СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ УСКОРЕННЫХ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОЛИМЕРНЫХ САМОТВЕРДЕЮЩИХ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗНАШИВАНИЕ В НЕ ЖЕСТКО ЗАКРЕПЛЕННОМ АБРАЗИВЕ
METHOD OF PERFORMING ACCELERATED COMPARATIVE TESTS OF POLYMER SELF-CONFIGURING DISPERSE-STRENGTHENED COMPOSITE MATERIALS FOR WEARING IN NON-STRONGLY FIXED ABRASIVE MATERIAL

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности испытаний на стойкость к абразивному изнашиванию при перемещении изделия в истирающей массе с не жестко закрепленными абразивными частицами.
Известен метод и машина трения для испытаний по ГОСТ 23.208-79 «Метод испытаний материалов на износостойкость о не жестко закрепленные абразивные частицы», сущность работы которой заключается в непрерывной подаче в зону контакта образца и резинового ролика абразивной компоненты [1]. При этом образец находится в горизонтальном положении в состоянии покоя, а вращение придается резиновому ролику. Силовое воздействие на образец осуществляется через систему грузов и рычагов. Недостатками метода следует считать: невозможность одновременного испытания в идентичных условиях нескольких образцов, изготовленных из материалов, имеющих различные структуру и строение и отличающихся своими механическими свойствами, что снижает достоверность полученных результатов и приводит к ошибкам при его выборе для реальных условий эксплуатации.
В качестве прототипа, являющегося наиболее близким техническим решением, принята методика проведения ускоренных испытаний отличных по строению и свойствам материалов при сохранении идентичности воздействия на них абразивной среды в любой момент времени проведения эксперимента [2]. Изнашивание материалов происходит в абразивной массе путем вращения специально изготовленного образца. Образец представляет собой цилиндрическое тело (основу) со сформированными по всей длине образующей (высоте основы) испытуемыми материалами, расположенными диаметрально противоположно в четырех или пяти плоскостях, что позволяет одновременно испытывать до 4-5-ти разновидностей составов. Нагружение образца осуществляется весом абразивной среды. Оценка износа производится методом лунок [3]. В то же время данный метод имеет ряд недостатков. При определении состава композиционного самотвердеющего материала, обеспечивающего максимальную износостойкость, необходимы многократные испытания. Это связано с варьированием концентрации клеящей основы и абразивостойкого наполнителя, а также величиной размера частиц наполнителя (дисперсно-упрочняющей компоненты). (Концентрация и размер частиц определяют степень сопротивляемости композита к абразивному воздействию и являются показателями стойкости к изнашиванию.) Кроме того, не исключается проведение исследований влияния природы дисперсно-упрочняющей компоненты (естественные и искусственные вещества) на стойкость к абразивному изнашиванию. Такое количество факторов (концентрация компонентов, размер зерна наполнителя и его природа) при подборе состава композита не может быть учтено одновременно при испытаниях с использованием техники, описанной в прототипе. Исследуются только пять разновидностей материала, что не может обеспечить необходимое количество вариаций показателей, определяющих противоабразивные свойства, и не позволяет провести определение оптимального состава композита за один цикл испытаний. Немаловажным отрицательным моментом следует считать необходимость периодической замены истирающей среды после смены испытанных образцов, из-за утраты ею необходимой абразивной способности. Означенные недостатки приводят к снижению достоверности получаемых данных, усложнению проведения эксперимента, увеличивают временя его проведения. Прежде всего это относится к композиционным материалам на клееполимерной основе с дисперсно-упрочняющим наполнителем.
Целью изобретения является проведение ускоренных сравнительных испытаний по определению стойкости к абразивному изнашиванию в среде с незакрепленным абразивом одновременно нескольких самотвердеющих полимерных дисперсно-упрочненных композиционных материалов с различным строением, структурой и свойствами, сформированных на одной основе, с обеспечением идентичности воздействия на них среды в любой момент времени и повышением достоверности полученных результатов.
Поставленная цель достигается тем, что на основе (фиг. 1), представляющей собой цилиндр с диаметром, незначительно превышающим его высоту, на поверхности которого вдоль образующих диаметрально-противоположно формируются покрытия из испытуемых материалов с неодинаковым строением, структурой и свойствами отдельно каждое таким образом, чтобы они выступали относительно поверхности основы на 8…10 мм, т.е. создается специальная испытательная конструкция. Исследуемые материалы имеют разные концентрации компонентов и размеры частиц наполнителя. Они формируются в количестве четырех композитов, расположенных в одной плоскости (фиг. 2) с изменением только одного показателя, второй остается постоянным. (Например, если меняется концентрация компонентов, то размер частиц остается одним и тем же.) Так как формирование производится в 4-х плоскостях то число вариаций факторов (4 концентрации и 4 размера частиц) составляет 16 и является достаточным для определения состава композита, обеспечивающего максимально возможную абразивостойкость. Исследования проводятся путем вращательного перемещения испытательной конструкции в среде с незакрепленными абразивными составляющими. При этом природа компонентов остается одинаковой для всех вариаций. В результате поиск оптимального состава по критерию абразивостойкости значительно сокращается во времени. Таким образом, рассматриваемый способ позволяет одновременно исследовать 16 композитов, отличных по своим свойствам. Оценка износа проводится методом лунок [3].
