CC BY
119
УДК 669.018.45:678.4
Е. П. ЦЕЛЫХ Д. А. ПОЛОНЯНКИН Е. А. РОГАЧЕВ В. И. СУРИКОВ
Омский государственный технический университет
№
УЛУЧШЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЕЗИНЫ ПУТЕМ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ТУГОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИ
В работе анализируется влияние поверхностного модифицирования резины тугоплавкими металлами: молибденом, вольфрамом и танталом — на истираемость и коэффициент трения по металлу. Показано, что при заданной технологии напыления поверхность представляет собой наноструктурированную пленку. При этом наблюдается улучшение триботехнических и других эксплуатационных свойств резины.
Ключевые слова: резина, тугоплавкие металлы, наноструктурированные покрытия, истираемость, коэффициент трения, шероховатость.
Резинотехнические изделия (РТИ) находят свое применение практически во всех отраслях промышленности. В связи с этим становится очевидной экономическая целесообразность выпуска РТИ с повышенными эксплуатационными свойствами. Создание конкурентоспособной продукции невозможно без разработки материалов и изделий, обладающих высокой сопротивляемостью маслам, высоким температурам, различным видам разрушения и изнашивания. Большинство марок резин характеризуются высокими коэффициентами трения, недостаточной износостойкостью в узлах трения и герметизации [1].
В последнее время перспективным подходом к улучшению триботехнических параметров и эксплуатационных свойств РТИ является их поверхностное модифицирование, преимуществом которого является возможность обрабатывать уже готовые РТИ без изменения технологии их производства [2]. Одним из перспективных методов в этом направлении является ионно-плазменный метод напыления на поверхность резин наноди-сперсных тугоплавких металлов [3]. Для развития и совершенствования методик нанесения защитных покрытий чрезвычайно важно исследовать связь измеряемых триботехнических параметров [4, 5], таких как коэффициент трения, износостойкость, адгезия со структурой и составом поверхностного слоя. Использование новых методов в сочетании с традиционными для РТИ методами испытаний позволяют выявить механизм и характер разрушения модифицированных покрытий, установить связь между структурой поверхности и ее износостойкостью. К сожалению, эта проблема в настоящее время остается недостаточно исследованной.
Целью данного исследования являлось изучение влияния процесса модифицирования на триботех-
нические параметры РТИ, такие как износостойкость и коэффициент трения. В качестве объекта исследования использовали резину на основе кау-чуков БНКС-28 АМН и Денка РБ-40А, а в качестве модификаторов — тугоплавкие металлы: молибден, вольфрам и тантал.
Для формирования покрытий на поверхности резиновых образцов использовали установку магне-тронного ионно-плазменного напыления ДОУЛУЛС УЗМ-200.
Ионную чистку поверхности подложки перед нанесением покрытия производили непосредственно в рабочей камере в течение 10 мин при мощности 100 Вт, давление аргона составляло (3,3 4 3,4) • 10-1 Па. Сам процесс напыления проводили в течение 30 мин в аргоновой среде при давлении 3,3 4 3,4 • 10-1 Па, что позволяло получить пленку толщиной 38 нм. Оптимальные значения температур подложки (80, 90 °С) были определены эмпирически, посредством исследования влияния процесса модифицирования РТИ на истираемость и коэффициент трения исходной и модифицированной резины [6].
Сравнительный анализ результатов испытаний резины на истираемость и коэффициент трения (ГОСТ 426-77) по металлической поверхности при температуре напыления 80 и 90 °С приведен в табл. 1.
По результатам испытаний исходной и модифицированной резины достигнуто снижение истираемости по металлическому диску в 2 4 3 раза для образцов, модифицированных металлом Мо, в 1,2 4 2,0 раза — металлом Ш, в 1,2 4 1,5 раза — металлом Та; коэффициент трения для всех образцов снизился в 1,5 4 1,8 раза по сравнению с исходной резиной. Для коэффициента трения наилучшие результаты получены для резины с покрытием из молибдена. Микроскопические исследования особенностей структуры поверхностного слоя
Результаты испытаний резины, модифицированной металлами Мо, W и Та по металлической поверхности
Таблица 1
Образцы исходные и напыленные при температуре Результаты испытаний образцов по металлической поверхности
а — истираемость резины, см3/кВтч ц — коэффициент трения
Мо W Та Мо W Та
Исходные1 0,54 0,57 0,57 0,92 0,80 0,80
при 80 °С 0,20 0,28 0,32 0,62 0,51 0,50
при 90 °С 0,16 0,47 0,45 0,50 0,55 0,43
Примечание: изготовление образцов для испытаний проводили на двух партиях резины, одна из которых применялась для изготовления образцов, модифицированных Мо, вторая — W и Та.
в) г)
Рис. 1. Микрофотографии поверхности резинового образца до (а) и после напыления металла Мо (б), Та (в) и W (г)
образцов проводились с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM 5700 в режиме высокого вакуума. Тип сигнала — вторичные электроны (SEI). Микрофотографии поверхностей исходной резины до напыления и модифицированной металлами Мо, W и Та до проведения испытаний на сопротивление истиранию приведены на рис. 1.
