CC BY
55
CALCULATING STRESS-STRAIN STATE PARAMETERS OF A BILLET MADE FROM
HARDENING MA TERIAL
V.F. Kuzin, V.M. Lialin, Phan Ngoc Tu, V.A. Korotkov
The article describes how to determine the stress-strain state of a billet that is being
pulled.
Key words: finite elements, boundary conditions, absolute strain and stress.
Kuzin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, avku-zin@hotbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lyalin Viktor Mihaylovich, doctor of technical sciences, professor, te-vel71@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fan Ngok Tu, postgraduate, avkuzin@hotbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korotkov Viktor Anatolevich, candidate of technicale scinses, senior researcher, av-kuzin@hotbox. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.2.082.18
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИГЕТЕРОАРИЛЕНА «Р-ОООД»
С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ НАНОЧАСТИЦ ДИСЕЛЕНИДА
ВОЛЬФРАМА
А. Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А. Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко,
Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов
Представлены результаты исследования триботехнических свойств композиционных покрытий с матрицей из полигетероарилена Р-ОООД и наполнителем из на-ночастиц диселенида вольфрама. Для создания композиционного материала были использованы полученные методом газофазного синтеза наночастицы диселенида вольфрама со средним размером 60х5нм.
Ключевые слова: полигетероарилены, композиционные покрытия, дихалькоге-ниды вольфрама, наночастицы, газофазный синтез, сухое трение, износ.
Известно [1], что многие полигетероарилены относятся к классу трибополимеров. К таким полигетероариленам относятся полиимиды. Данные материалы отличаются высокой термической и термоокислитель-
181
ной устойчивостью. Они начинают разлагаться на воздухе только в области температур 350...450 °С, а в вакууме или инертной среде - при 500 °С. Полиимиды относятся к самым радиационностойким материалам, что в сочетании с малой летучестью делает их перспективными для применения в узлах трения, работающих в вакууме.
Изделия из данных материалов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200.260 °С. Например, полиимид ПМ-69 сохраняет 90 % прочности при изгибе после 500 ч работы при 250 °С и после 100 ч работы при 300 °С. Ценным свойством полиимидов является высокое сопротивление ползучести, особенно при высоких температурах. Возможность их применения для изготовления деталей высокой точности обеспечивается их малой усадкой (0,7.1,0 %) при прессовании и спекании и небольшим (0,2.0,3%) водопоглощением [1].
Активно создаются и композиционные материалы на основе поли-гетероариленов с добавлением наполнителей из частиц графита, дисульфида молибдена (рис.1) [4], нитрида бора и других слоистых модификаторов трения [2]. Данные высокоанизотропные дисперсные наполнители обладают различной прочностью на срез в разных направлениях кристаллической решётки, в связи с чем в трибологии они отнесены к твёрдым смазочным материалам. Частицы твёрдых смазочных материалов взаимодействуют с поверхностями деталей и в процессе трения ориентируются базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил. Именно в этом направлении сопротивление срезу незначительно, что и объясняет механизм смазочного действия твёрдых смазочных веществ. Известно, что коллоидные дисперсии твёрдых смазочных материалов проявляют проти-возадирные, противоизносные, антифрикционные и антипиттинговые свойства [3].
Широкое применение в технике получили композиционные материалы с наполнителем из частиц дисульфида молибдена (рис. 1) [4].
Рис. 1. Структура гексагональной модификации дисульфида
молибдена 2И-Мо82 [4]
Известно, что существуют дихалькогениды с лучшими антифрикционными свойствами и термостабильностью, чем дисульфид молибдена [5]. К таким модификаторам трения относится диселенид вольфрама WSe2 (таблица).
Характеристики некоторых дихалькогенидов [5]
Соединение Структурный Термостабильность, 0С Коэффициент
тип Воздух Вакуум трения
M0S2 2H-MoS2 200-350 900 0,02...0,30
MoSe2 2H-MoS2 400 1350 0,02...0,22
WSe2 2H-M0S2 350 1350 0,02.0,185
NbSe2 2H-M0S2 +политипы 350 1350 0,06.0,17
Известно применение диселенида вольфрама в качестве наполнителя для создания жидких и пластичных смазочных композиционных материалов [6, 7]. В связи с широкой номенклатурой полигетероариленов и развитием нанотехнологий возникает необходимость исследований полимерных композиционных материалов, содержащих наночастицы диселе-нида вольфрама.
Целью настоящей работы является оценка триботехнических свойств композиционных покрытий с матрицей из полиимида «Р-ОООД» и наполнителем из полученных методом газофазного синтеза наночастиц диселенида вольфрама со средним размером частиц 60х5 нм.