Основа опытного образца изготавливается точением из стали, серого чугуна, либо другого материала. Наружный диаметр D составляет 80…100 мм, высота (t) - 70…80 мм. На внутренней поверхности нарезается резьба М20…М22 с нормальным шагом (фиг. 1). Выбор геометрических параметров основы (D=80…100 мм; t=70…80 мм) определяется возможностью максимального использования площади ее поверхности для формирования участков из опытных материалов. Такие размеры позволяют сформировать не менее 4 участков с четырьмя покрытиями из различных материалов шириной 15…25 мм и высотой 15 мм каждое. Размеры участков определяют тем, что расстояние от края контура лунки до обреза покрытия должно быть не менее одного d (диаметр лунки) во избежание влияния возможных разрушений по краю покрытия от воздействия абразивной компоненты. Диаметр лунки должен составлять примерно 5…7 мм, в этом случае размер стороны участка допускается не менее 15 мм. Нарезание резьбы на внутренней поверхности производится для соединения оправки с подготовленным для испытаний образцом.
Формирования покрытий из клееполимерных дисперсно-упрочненных композитов требуют отдельного рассмотрения.
Испытуемые клееполимерные композиционные покрытия формируются на поверхности, имеющей паз с шириной, равной ширине покрытия (фиг. 1). Кроме этого необходимо предусмотреть форму для заливки композитов. Наличие паза обуславливается обеспечением надлежащей прочности сцепления композита с основой. Перед заливкой композиции поверхность в обязательном порядке необходимо подвергнуть обработке растворителем (обезжирить). После полимеризации и затвердевания опытных составов форма удаляется и полученный полуфабрикат подвергается точению для устранения недостатков формовки и образования образца с одинаковыми диаметрами материалов (фиг. 2).
Образец крепится с помощью оправки, передающей ему вращение в горизонтальной плоскости от какого-либо механизма. Например, собранное приспособление может крепиться в шпинделе сверлильного или вертикально-фрезерного станка.
Опытным путем подбирается частота вращения шпинделя, которая обеспечивает максимальную скорость изнашивания испытуемых материалов и минимальное время проведения испытаний. В то же время чрезмерное увеличение числа оборотов будет приводить к снижению абразивности среды и ее разбрасыванию, что снизит достоверность результатов испытаний.
Изнашивание производится в абразивной среде, находящейся в емкости (фиг. 3). Абразивная среда представляет собой смесь кварцевого песка и гравиевидных включений. Количественное соотношение составляющих абразивной среды определяется задачами эксперимента и может быть приближено к реальным условиям. Давление на образец обеспечивается слоем абразива.
Испытания предусматривают периодическую выемку образцов из испытательной камеры для фиксации размеров лунки и перемешивания абразива.
Идентичность воздействия среды на испытуемые материалы в любой момент времени испытаний, и достоверность результатов обеспечивается неизменностью условий их проведения, т.к. все экспериментальные материалы исследуются одновременно и за один цикл.
Способ не исключает проведения испытаний и с другими материалами, отличными от полимеров, но при условии внесения некоторых корректив при их формировании на основе.
Указанная совокупность существующих признаков обеспечивает появление у заявляемого устройства новых свойств, отличных от прототипа. Во-первых, возможность одновременного проведения сравнительных испытаний в идентичных условиях 16-ти участков, из различных полимерных самотвердеющих композиционных материалов с различными свойствами; во-вторых, испытания позволяют исследовать влияние сразу двух параметров композита - состава и величины частицы абразивостойкого наполнителя; в-третьих, нет необходимости в периодической замене абразивной среды; в-четвертых, определение оптимального состава материала производится за один цикл испытаний.
Таким образом, заявленные признаки изобретения соответствуют критерию «новизна».
Известное техническое решение, выбранное в качестве прототипа, позволяет проводить испытание только 4-5 составов композитов одновременно с изменением одного параметра (либо концентрации компонентов, либо размеров частиц наполнителя). Проведение всего комплекса исследований требует не менее 16 образцов и, соответственно, не менее четырех циклов испытаний. Кроме отмеченного после смены каждого образца необходимо менять абразивную среду. Все указанные признаки отсутствуют в предлагаемом способе. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена основа для формирования композитов.
На фиг. 2 показан образец со сформированными композитами разных составов, после механической обработки.
На фиг. 3 показана испытательная установка, где 1 - экспериментальный образец; 2 - нанесенные композиционные материалы; 3 - абразивная среда; 4 - емкость; 5 - оправка.
Испытания проводятся на установке (фиг. 3), которая работает следующим образом. Экспериментальный образец со сформированными композиционными материалами крепится к оправке. В емкость, установленную на станине станка, засыпается абразивный состав требуемых свойств. Устанавливается определенная частота вращения шпинделя станка. Образцедержатель с закрепленным вращающимся образом погружается в абразив и производится изнашивание исследуемых материалов. В процессе испытаний через определенное время (примерно 7-10 мин) осуществляется выемка образца из испытательной камеры и фиксируется износ для оценки его величины и динамики.
Источники информации
1. ГОСТ 23.208-79 «Метод испытаний материалов на износостойкость о не жестко закрепленные абразивные частицы».
2. Михальченков A.M., Лялякин В.П., Михальченкова М.А. Методика проведения ускоренных сравнительных испытаний различных материалов на абразивное изнашивание // Метрология. - 2014. - №9. - С. 15-23.
3. ГОСТ 23.301-78.