CC BY
2 МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.891 : 620.22-419 + 06
П.Г. Иваночкин, Н.А. Мясникова, Ф.В. Мясников, А.В. Сидашов, А.В. Смелов
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ С МНОГОСЛОЙНОЙ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ В ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ*
Введение
Группой под руководством академика В.И. Колесникова была выполнена фундаментальная научно-исследовательская работа по определению возможности использования многослойного наномодифицированного антифрикционного покрытия (МНАП) на боковой поверхности головки рельса с целью снижения интенсивности изнашивания боковой поверхности рельса в кривых и блокировки негативных сегрегационных процессов в поверхностных слоях трибосопряжения «колесо - рельс» [1]. Предварительные исследования показали перспективность развиваемого подхода также в случае других узлов трения. Целью настоящей работы является исследование возможности применения многослойного покрытия сложной структуры в подшипниках скольжения [2].
Получение материалов и проводимые исследования
Предлагаемое покрытие триботехнического назначения имеет двухслойную структуру. Нижний слой покрытия (силовой каркас) наносится на металлическую втулку из стали Ст45 методом электроискрового легирования с помощью генератора токовых импульсов. В качестве материала электрода используется сталь Ст65Г. Получаемое покрытие имеет прочный промежуточный слой, состоящий из диффундировавших друг в друга материалов тела и наносимого материала, что предотвращает отслоение нанесенного металла от подложки. Созданный этим способом слой металла толщиной 100-200 мкм на поверхности тела имеет повышенную шероховатость, которая позволяет в дальнейшем увеличить площадь сцепления поверхности силового каркаса и антифрикционного слоя. Антифрикционный слой наносится методом напыления и представляет собой композиционный полимерный материал на основе фторполимера с нанодобавками.
Для проведения исследований процесса электроискрового легирования и определения зависимостей свойств формируемых покрытий от параметров импульсов тока разработан и изготовлен лабораторный исследовательский комплекс, включающий регистратор параметров импульсов тока, несколько образцов генераторов токовых импульсов и различные конструкции рабочих электродов. Проведенный цикл исследований показал высокую эффективность предлагаемого подхода для формирования силового каркаса антифрикционных самосмазывающихся композиционных материалов.
В качестве основы антифрикционного покрытия выбран политетрафторэтилен (ПТФЭ). Материал известен своими характеристиками, среди которых главная для трибологического применения - низкий коэффициент трения [2-4]. Коэффициент трения ПТФЭ по металлу при невысоких скоростях скольжения не превышает 0,08. Низкий коэффициент трения и антиадгезионные свойства обусловлены природой и энергией надмолекулярных структур в полимере. ПТФЭ обладает высокой химической стойкостью, которая, как и другие его свойства, объясняется тем, что материал относится к фторуглеродным соединениям, в состав которых входят только два химических элемента: углерод и фтор. Связь углерода с фтором во фторорганических соединениях является одной из самых прочных химических связей.
Однако ПТФЭ отличается малой величиной поверхностной энергии, что затрудняет получение прочной адгезионной связи между этой компонентой и нанодобавками, а также между антифрикционным слоем покрытия и подложкой. Одним из путей решения данной проблемы является введение в ПТФЭ наноразмерных модификаторов, что позволяет на порядок уменьшить удельный износ композита, при этом незначительно ухудшив его антифрикционные свойства. Влияние нанонаполнителей на триботехнические свойства полимерных композитов проявляется через изменение комплекса объемных и поверхностных свойств полимера [5]. В качестве наполнителей были выбраны нанодобавки на основе шпинелей (НП1 - шпинель магния, НП2 - шпинель хрома).
Наноразмерные компоненты для исследования были получены на лабораторной бисерной мельнице MikroCer производства фирмы «NETZSCH» (Германия), предназначенной для тонкого (до 40-50 нм) измельчения и диспергирования твёрдых веществ. Особенностью механического измельчения является эффект механоактивации, изменения энергетического состояния вещества в процессе измельчения.
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 12-08-00972 и 13-08-00732), а также при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 8579 от 13.09.2012 «Функциональные наноструктурированные покрытия триботехнического назначения, исследование и разработка».
Согласно современным физическим представлениям механическая активация - это одна из форм автовозбуждения активности вещества на стадии спонтанного разрушения (саморазрушения) нагруженного твердого тела. Для измельченных материалов характерны осколочная форма частиц, большое количество сколов, наличие трещин и других положительных дефектов, обеспечивающих условия, когда смеси с образовавшейся новой высокоразвитой контактной поверхностью легче вступают в твердофазные реакции с другими материалами. Причем скорость протекания этих реакций в большинстве случаев тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества. Применение механической активации в процессе совмещения компонентов позволяет регулировать структуру и свойства композитного материала, устраняя агломерацию и равномерно распределяя частицы наполнителя в связующем.
