CC BY
11УДК 621.9.079:621.892
В. А. Годлевский, В. В. Марков*
СИНЕРГИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНО-И ХИМИЧЕСКИ-АКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ СОТС ДЛЯ РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ
SYNERGIC INTERACTION OF SURFACE-AND CHEMICAL-ACTIVE COMPONENTS OF CUTTING FLUIDS
Ивановский государственный университет, 153025 Иваново, ул. Ермака, 39
E-mail: godl@yandex . ru * Ивановский государственный энергетический университет,
153003 Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34
Предложена гипотеза о композитной структуре граничного смазочного слоя, образованного двумя компонентами смазочной среды: поверхностно- и химически активными. Показан пример такой оптимизированной смазочной системы, содержащей ПАВ и перекисные соединения, и оказавшейся эффективной при обработке резанием нержавеющей стали.
The hypothesis about composite structure of boundary lubrication layer, formed by two components of the lubricant: surface- and chemical-active was offered. The example of such optimized lubricant system, containing surfactant and peroxide substance which has appeared effective during cutting of stainless steel was demonstrated.
Ключевые слова: граничный смазочный слой, мезоморфизм, ПАВ, перекись, смазочно-охлаждающая жидкость, резание металлов.
Keywords: boundary lubrication layer, mesomorphism, surfactant, peroxide, cutting fluid, metal machining.
Известны лишь два основных механизма трибологического действия присадок, в результате действия которых может образовываться граничный смазочный слой как при трении скольжения, так и в процессе обработки металла режущим инструментом: это физико-химический (адсорбционный) процесс и химическая поверхностная реакция [1]. В контексте этого общего представления об отличительных особенностях процесса резания (высокая температура и химическая активность свежеобразованных поверхностей) многим исследователям представлялось, что химическая компонента в данном случае превалирует над физико-химической. Так, например, Уильямс и Тейбор пришли к выводу, что при резании (в отличие от простого скольжения) идеальная смазка должна иметь малый размер молекулы и высокую химическую активность [2]. В этом смысле действительно близкими к «идеалу» оказался четыреххлористый углерод и некоторые родственные ему низкомолекулярные хлорзамещенные продукты, проявляющие аномально высокую смазочную активность, в особенности при резании труднообрабатываемых материалов. Казалось бы, трудно было предположить, что при температуре в несколько сотен градусов Цельсия длинноцепочечная органическая молекула,
© Годлевский В. А., Марков В. В., 2009
например, углеводорода или коллоидного ПАВ может обеспечивать сколь-нибудь устойчивый адсорбционный слой.
В то же время неоспоримым является тот факт, что не только углеводородные СОТС, но и растворы ПАВ, несомненно оказывают существенный смазочный эффект при достаточно интенсивных технологических режимах резания. И этот парадоксальный, на первый взгляд, эффект естественно объясняется той особенностью процесса физической адсорбции, что при повышении температуры адсорбционное равновесие в граничном смазочном слое устанавливается, хотя и на более низком уровне, но быстрее. Иллюстрацией для этого утверждения может служить изображение двух классических изотерм ленгмюровской мономолекулярной адсорбции, которые получены в одинаковых условиях, но при различных температурах (рис. 1) [3]. Видно, что высокотемпературная кривая 2 при меньшем значении равновесного адсорбционного максимума имеет более крутой угол подъема (а2 > о^).
Давление
Рис. 1. Различие формы изотерм ленгмюровской адсорбции, возникающее в результате повышения температуры процесса
Приведенные соображения справедливы еще и потому, что более быстрый адсорбционный процесс особенно важен для смазки в условиях резания, когда доступ среды в контактную зону затруднен, и эффективность смазочного действия в определяющей степени обусловлена кинетическим фактором проникновения смазочного материала в межповерхностную капиллярную сеть [4].
Принимая во внимание вышесказанное, следует предположить, что и адсорбционный, и хемосорбционный механизмы, по-видимому, в широком диапазоне условий резания действуют одновременно. Но по мере повышения скорости резания (а, следовательно, и температуры) последний процесс становится все более преобладающим, пока не наступит некоторая критическая скорость, при которой действие любых смазок становится незначимым [5]. В этом случае можно заключить, что совместное использование в одной смазочной композиции поверхностно- и химически-активного компонентов позволит сделать СОТС более универсальной, и по крайней мере, расширит температурный диапазон ее технологической эффективности.
В настоящей работе была поставлена задача проверить высказанную выше гипотезу о совместном действии ПАВ и химически-активных присадок. Для этого сначала были выполнены сравнительные испытания различных ПАВ. Производили процесс то-
чения стали 12Х18Н10Т резцом из твердого сплава ВК8 в среде растворов нескольких водных поверхностно-активных СОТС 5 %-й концентрации. Выбор обрабатываемого материала был предопределен тем, что в силу повышенной прочности и пластичности его обработка резанием затруднена, что требует применения специальных трибоактивных смазочных сред.
Точение производилось при следующих режимах резания: скорость резания V = 3,0...3,6 м/с, подача ^ = 0,11...0,13 мм/об., глубина резания I = 0,3...0,5 мм. СОТС подавалась в зону резания в виде свободно падающей струи при расходе 300. 500 мл/мин. Геометрия резцов была постоянной: у = 9°; а = 9°; ф = 90°; ф1 = 9°; X = 0°. Проекции силы резания Рх, Ру и Р2 измеряли универсальным динамометром УДМ-600. Также измеряли величину размерного (радиального) износа за фиксированное время 600 с. Режим резания был достаточно интенсивен, чтобы рабочая температура процесса могла вести к разложению органического смазочного материала (около 500 °С).
