. Журавлев// — М.: Наука, 1979. — 134 с.
5. Машков. Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта / Ю.К. Машков. - Омск: Иад-шОмГТУ, 1997. - С. 192
6. Машков, Ю.К. Трибозлектрические процессы при трении твердых тел: межвуз. сб. тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Ю.К. Машков, А.В. Тюкин. - Омск : СнбАДИ,
2005. - Вып.2 - 4.1. - С.106- 113.
7. Машков, Ю.К. Влияние контактного давления на трибо-ЭДС металлоиолимерной пары трении / Ю.К. Машков. АВ. Тюкин. А.Б. Разборов. — Омский научный вестник. - Омск : ОмГТУ,
2006,- Выи.8 (44). — С. 72-74.
МЛШКОВ Юрин Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.
ЗАХАРОВ Игорь Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры физики.
СЫРКИП Владимир Васильевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой прикладной механики.
ТЮКИН Александр Владимирович, старший преподаватель кафедры физики.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.01.2010 г.
© Ю. К. Машков, И. Л. Захаров, В. В. Гыркнн, А. В. Тюкин
УДК 621.822.5:677.494.743.41
Д. А. НЕГРОВ Е. Н. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА
В статье рассматривается влияние параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и разработка на этой основе технологии изготовления подшипников скольжения.
Ключевые слова: подшипники скольжения, технология ультразвукового прессования, политетрафторэтилен, механические свойства, интенсивность изнашивания, коэффициент трения.
В настоящее время детали узлов трения, изготовленные из различных металлов и сплавов, постепенно заменяются полимерами и полимерными композиционными материалами, в частности на основе политетрафторэтилона [ 11. Это позволяет понизить себестоимость изделий, повысить их надежность и долговечность. В то же время область применения этих материалов очень ограничена, поскольку они обладают недостаточно высоким пределом прочности и модулем упругости, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при трении и интенсивному изнашиванию.
Существующие способы повышения механических и триботехнических свойств политетрафторэтилена. такие как введение модификаторов в полимерную матрицу и изменение режимов технологических операций (измельчение и перемешивание компонентов, прессование, термообработка) позволяют частично решить эту проблему.
Для более эффективного решения этой задачи
необходимо применение новых методов и технологических способов, которые позволили бы существенно повысить механические и триботехнические свойства полимеров и тем самым расширить область их применения в производстве. Поэтому данная работа, посвященная совершенствованию технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, является актуальной.
Основной технологией, используемой при производстве изделий из полимерных композиционных материалов, является прессование из порошков заготовок и их последующее спекание. При прессовании фактически закладываются будущие свойства изделий — плотность, прочность, упругость, износостойкость и равномерное распределение этих характеристик по всему объему изделия [2].
Для повышения качества прессования получили применение способы уплотнения порошков с наложением вибрации. Под действием вибрации силы
