Исследование и разработка композиционных древесно-металлических материалов

УДК 674.812

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF COMPOSITE WOOD-METAL

MATERIALS

Шевелева Е.В.

Рассмотрен способ создания композиционных древесно-металлических материалов для изготовления узлов скольжения, а также методы исследования их механических характеристик

ne method of creating composite wood-metal materials for making knots slip, and research methods of their mechanical characteristics

Ключевые слова: композиционные материалы, подшипники скольжения, дре-весно-металлические материалы, твердость

Keywords: composite materials, bearings of sliding, wood-metal materials, hardness

Использование композиционных материалов для повышения триботех-нических характеристик узлов скольжения деревообрабатывающего оборудования позволяет снизить недостатки отдельных структурных составляющих материала. Получение повышенных характеристик достигается путем комбинирования различных по природе материалов, в которых проявляются не только свойства отдельных исходных компонентов, но и достигаются определенные совокупные характеристики нового материала за счет проявления си-нергетического эффекта. Путем подбора исходных компонентов и целесообразной технологии создания композиционных материалов обеспечивается возможность получения материалов с заранее прогнозируемыми свойствами, которые необходимы в конкретных условиях эксплуатации.

Особенности строения древесины, разработанные технологии её модифицирования в сочетании со сравнительно низкой стоимостью делают этот материал перспективным для применения в качестве основы для создания композиционных материалов трибологического назначения. При использовании древесины в качестве матрицы для изготовления антифрикционных материалов существенный эффект достигается в результате наполнения ее металлическими материалами. Такие материалы имеют повышенные физико-механические и антифрикционные характеристики, по сравнению с каждым из исходных компонентов.

В результате исследования работоспособности древесно-металлических вкладышей подшипников скольжения и способов их получения установлено, что наиболее перспективно использование металлических элементов, размещаемых в объеме материала вкладыша. При выборе металлической фазы сферической формы возможно достижение ее более равномерного распределения в древесной матрице и обеспечение регулируемой ее концентрации по толщине вкладыша в зависимости от условий эксплуатации.

Избежать термического разложения древесной составляющей подшипника можно, если вкладыш будет работать в режиме, при котором тепловыделение не превысит установленный температурный предел, обеспечится достаточный отвод тепла. Основное тепло, выделяемое при трении стального вала о поверхность вкладыша, выходит через теплоотводящие элементы. Эффективность отвода тепла можно повысить применением в составе теплоотводя-щих элементов легкоплавких сплавов. Из диаграммы его плавления можно отметить, что температура нагрева сплава повышается до определенного момента времени, затем повышение температуры не происходит, так как энергия затрачивается на плавление металла. Это свойство эвтектического сплава, как и чистых металлов, можно применить для дополнительного отвода тепла из зоны трения.

Разработанный теплоаккумулирующий материал [1] может использоваться в опорах валов различных машин, в частности в станках деревообрабатывающей промышленности. В предлагаемом подшипнике скольжения вкладыш выполняется из композиционного материала, который состоит из древесной основы и теплоотводящих элементов, выполненных в виде капсул с оболочкой, заполненной легкоплавким эвтектическим сплавом, во избежание вытекания расплавленного металла. Материал оболочки капсулы для увеличения отвода тепла целесообразно изготавливать из материалов высокой теплопроводности, например меди, алюминия, бронзы, который наносится химическим или электроискровым методом, толщина оболочки должна составлять 0,1-0,3 мм. Объем наполнителя и толщина оболочки капсулы определяется тепловыделением в контакте подшипника и вала. В результате использования теплоаккумулирующего материала в подшипнике скольжения снижается расход высокотеплопроводного металла, а также одновременно повышается теплоотводящая способность.

Использование теплоаккумулирующего эффекта применяемых наполнителей способствует дополнительному улучшению теплофизических свойств создаваемых композиционных материалов. Такой эффект достигается как за счет увеличения количества теплоотводящих металлических компонентов, так и за счет обеспечения возможности аккумулирования тепловой энергии структурными составляющими вследствие теплопоглощения, происходящего при фазовых превращениях эвтектоидного или эвтектического характера.

В этом случае выделяющееся при трении тепло частично отводится металлическими включениями вследствие их высокой теплопроводности, а частично расходуется на плавление легкоплавкого содержимого металлических элементов или на фазовые превращения в них эвтектоидного характера. При этом дальнейшего увеличения температуры подшипника в определенном интервале температур не происходит.

Таким образом, размещение в модифицированной древесине теплоакку-мулирующих элементов из легкоплавкого сплава одновременно повышает эффективность отвода тепла из зоны трения и понижает температуру работы подшипника.

Помимо теплофизических характеристик работоспособность модифицированной древесины зависит от ее твердости.

Для более точной ее оценки с учетом анизотропии древесины, способов и режимов ее модификации предложен обобщенный показатель, представляющий собой интегрированное значение твердости [2].

Исходный образец для определения твердости, вырезанный из древесины, представляет собой четырехгранную призму трапецеидального сечения. Боковые грани такой призмы должны соответствовать торцовому, тангенциальному и радиальному срезам древесины. Испытуемый образец для замера твердости выполняется в форме тетраэдра и вырезается из исходного образца.

Диагонали трех смежных граней призмы должны образовывать основание испытуемого образца, а вершина тетраэдра находиться в точке пересечения этих граней. В качестве плоскости измерения глубины отпечатка используется основание полученного тетраэдра. При этом зона измерения ограничивается окружностью, центр этой окружности находится в точке пересечения биссектрис основания тетраэдра. Обобщенный показатель твердости вычисляется по глубине отпечатка только в плоскости замера.

В результате использования таких образцов для испытаний снижается трудоемкость, упрощается определение обобщенного показателя статической твердости древесины. Кроме этого повышается точность исследований.

Определяемый обобщенный показатель обеспечивает получение значения твердости, представляющего собой интегрированную оценку с учетом анизотропии древесины, способов и режимов ее модификации. В случае исследования обобщенного показателя твердости древесно-металлического образца осуществляется дифференцированная оценка твердости отдельных структурных составляющих композита, затем ее значение представляется в обобщенном виде с учетом процентного соотношения металлической и древесной фаз.

Список использованных источников

1 Пат. 2432508 Российская Федерация, МПК Б16С 33/04, Б16С 33/24. Подшипник скольжения [Текст]/ Е.А. Памфилов. О.В. Сидоров, Е.В. Шевелева, Е.В.Алексеева, Г.А. Пилюшина. Брянская гос. инженерно-технол. академия.- Заявл. 20.11.2007; Опубл 27.10.2011. - Бюл. № 30.

2 Пат. 2323428 Российская Федерация, МПК 00Ш 3/42. Способ определения статической твердости древесины [Текст]/ Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Комиссаров А.П. Брянская гос. инженерно- технол. академия.- Заявл. 09.08.2006; Опубл. 27.04.2008.- Бюл. № 12.