Влияние механоактивации нанонаполнителя на триботехнические свойства композита

Размещено на http://www.allbest.ru/

влияние механоактивации нанонаполнителя на триботехнические свойства композита

В.И. Колесников, П.Г. Иваночкин, Н.А. Мясникова, Ф.В. Мясников, Д.С. Мантуров

Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону

Рассмотрены принципы создания многослойного самосмазывающегося покрытия для тяжелонагруженных узлов трения, состоящего из силового слоя и композиционного антифрикционного наноструктурированного слоя. Проведен целенаправленный поиск материалов и наноразмерных добавок. Исследована возможность повышения трибологических характеристик полимерных композиционных материалов и покрытий путем модифицирования его минеральными нанодобавками.

Ключевые слова: полимерный композит, покрытие, механоактивация, нанодобавки, трибологические характеристики

многослойный композиционный материал нанодобавка

INFLUENCE OF FILLER MECHANOACTIVATION ON THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF THE COMPOSITE

V.I. Kolesnikov, P.G. Ivanochkin, N.A. Myasnikov, F.V. Butchers, D.S. Manturov

Rostov State Transport University, Rostov-on-Don

The principles of a multi-layer self-lubricating coating for heavy-duty friction units, consisting of a power plane and antifriction composite nanostructured layer. Conducted a targeted search of nanoscale materials and additives. The possibility of improving the tribological properties of polymer coatings kompozitsionnyhmaterialov and by modifying its mineral nanoadditives.

Keywords: polymer composite, coating, mechanical activation, nano-additive, tribological characteristics

Накопленный мировой опыт показывает, что применение антифрикционных материалов и покрытий на основе полимеров позволяет во многих случаях повысить сроки службы машин и механизмов и как следствие этого - увеличить сроки их эксплуатации. Композиции на основе полимеров позволяют снизить трудоемкость изготовления деталей машин в сравнении с их металлическими аналогами при одновременном снижении массы и габаритов изделий. Однако, полимеры обладают и рядом свойств, ограничивающих область их применения. К ним можно отнести: склонность к старению и биоповреждениям, деформирование под нагрузкой, сравнительно невысокую теплостойкость, низкие теплофизические характеристики, высокое водопоглощение, нестабильные триботехнические свойства.

Расширение сферы использования полимеров ведется в двух направлениях. Первое - синтез новых полимерных материалов с заданными свойствами. Второе - модифицирование свойств известных типов полимеров. Наиболее доступным и приемлемым видом модификации является создание композиционных материалов, представляющих собой многокомпонентную систему, способную изменить первоначальные свойства полимера. Модифицирование базового полимерного связующего компонентами различного состава, дисперсности и активности обуславливает снижение показателей неблагоприятных характеристик матрицы (текучести под давлением, высокого коэффициента трения при повышенных скоростях, низкой износостойкости) и сформировать комплекс повышенных служебных характеристик, определяющих нагрузочно-скоростной диапазон применяемых деталей. Для модифицирования полимерных композитов традиционно используют дисперсные частицы углеродных, полимерных и стеклянных волокон, порошки металлов и их оксидов, цветных сплавов, порошки природных минералов слоистого, каркасного и цепочечного строения, сухие смазки [1]. Номенклатура модификаторов различного механизма действия достаточно широка и в последние годы интенсивно развивается. Совокупность известных модификаторов может быть классифицирована по механизму действия:

- модификаторы, обеспечивающие эффект упрочнения композита;

- функциональные модификаторы, изменяющие кинетику физико-химических и триботехнических процессов в полимерной матрице, в т. ч. процессов формирования надмолекулярной структуры;

- модификаторы, выполняющие функции заполнителя (инертного наполнителя).

Использование гибридных композитов то есть одновременное введение нескольких наполнителей, которые выполняют различные функции, существенно расширяет возможности создания материалов, способных направлено перестраивать структуру и свойства в зависимости от эксплуатационных нагрузок.

Одним из наиболее перспективных направлений при создании полимерных композитов является применение в триботехнической практике природных минералов, диспергированных до коллоидного состояния. Данное направление основано на способности некоторых элементов, формировать при трении или специальных внешних условиях химические соединения, построенные по типу комплексных - соединений, в которых количество связей, формируемых данным элементом, оказывается больше, чем ожидаемое, исходя из его валентности. Одними из представителей таких минералов, построенных по типу координационных полимеров, способных к комплексообразованию при трении, являются шпинели (например, шпинель магния Mg(AlO2)2). Особенностью данного соединения является то, что под действием внешнего воздействия минерал из электрически пассивного при возмущении его структуры становится отзывчивым к электрополевому воздействию, что предопределяет рост его адгезионной активности по отношению к внешней среде. Шпинели хорошо синтезируются, а, следовательно, существует возможность их получения с четко заданными свойствами. Пленка фрикционного переноса, полученная в присутствии минерала, имеет разветвленную, пространственно сшитую структуру с высокой степенью полимеризации - своего рода неорганический координационный полимер.

Высокое воздействие на процессы структурирования полимера и трибохимические превращения в контактной зоне достигается при введении низкоразмерных частиц природного, искусственного и синтетического происхождения. Характерной особенностью модифицирующего действия наночастиц является проявление синергического эффекта при небольших содержаниях в матрице, как правило, не превышающих 1,0-3,0 мас.%., Механизм действия наномодификаторов связывают с комплексным действием нескомпенсированного заряда, сформированного у частиц в результате особенностей кристаллохимического строения или специального технологического воздействия (механического, теплового, ионизирующего, лазерного и т. д.) [2]. Применение наноразмерных частиц в качестве наполнителей полимерных композитов способствует формированию новых соединений в поверхностном слое, отличающихся повышенной износостойкостью, что особенно характерно для экстремально высоких нагрузок.