Структура и состав поверхностного слоя во многом определяют износ (истираемость), а в дальнейшем и ресурс работоспособности РТИ. Поверхность исходного резинового образца (рис. 1а) содержит большое количество микрошероховатостей, контактирующих при истирании с твердым телом — с металлом. При этом после напыления образцов характер шероховатости поверхности модифицированной резины существенно изменился. На рис. 1б, 1в и 1г представлены микрофотографии поверхности модифицированных металлами Мо, Та и W, из которых следует различие в структуре покрытий при их формировании.
Для изучения свойств профиля поверхности образцов использовали программу Gwyddion — модульную программу, предназначенную для анализа
полей высот. Шероховатость представляет собой совокупность микронеровностей на поверхности резины или изделия и является одной из основных геометрических характеристик качества поверхностей изделий и оказывает влияние на эксплуатационные показатели. В табл. 2 представлены основные характеристики шероховатости поверхности.
Как следует из таблицы, значения Ra, Rt и Rv поверхности исходной резины находятся выше значений поверхности, покрытой металлами вольфрама и тантала, в несколько раз. Значения Ra, Rt и Rv для исходной резины и с пленкой молибдена находятся практически на одном уровне. Возможно, это связано с особенностями структуры покрытия для данного металла.
Сопоставляя данные шероховатости с результатами по истиранию и коэффициенту трения, можно обнаружить, что для образцов с покрытием Мо наблюдаются наибольшее снижение истираемости и самый высокий коэффициент трения. Значения этих показателей для W и Та находятся на одном уровне, как и результаты по шероховатости. Снижение этих параметров, по-видимому, являются причиной улучшения триботехнических свойств.
Характеристики шероховатости поверхности
Таблица 2
Характеристики Образцы
Исходные Mo W Ta Mo по металлу
Шероховатость
Средняя шероховатость (Ra), 0,127 0,144 0,061 0,0331 0,0335
Максимальная высота шероховатости, (Rt), ^ш 1,577 1,445 0,590 0,3229 0,3152
Максимальная глубина впадины шероховатости (Rv), ^ш 0,812 0,646 0,293 0,1563 0,1538
№
Таблица 3
Физико-механические показатели исходной и модифицированной Мо
Наименование показателей Результаты испытаний резины
Исходные Мо
Условное напряжение при 100% удлинении, МПа 3,58 4,70
Условное напряжение при 300% удлинении, МПа 11,83 12,89
Условная прочность при растяжении, МПа 13,83 14,59
Относительное удлинение при разрыве, % 400 390
Относительная остаточная деформация после разрыва, % 11 7
Одно из условий нанесения покрытий — улучшая одни свойства резины (истираемость и коэффициент трения), необходимо не допустить ухудшения деформационно-прочностных характеристик, т. е. не потерять эластичность резины. Были проведены испытания физико-механических свойств исходной резины и модифицированной металлом Мо по режиму, указанному выше, при температуре напыления 80 °C. Покрытие наносили с одной стороны рабочего участка образцов-лопаток. Испытания проводили по ГОСТ 270-75 по следующим показателям, указным в табл. 3.
Анализ результатов испытаний физико-механических свойств показал, что нанесение металлического покрытия Мо приводит к незначительному повышению условного напряжения при 300 % удлинении с 11,83 до 12,89 МПа, с уменьшением относительной остаточной деформация после разрыва (11 — 7 %). Условная прочность при растяжении повысилась с 13,83 до 14,59 МПа, что указывает на улучшение прочностных свойств данной резины, при сохранении практически на одном уровне относительного удлинения (400 — 390 %). Таким образом, показатели по упругопрочностным свойствам остались практически на одном уровне.
На основании полученных результатов можно сделать выводы, что повышение триботехнических свойств резин возможно за счет:
— формирования пленки или слоя из высокопрочного, износостойкого материала на подложке (поверхности резины) путем подбора соответствующего технологического режима напыления;
— изменения состава поверхностного слоя основного материала вследствие его насыщения ионами металлов;
— формирование структуры поверхности покрытия в нанометровом диапазоне, изучая в даль-
нейшем влияние характеристик профиля покрытия на триботехнические и эксплуатационные свойства.
Одной из важных задач является разработка различных режимов ионно-плазменного модифицирования поверхностных слоев при создании изделий с новыми триботехническими свойствами, при этом одним из направлений исследования является изучение характера влияния параметров поверхностного слоя на эксплуатационные свойства РТИ.
Библиографический список
1. Мур, Д. Трение и смазка эластомеров / Д. Мур ; пер. с анг. Г. И. Бродского. — М. : Химия, 1977. — 264 с.
2. Поляков, П. В. Методы повышения работоспособности РТИ узлов трения, работающих в условиях эксплуатации, близких к экстремальным / П. В. Поляков, А. А. Душко : меж-вуз. сб. науч. тр. — Волгоград : ВолгГАСА, 2000. — 10 с.