Результаты, приведенные в таблице, показывают, что различие в природе ПАВ действительно имеют место. Эти различия статистически значимы (разница в эффекте в несколько раз превышает диапазон погрешности), и они подтверждают тот факт, что ПАВ действуют как смазочные агенты по-разному в силу различий молекулярного строения и, как следствие, — адсорбционной способности. Если бы эти вещества в результате термодеструкции потеряли молекулярную индивидуальность, то при распаде получились бы примерно одинаковые фрагменты, дававшие бы одинаковую трибологическую эффективность.
Размерный износ резцов ВК8 за время 600 с при точении стали 12X18H10T в среде 5 %-х водных растворов ПАВ
№ п/ п Наименование СОТС ^р, мкм Погрешность эксперимента
1 Вода 128
2 Триамон 80
3 Сульфорицинат Е 75
4 БВ 100 ± 12 мкм
5 ОП-7 100
6 ОП-10 85
7 Синтамид-5 65
В дальнейших экспериментах исследовали вопрос о совместном влиянии ПАВ и химически-активных присадок на смазочное действие СОТС. Хорошей моделью хими-чески-активной присадки являются неорганические соединения перекисного типа. Молекулы простейших неорганических перекисей малы по размеру, имеют слабую связь активного элемента (кислорода) в молекулярной структуре, а кроме того - перспективны для практического применения с экологической точки зрения, поскольку кислород является в этом отношении самым благоприятным трибоактивным элементом (по сравнению с применяемыми в большинстве присадок хлором, серой и фосфором) [6].
В качестве исследуемых перекисных соединений были взяты перекись водорода Н202, перекись магния МgO2, перекись кальция Са02 и перекись цинка ZnO2 . Концен-
трации перекисных соединений брались с учетом обеспечения равенства содержания в них активного компонента - перекисного кислорода. МgO2, Са02 и ZnO2 в воде не растворимы, поэтому они испытывались только в составе раствора ПАВ, который способствует образованию устойчивых суспензий.
Примеры полученных зависимостей показаны на рис. 2 и 3. Рис. 2 показывает изменение компоненты силы резания Рх с ростом скорости резания. Эта компонента в наибольшей степени должна отражать смазочное действие СОТС, поскольку ее направление близко совпадает с направлением схода стружки, и поэтому изменение коэффициента трения стружки по передней поверхности резца находит отражение главным образом в этой компоненте силы.
Скорость резания, м/с
P
x
Рис. 2. Зависимость проекции силы резания Рх от скорости резания и концентрации присадки перекиси водорода в 0,05 %-м растворе ПАВ Синтамид-5
Из анализа графиков на рис. 2 можно сделать интересные заключения общего характера:
1. Относительно небольшая (0,2 % мас.) концентрация ПАВ Синтамид-5 (С-5) приводит к существенному (до двух раз) снижению силы. Это свидетельствует о том, что здесь имеет место не объемный, а именно поверхностный (адсорбционный) эффект.
2. За пределами зоны наростообразования на инструменте (свыше 0,5 м/с) с ростом скорости резания присадка ПАВ монотонно повышает эффективность. На этой кривой не видно перегиба, который существовал бы в случае, если бы при какой-либо критической скорости резания имел бы место резкий переход от физико-химического к химическому механизму образования смазочного слоя.
3. Введение перекиси водорода в очень небольшом количестве (0,01 %) также приводит к значительному трибологическому эффекту, что опять же свидетельствует о преобладании поверхностных реакций в смазочном процессе. Дальнейшее увеличение концентрации присадки (до 0,1 %), как и следует ожидать, прироста эффективности не дает.
Различие в действии перекисей различной природы (рис. 3) на главную силу резания Р2 носит весьма выраженный характер. Перекиси кальция и цинка гораздо бо-
лее эффективны, чем перекиси водорода и магния. Причем различие, определяемое природой перекиси, более существенно, чем отклонения, вызванные изменением скорости резания. Здесь безусловно причина кроется в различной устойчивости оксидных смазочных слоев, образуемых различными перекисями.
Скорость резания, м/с
Рис. 3. Зависимость проекции силы резания Р2 от скорости резания для присадок перекисей различной химической природы при точении стали 12Х18Н10Т
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. ПАВ в исследованном диапазоне резания работает в соответствии с механизмом физической адсорбции, что можно объяснить тем обстоятельством, что несмотря на усиливающуюся с ростом скорости резания десорбцию, кинетика адсорбционного процесса становится более благоприятной для образования адсорбционного граничного смазочного слоя.
2. Химически-активные присадки перекисей хорошо совместимы с присадками ПАВ и действуют с последними синергически.
3. Для образования эффективного смазочного слоя достаточны концентрации исследованного типа присадок не более 0,2 % для ПАВ и не более 0,05 % для перекисей.
4. Строение молекул ПАВ и химическая природа перекиси являются значимыми факторами при оптимизации состава СОТС.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Минобразования и науки
РФ (грант № 2.1.2/4670).
Список литературы
1. Смазочные материалы. Антифрикционные и противоизносные свойства: Справочник. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.
2. Williams J. A., Tabor D. // Wear. 1977. Vol. 43. № 3. P. 275 - 292.
3. Адамсон А. Физическая химия поверхностей / Пер. с англ. И. Г. Абидора; Под ред.
З. М. Зорина, В. М. Муллера. М.: Мир, 1979. 568 с.
4. Перцов Н. В. // Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. Киев, 1986. C. 5 - 11.
5. Годлевский В. А., Волков А. В., Латышев В. Н., Маурин Л. Н. // Трение и износ. 1996. Т. 17. № 3. С. 345 - 351.
6. Латышев В. Н. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение. 1985. 65 с.
Поступила в редакцию 5.11.2008 г.