Для получения композиционного материала во фторполимер вводили шпинель, помещая полимер и наполнитель в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Подготовка наночастиц с помощью измельчения в бисерной мельнице дает возможность не только добиться нужного размера частиц, но и производить в ней смешение, а также выполнять функцию механической активации перед добавлением наполнителя в связующие.
Были исследованы следующие антифрикционные композиты:
АП-1 - на основе загущенной эпоксидной смолы с наноразмерным наполнителем Ф-4 МБ в
количестве 15 %;
АП-2 - на основе перфторполиэфира со степенью загущения 0,5 (разбавитель Хладон-113)
+НП1;
АП-3 - на основе фторлака ФЛК-ПАсп 47,5 %;
АП-4 - на основе фторлака ФЛК-ПАсп 55 % + НП1;
АП-5 - на основе перфторполиэфира со степенью загущения 0,65 + НП2;
АП-6 - на основе фторлака ФЛК-ПАсп 55 % + НП2.
Частицы наношпинели, имеющие развитую удельную поверхность, изменяют надмолекулярную структуру модифицируемой композиции. Образуется двухфазная гетерогенная система с развитой поверхностью раздела и более развитым контурным слоем между фазами, в котором повышается подвижность неупакованных лент и ламелей молекулы полимера. Благодаря этому увеличивается скорость релаксационных процессов, способствующая уменьшению локальных напряжений в композите, приводящая к увеличению деформационно-прочностных характеристик композита. Повышение когезионной прочности полимерного связующего является одной из причин улучшения триботехнических свойств нанокомпозитов, в том числе абразивной и усталостной износостойкости. Наполнение наночастицами приводит к значительному повышению деформационной теплостойкости полимера, их введение улучшает термостойкость основы, в том числе стойкость к термоокислительной деструкции. Наночастицы оказывают сильное влияние на механизм контактных триботехнических превращений, формирование слоев переноса на контртело и износостойкость полимерного материала. Специфика природы наночастиц и размерных эффектов при этом имеет определяющее значение.
Исследование морфологии поверхности покрытия до и после трения на установке исследования текстуры поверхности NewView600SWLI показало, что нанодобавки формируют при трибосопряжении поверхностные кластерные структуры (дискретные нанослои), которые предохраняют поверхность покрытия от разрушения. Изучение поверхности образцов исходного и наполненного полимера подтвердило, что введение нанодобавок приводит к появлению надмолекулярных структурных образований.
Для исследования качественного и количественного состава наноструктурированных антифрикционных покрытий на основе фторопластов с различными добавками использовался метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Изучен поверхностный состав антифрикционных покрытий, нанесенных на металлическую втулку. Исследование осуществлялось следующим образом. Вначале снимались спектры со всей поверхности образца при широкой входной щели. При этом получалась хорошая интенсивность для всех электронных линий, что позволяло делать предварительное заключение о состоянии химических связей на поверхности образца. Затем изучались спектры с использованием узкой апертуры, что позволяло снимать очень малые участки на поверхности образца. Эти участки выбирались:
- часть втулки, где покрытие не подвергалось трению;
- часть втулки, где осуществлялся процесс трибоконтакта.
С поверхности всех композитных покрытий были получены Cıs линии, в которых отчетливо можно было различить две компоненты, соответствующие разным связям: С-С с энергией связи 285,5 эВ и C-F с энергией связи 294 эВ. В образцах после трения эти линии сохранялись, однако спектры становились менее интенсивны, что свидетельствовало об уменьшении толщины покрытия после трения и об ухудшении однородности химических связей. Таким образом была установлена связь между металлом подложки и фтором покрытия (линия 685 эВ), интенсивность которой зависит от технологии нанесения покрытия и концентрации нанодобавок. Она максимальна для образцов АП-3, АП-4, незначительна для АП-2, АП-5, АП-6 и совсем не регистрируется для образцов АП-1.
Для примера на рис. 1 приведен обзорный рентгеноэлектронный спектр со всей поверхности образца АП-3. Анализ спектров показывает, что в состав покрытия входят следующие элементы фтор, кислород, углерод и железо. Поскольку спектр снимался с широкой щелью, то интенсивность всех электронных линий выше, чем на спектрах, полученных с локальных участков (рис. 2, 3).
На рис. 3 приведены рентгеновские фотоэлектронные Fe2^- и Fı^-спектры поверхности образца АП-3. Видно, что в обоих случаях в спектрах присутствует слабая компонента, относящаяся к железу, и спектр Fı5, имеющий дублетную структуру, соответствует двум состояниям фтора. По энергетическому положению мы относим Fe2^ к спектру окисленного железа, а в F^ спектре имеется слабая компонента с энергией связи 685 Эв, которая также свидетельствует о присутствии на поверхности композита окисленного железа. Компонента, соответствующая большей энергии связи, относится к связи C-F.