В границах данного исследования в качестве полимера для связующего наночастиц диселенида вольфрама, исходя из анализа литературных данных [8], был выбран полигетероарилен «Р-ОООД», разработанный в ИВС РАН.
Для оценки трения и изнашивания исследуемых полимерных покрытий была использована машина трения 2070 СМТ-1 (аналог машины трения ИИ5018). Для реализации данного исследования в условиях скольжения поверхностей использовалась схема испытаний «прямоугольный образец - ролик» удобная для осуществления экспресс оценки трения и износа полимерных покрытий. Подвижный образец состоял из стали Р6АМ5, неподвижный (прямоугольный брусок) - из стали У8А с нанесённым на него полимерным покрытием. Трущиеся образцы приводились в контактное взаимодействие в процессе вращения подвижного образца. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реали-зовывалось с нормальной силой W=25H=const. Частота вращения подвижного образца составляла n = 500 об/мин = const. Диаметр ролика составлял dp = 50 мм. Размеры прямоугольного контртела с покрытием 20х10х5. Время одного испытания в условиях выбранных параметров составляло U = 30 с.
Зависимости трения и износа от концентрации наноструктур из частиц диселенида вольфрама в полигетероарилене Р-ОООД, нанесённом на стальной подложке, в режиме сухого трения скольжения по стальной поверхности приведены на рис.2.
3
Н &Г
13 я
и £ я
и
о
а
Концентрация наполнителя, по массе, %
Рис. 2. Зависимости фрикционных характеристик композита
на основе Р-ОООД от концентрации WSe2 (сухое трение): 1 - зависимость ширины лунки износа, 2 - зависимость момента трения от концентрации; 3, 4 - зависимости ширины лунки износа и момент трения для стальной подложки
Полученные данные показывают уменьшение энергетических потерь на трение до концентрации 2 %, после чего происходит их увеличение. Также происходит приращение износа при увеличении концентрации наноструктур из частиц диселенида вольфрама в полиимиде марки Р-ОООД. Вместе с тем, характеристики трения и износа у полученных покрытий получаются меньше, чем при фрикционном взаимодействии подложки со стальной поверхностью:
- итоговый износ образца с базовым покрытием Р-ОООД (без наполнителя) на 72 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» Р-ОООД был на 28,6 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;
- итоговый износ образца с покрытием Р-ОООД+1%WSe2 на 48 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» Р-ОООД+1 %WSe2 был на 38 % меньше, чем в паре «сталь - подложка»;
184
- итоговый износ образца с покрытием Р-ОООД+5%WSe2 на 16 % меньше, чем износ подложки. При этом за указанное время изнашивания, момент трения в паре «сталь - покрытие» Р-ОООД+5 %WSe2 был на 19 % меньше, чем в паре «сталь - подложка».
Данные покрытия можно относить как к противоизносным, так и к антифрикционным.
На основе полученных результатов лабораторных исследований триботехнических свойств композиционных покрытий с полиимидной матрицей «Р-ОООД» и наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама в режиме сухого трения скольжения можно сделать следующие основные выводы
1. В результате проведённых исследований получен массив экспериментальных данных, подтверждающих эффективность используемого базового полигетероариленного покрытия «Р-ОООД» без наполнителей: в жестких условиях испытаний момент трения у покрытия меньше, чем у подложки на 28,6 %, ширина лунки износа у базового покрытия на 72 % меньше, чем у подложки.
2. Чистое полигетероариленное покрытие «Р-ОООД» показало хорошие результаты по износу и трению, причём с увеличением концентрации наноструктур данные показатели на определенном интервале либо не улучшают свойства, либо приводят к их некоторому ухудшению, однако в данных условиях лабораторных триботехнических испытаний сохранялись исходные свойства полимера и не происходила его деструкция за короткие интервалы испытаний, которая происходит в процессе длительной эксплуатации. Можно полагать, что действие наноструктур будет проявляться более существенно по мере интенсификации деструкции полимера и постепенного ухудшения изначально заложенных в него свойств. Кроме того, композиты с наноструктурами показали на всём выбранном интервале концентраций лучшие триботехнические свойства, чем выбранный материал подложки.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научного проекта: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553 в рамках государственного задания при финансовой поддержке Минобрнауки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014.
Список литературы
1. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учебник для вузов / под ред. Д.Г. Громаковского Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2000. 268 с.
2. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты. пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского. М.: Химия, 1988. 488 с.
3. Смазочные материалы; антифрикционные и противоизносные свойства; методы испытаний: справочник / под ред. Р.М. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновский [и др.] М.: Машиностроение, 1989. 224 с.
4. Диспергирование слоистых дихалькогенидов молибдена и вольфрама и получение тонких пленок из их коллоидных дисперсий / В.Е. Федоров, Ю.В. Миронов, С.Б. Артемкина, Е.Д. Грайфер. // Вюник НТУ «ХП1». 2013. № 57 (1030), 2013. С. 168 - 175.