В последнее время нами проводятся работы по созданию многослойных антифрикционных самосмазывающихся наноструктурированных покрытий для тяжелонагруженных узлов трения [3,4]. При трибосопряжении таких покрытий основную нагрузку берет на себя силовой каркас (нанесенный на поверхность массивного тела методом электроискрового легирования слой металла повышенной шероховатости толщиной 100-200 мкм), а высокие антифрикционные характеристики обеспечиваются наноструктурным полимерным слоем покрытия.. Основное значение при выборе нанодобавок имеют факторы формы, размеров, адгезионной активности частиц наполнителя, их химический состав. Варьируя эти параметры специальными методами (механохимической, термохимической обработкой) можно управлять надмолекулярной структурой матричного материала.

В качестве антифрикционного слоя многослойного покрытия были испытаны несколько композиций на основе связующих из поликапроамида (ПКА-6), наполненного политетрафторэтиленом (ПТФЭ) марки Ф4МБП и наноразмерными добавками в количестве 1-5% на основе шпинели металлов. ПТФЭ обладает низким коэффициентом трения, что позволяет использовать его в качестве наполнителя при создании антифрикционного покрытия на металле. Наноразмерные компоненты были получены на лабораторной бисерной мельнице MikroCer, производства фирмы «NETZSCH» (Германия), предназначенной для тонкого (до 40-50 нм) измельчения и диспергирования твёрдых веществ. При механическом измельчении минеральных добавок присутствует эффект механоактивации, то есть изменения энергетического состояния вещества в процессе измельчения, что приводит к большому количеству сколов, наличию трещин и других положительных дефектов в измельчаемых материалах.

Трибологические испытания и исследования сравнительной износостойкости стальных образцов, имеющей на поверхности антифрикционные покрытия проводились по схеме «вал-частичный вкладыш» при неизменном удельном давлении в зоне фрикционного взаимодействия. Для проведения испытаний применялся комплекс оборудования для проведения трибологических испытаний, имеющий нагружающее устройство, устройство для измерения силы трения и включенный последовательно с динамометром силовой тензоэлемент для непрерывной записи силы трения при преобразовании её в коэффициент трения на ПК. Ролики изготавливались из стали 65Г с последующим нанесением силового каркаса и антифрикционного покрытия. Испытания проводились при нагрузке на трибосопряжение 600 Н. В процессе испытания непрерывно фиксировался коэффициент трения. Число оборотов, при котором наблюдалось скачкообразное увеличение коэффициента трения, считалось ресурсом работы испытываемого покрытия. В результате испытаний были получены зависимости коэффициентов трения (рис. 1, 2) от времени испытаний (числа оборотов) и износа ролика с различными покрытиями (табл.1).

Таблица 1. Износ испытанных многослойных антифрикционных покрытий на основе ПКА + 10% Ф4МБП + шпинель магния Mg(AlO2)2 в зависимости от процентного содержания исходной и механоактивированной шпинели

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от времени испытания для покрытия на основе ПКА + 10% Ф4МБП + 3%Mg(AlO2)2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от времени испытания для покрытия на основе ПКА + 10% Ф4МБП + 3% механоактивированного Mg(AlO2)2.

Заключение

Введение в композиционный материал механоактивированной шпинели магния значительно по сравнению с исходной (на 15-20%) улучшает трибологические характеристики полимерного покрытия. Это происходит вследствие того, что частицы наношпинели изменяют надмолекулярную структуру модифицируемой композиции. Минеральные добавки с образовавшейся новой высокоразвитой контактной поверхностью легче вступают в твердофазные реакции с другими материалами. Причем чем больше поверхность участвующего в процессе вещества, тем выше скорость протекания этих реакций. Введение в полимерное связующее активных нанодобавок с развитой поверхностью приводит к образованию надмолекулярных структур, которые являются центрами кристаллизации. Это обеспечивает изменение процесса кристаллизации в композите и улучшает его физико-механические, прочностные и износные характеристики. Наночастицы оказывают сильное влияние на механизм контактных триботехнических превращений, формирование слоев переноса на контртело и износостойкость полимерного материала.

При использовании таких наноструктурированных покрытий существенно увеличивается долговечность узла, устраняется необходимость повторных нанесений смазочного материала. Применение для создания полимерного антифрикционного слоя высокодисперсных наноразмерных наполнителей связано с возможностью снижения результирующего коэффициента трения, повышения износостойкости, расширения температурного диапазона эксплуатации разрабатываемого материала.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00116)

Список литературы

1.Охлопкова А.А., Андрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. Якутск: ЯФ Изд-во СО РАН, - 2003. - 224 с.

2.Машиностроительные фторкомпозиты: структура, технология, применение: монография /С.В. Авдейчик. и др.; под науч. ред. В.А. Струка.- Гродно: Гр ГУ, 2012. 339_с.

3. Колесников И.В., Белый А.В., Мясникова Н.А., Мясников Ф.В., Кравченко Ю.В., Новиков Е.С. Многослойное антифрикционное наноструктурированное покрытие для лубрикации в тяжелонагруженных узлах трения // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2012. № 2. С. 34-41.

4. В.И. Колесников, А.И. Буря, Н.А. Мясникова, Ф.В. Мясников, Д.С. Мантуров, С.А. Данильченко Исследование трибологических характеристик полимерных гибридных нанокомпозитов, используемых в качестве покрытий в узлах трения// Вестник РГУПС. 2014. №2. С.12-16

Размещено на Allbest.ru