Рис. 3. Рентгеновский спектр внутренних линий Fe2p и Fıs поверхности образца АП-3
Для сравнения покрытий, кроме набора стандартизованных параметров, предложено исследовать стабильность пленки переноса в зоне трибоконтакта методом ИК-Фурье-спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) [7]. Способность пленки переноса удерживаться на поверхности трения длительное время во многом определяет работоспособность узла. Трибологические испытания покрытий проводили на торцевой машине трения с парой винтовых роликов с нанесенным слоистым композиционным покрытием при нагрузке 0,6 ГПА. Рабочие плоские диски, выполняющие роль контртела, были выполнены из стали. Такая конструкция машины трения позволяла контролировать состояние поверхности трибосопряжения, то есть наличие, кинетику формирования и стабильность пленки переноса, через определенные временные интервалы, не нарушая эту поверхность. Наличие и стабильность пленки контролировали на ИК-Фурье-спектрофотометре Nicolet 380 с приставкой НПВО и программным обеспечением EZ OMNIC по интенсивности линий поглощения валентных колебаний C-F (1153, 1210 см-1) поверхности трибосопряжения.
Исследованные наномодифицированные покрытия создают стабильную тонкую пленку, которая возобновляется в процессе трения и сохраняется длительное время. Изучение устойчивости пленки фрикционного переноса на поверхности металла в процессе трения позволило выбрать наиболее предпочтительные покрытия (по интенсивности сигнала в области полос поглощения при трибосопряжении по истечении 1-го часа, 3 часов и 6 часов).
Для изучения износостойкости многослойных наномодифицированных антифрикционных покрытий были проведены лабораторные трибологические испытания покрытий на «Комплексе оборудования для проведения трибологических испытаний».
Испытания проводились до полного разрушения покрытия с целью сравнительной оценки износостойкости различных покрытий при неизменном удельном давлении в зоне фрикционного взаимодействия. Испытания проводились по схеме «вал - частичный вкладыш» без подвода внешней смазки. Ролики для испытаний изготавливались из стали Ст45 с последующим нанесением покрытий. При проведении испытаний использовался частичный вкладыш из твердого сплава ВК8. Испытания проводились по утвержденной стандартной методике.
По величине износа исследованные образцы расположились в следующей последовательности: АП-3, АП-4, АП-1, АП-6, АП-2, АП-5.
Усредненный износ составил: для АП-3 - 0,0048 г., для АП4 - 0,0053 г.
На графиках 4, 5 приведены зависимости коэффициента трения покрытий АП-3 и АП-4 от времени испытаний (по горизонтали отложено число оборотов, по вертикали - коэффициент трения).
Рис. 4. Типовая зависимость коэффициента трения от времени испытания для АП-3
Рис. 5. Типовая зависимость коэффициента трения от времени испытания для АП-4
Согласно результатам трибологических испытаний введение во фторопластовое связующее наноразмерных наполнителей позволило значительно повысить износостойкость покрытия, практически не ухудшая его антифрикционные характеристики (значение коэффициента трения увеличивалось с 0,08-0,11 до 0,12-0,16). Лучшие результаты были получены для нанодобавки MgAl2Ü4 при содержании ее 3 %, при этом наиболее отчетливо изменялась структура упаковки молекулы полимера, значительно улучшая прочностные и износные характеристики покрытия.
Заключение
Проведенный цикл исследований показал высокую эффективность предлагаемого подхода для проектирования подшипников с рабочей поверхностью из антифрикционных самосмазывающихся композиционных материалов указанной структуры.
Эффективной модифицирующей добавкой явилась наношпинель магния, представляющая собой алюмосиликат щелочноземельного металла с общей формулой MgAl2Ü4. Данный двойной оксид относится к нанодисперсным системам сложного состава. Является тугоплавким (температура плав-
о
ления 213 С) твердым раствором внедрения с удельной поверхностью 45-50 м /г и кубической пространственной решеткой. Средний размер частиц 40-50 нм, плотность 3,6 г/см3.
Сырье получили путем механического синтеза в бисерной мельнице. Создание композиции на основе ПТФЭ и шпинели магния приводит к образованию более плотной упорядоченной структуры и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала.
Полученные результаты являются новыми и дают основания для дальнейшего проведения исследований в этой области.
Библиографический список
1 Многослойное антифрикционное наноструктурированное покрытие для лубрикации в тяжелонагруженных узлах трения / И.В. Колесников, А.В. Белый, Н.А. Мясникова, Ф.В. Мясников, Ю.В. Кравченко, Е.С. Новиков // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. - 2012. - № 2. - С. 34-41.