5. Марченко Е.А., Лобова Т. А. Использование диселенидов тугоплавких металлов для обеспечения стабильности работы узлов трения // Вестник научно-технического развития. Национальная технологическая группа. № 5 (21), 2009. С.16 - 21.
6. Применение мелкодисперсного диселенида вольфрама для улучшения трибологических характеристик масел и пластичных смазок / И.А. Буяновский, Т.А. Лобова, Е.А. Марченко, И.П. Чулков // Механизация строительства. 2014. № 5. С. 11-14.
7. Новые смазочные композиции с добавками порошков диселени-дов молибдена и вольфрама / Т.А. Лобова, М.В. Лобанов, И.П. Чулков, О. А. Саяпин // Вестник машиностроения, № 7, 2004. С. 40 - 44.
8. Светличный В.М., Кудрявцев В.В. Полиимиды и проблема создания современных конструкционных и композиционных материалов/ Высокомолекулярные соединения. 2003. Сер. А. Т.45. № 6. С. 1 - 52.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, зав. лабораторией по основам трения и смазки, а1Ътек1@уапйех.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, зав. лабораторией трения и износа ИПМаш РАН, {аё1трЪ@,уапёвх.ги, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,
Диденко Андрей Леонидович, канд. хим. наук, старший научный сотрудник лаборатории синтеза новых высокотермостойких полимеров ИВС РАН, уат-lin72@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт высокомолекулярных соединений РАН,
Кудрявцев Владислав Владимирович, д-р хим. наук, проф., заведующий лабораторией синтеза новых высокотермостойких полимеров ИВС РАН, vanilin72@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт высокомолекулярных соединений РАН,
Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса «Материалы и технологии», plast-ftim@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., katrinfr@,inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@ tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав. кафедрой, stari-kov taii@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodmyt@rambler.ru, Россия, Тула, ООО «Научно-производственное предприятие «Вулкан-ТМ»
TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF COMPOSITE COA TINGS ON THE BASIS OF POLYHETEROARYLENES «R-OOOD» FILLED WITHNANOPARTICLES OF TUNGSTEN
DISELENIDE
A.D. Breki, Yu.A. Fadin, A.L. Didenko, V.V. Kudryavtsev, O.V. Tolochko, E.S. Vasilyeva, A.E. Gvozdev, N.E. Starikov, D.A. Provotorov
The results of a study of the tribological properties of composite coatings with a matrix of poligeteroarilenes R-OOOD and filled with nanoparticles of tungsten diselenide are presented. To create the composite material were used obtained by chemical vapor deposition of tungsten diselenide nanoparticles with an average size 60h5nm.
Key words: poligeteroarilenes, composite coatings, dichalcog-tungsten, nanoparticles, the gas-phase synthesis, dry friction, wear.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of chair, Head. Laboratory on the basics of friction and lubrication, albre-ki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Fadin Yuri Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, head. the laboratory of friction and wear IPMash RAS, fadinspb@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Institute of Problems of Mechanical Engineering RAS,
Didenko Andrey Leonidovich, candidate of chemical sciences, docent, senior researcher of the laboratory of synthesis of new high-heat-resistant polymers IVS RAS, vani-lin72@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Institute of Macromolecular Compounds RAS,
Kudryavtsev Vladislav Vladimirovich, doctor of chemical sciences, professor, head of the laboratory of synthesis of new high-heat-resistant polymers IVS RAS, vani-lin72@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Institute of Macromolecular Compounds RAS,
Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex "Materials and technologies", plast-ftim@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Vasil'eva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Gvozdev Alexander Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@,tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula LN Tolstoy State Pedagogical University
Starikov Nikolay Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, starikov taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, Leading Design-Engineer, prodmyt@rambler.ru, Russia, Tula, Scientific-Manufacturing Enterprise «Vulkan-TM»
УДК 621.922: 621.921.34
НОНМИКСИНГОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
А.В. Евсеев, М.С. Парамонова
Рассмотрены нонмиксинговые технологии и оборудование для получения многокомпонентных смесей сыпучих материалов на основе детерминированного формирования их однородности.
Ключевые слова: технологии, смешение, оборудование смешения.
Приготовление однородных по составу смесей из твердых материалов, находящихся в зернистом или порошкообразном состояниях, является широко используемым в различных отраслях промышленности процессом [1, 2].
В частности, в инструментальной промышленности при производстве алмазных кругов весьма важно для достижения высокой стойкости получить равномерное распределение по всему объему алмазных зерен. В строительной индустрии при приготовлении сухих смесей необходимо равномерно распределить составляющие компоненты, в комбикормовой