3. Гринберг, П. Б. Технология нанесения наноструктури-рованных металлопокрытий на резинотехнические изделия / П. Б. Гринберг [и др.] // Вестник Омского университета. — 2012. - № 2 (64). - С. 249-252.
4. Chizhik S. A., Huang Z., Gorbunov V. V., Myshkin N. K. and Tsukruk V. V. Micromechanical properties of elastic polymeric materials as probed by scanning force microscopy // Langmuir 1998, 14, P. 2606-2609.
5. Tsukruk V. V., Sidorenko A., Gorbunov V. V., Chizhik S. A. Surface Nanomechanical Properties of Polymer Nanocomposite Layers // Langmuir 2001, 17, P. 6715-6719.
6. Влияние наноструктурного поверхностного модифицирования на эксплуатационные свойства резин / Е. П. Целых [и др.] // Новые материалы и технологии в машиностроении. -2014. - № 19. - С. 125-128.
ЦЕЛЫХ Елена Петровна, аспирантка кафедры физики Омского государственного технического университета (ОмГТУ), инженер-технолог 3-й категории
научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.
Адрес для переписки [email protected] ПОЛОНЯНКИН Денис Андреевич, кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры физики.
Адрес для переписки: [email protected] РОГАЧЕВ Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физики.
Адрес для переписки: [email protected] СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой физики.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 09.10.2014 г. © Е. П. Целых, Д. А. Полонянкин, Е. А. Рогачев, В. И. Суриков
Книжная полка
621.57/Я60
Январев, И. А. Теплообменное оборудование компрессорных, холодильных, технологических установок и систем кондиционирования : учеб. электрон. изд. локального распространения : конспект лекций / И. А. Январев. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Рассмотрены различные виды, классификации, методики расчета, рекомендации по эксплуатации те-плообменного оборудования, применяемого в компрессорных, холодильных и технологических установках, а также в системах кондиционирования. Значительное внимание уделено математическому описанию и решению задач комплексной оптимизации систем охлаждения компрессорных установок. В рамках структурного анализа рассмотрены задачи моделирования и методы расчета теплообменных объектов различных уровней: элементов, рядов, комплексов и систем. Студенты могут также познакомиться с новыми программными средствами ANSYS и HYSYS, которые предназначены для расчета отдельных конструктивных решений и теплообменных аппаратов в целом, а также для расчета сложных теплообменных систем. Для студентов, обучающихся по специальностям 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», 140401 «Техника и физика низких температур», 240100 «Химическая технология и биотехнология», 240801 «Машины и аппараты химических производств».
621.9.02/М15
Макаров, В. Ф. Выбор высокоэффективных абразивных инструментов и режимов резания для различных видов шлифования заготовок : учеб. пособие для вузов по направлению «Конструкторско-тех-нологическое обеспечение машиностроительных производств» / В. Ф. Макаров. - Старый Оскол : ТНТ, 2014. - 273 c. - ISBN 978-5-94178-294-9.
В учебном пособии представлены современные сведения о различных процессах абразивной обработки. Рассмотрены виды и характеристики абразивных инструментов. Приведены основные принципы выбора характеристик абразивных инструментов и режимов абразивной обработки. Приведены данные о классах точности и неуравновешенности шлифовальных кругов, проверки их прочности и их маркировке.
621.9/Ю74
Юркевич, В. В. Жизненный цикл металлорежущих станков: мониторинг состояния : моногр. / В. В. Юркевич, А. Г. Схиртладзе, В. П. Борискин. - Старый Оскол : ТНТ, 2014. - 551 c. - ISBN 978-5-94178260-4.
В книге приведено описание методики проведения испытаний технологического оборудования в статистическом состоянии, при работе на холостом ходу и при испытаниях в работе, а также исследовательских испытаний станков. Дана информация по программным испытаниям металлообрабатывающих станков и по программным нагрузочным устройствам. Описана методика измерения траекторий формообразующих узлов, применяемых при этом датчиков, методология измерения и обработка экспериментальных данных с помощью компьютера. Приведена теория и практика построения виртуальной копии детали на основе измерения траекторий формообразования. Описана специфика проведения контроля и диагностики в автоматизированном производстве. Монография предназначена для оказания методической помощи студентам, магистрам и аспирантам ВПО, обучающимся по направлениям подготовки в области техники и технологии, может быть полезна технологам и конструкторам машиностроительных предприятий.
621.1/М69
Болштянский, А. П. Тепловой расчет котельных установок : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / А. П. Болштянский, А. Г. Михайлов. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Приведены методики теплового расчета котлоагрегатов с выбором и компоновкой основного оборудования. Справочные сведения даны в объеме, необходимом для выполнения курсового проектирования. Учебное пособие предназначено для студентов дневной, заочной и дистанционной формы обучения по специальности 150802 (121100) «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», а также может быть полезно студентам теплоэнергетических специальностей технических вузов.