2 Технологии создания самосмазывающихся материалов и подшипников / В.И. Колесников, Ю.Ф. Мигаль, А.П. Сычев, П.Г. Иваночкин, Н.А. Мясникова // Наукоемкие технологии для инновационной индустрии южного макрорегиона : сб. науч. статей. - Ростов н/Д : Изд-во ЮНЦ РАН, 2011.- С. 106-119.
3 Полимерные композиционные материалы в трибологии / Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, М.Ю. Байбарацкая, О.А. Мамаев. - М. : ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. - 262 с.
4 Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена / Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, В.И. Суриков, Л.Ф. Калистратова. - М. : Машиностроение, 2005. - 240 с.
5 Охлопкова, А.А. Модификация полимеров ультрадисперсными наполнителями / А.А. Охлопкова, О.А. Андрианова, С.Н. Попов. - Якутск : ЯФ изд-ва СО РАН, 2003. - 224 с.
6 Смелов, А.В. Перспективы использования эпоксидофторопластовых покрытий в узлах трения машин непрерывного транспорта / А.В. Смелов, Ю.В. Кравченко // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 1. - С. 57-62.
7 Иваночкин, П.Г. Подшипники скольжения на основе антифрикционных металлополимерных материалов с поверхностью скольжения многослойной структуры / П.Г. Иваночкин, Н.А. Мясникова, А.В. Смелов // Поликомтриб-2013 : тезисы докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Гомель : ИММС НАНБ, 2013. - С. 158.
Bibliography
1 Multi-layer anti-friction coating for nanostructured lubrication in heavily loaded friction / I.V. Kolesnikov, A.V. Beliy, N.A. Myasnikova, F.V. Myasnikov, U.V. Kravchenko, E.S. Novikov // Journal of Environmental science centers Black Sea Economic Cooperation. - 2012. - № 2. - P. 34-41.
2 Technology of creation self-lubricating materials and bearings / V.I. Kolesnikov, Y.F. Migaly, A.P. Sychev, P.G. Ivanochkin, N.A. Myasnikova // High-tech for the innovative industry of the southern macro-region : Assembly of articles. - Rostov-on-Don : Publishing house of the Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, 2011. - P. 106-119.
3 Polymer composite materials in tribology / Y.K. Mashkov, Z.N. Ovchar, M.Y. Baybaratskaya, O.A. Mamaev. - Moscow : OOO «Nedra-business center», 2004. - 264 p.
4 Composite materials based on polytetrafluoroethylene / Y.K. Mashkov, Z.N. Ovchar, V.I. Suri-kov, L.F. Kalistratova. - Moscow : Mashinostroyeniye, 2005. - 240 p.
5 Okhlopkova, A.A. Modification of polymers by ultrafine fillers / A.A. Okhlopkova, O.A. Andriyanova, S.N. Popov. - Yakutsk : Yakutsk Publishing House of SB RAS, 2003. - 224 p.
6 Smelov, A.V. Prospects for the use epoxide-polytetrafluorethylene coatings in friction of continuous transport / A.V. Smelov, Y.V. Kravchenko // Proceedings of the Southern Federal University. Technical sciences. - 2013. - № 1. - P. 57-62.
7 Ivanochkin, P.G. Plain bearings based on anti-friction metal-polymer materials with the sliding surface of the multilayer structure / P.G. Ivanochkin, N.A. Myasnikova, A.V. Smelov // Polycomtrib-2013 : Abstracts of the the International Scientific and Technical Conference. - Gomel : MPRI of NASB, 2013. - P. 158.
УДК 621.791.75.01 + 06
И.С. Морозкин, В.Н. Кротов
ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА ЭЛЕКТРОДА К ИЗДЕЛИЮ НА ЗАЖИГАНИЕ ДУГИ И ПЕРЕХОД К УСТАНОВИВШЕМУСЯ ПРОЦЕССУ СВАРКИ
Дуговая механизированная сварка плавящимся электродом в настоящее время является самым распространенным видом сварки плавлением во многих отраслях промышленности.
Ответственным этапом технологического процесса механизированной сварки в среде защитных газов является начало - зажигание сварочной дуги и установление процесса сварки, особенно при выполнении коротких швов и дуговой точечной сварке.
Установление процесса сварки включает собственно зажигание дуги, ее развитие и переход к заданным параметрам режима сварки с непрерывным горением дуги - в случае сварки длинной дугой или с прерывистым горением дуги и непрерывным током - в случае сварки короткой дугой. Необходимо отметить, что требования к источнику питания при зажигании дуги и непосредственно процессу сварки различны.
