Исследование триботехнических свойств полимерных композитов, обработанных ультразвуком

Конструкция и размеры» или другие аналогичные ГОСТы для различных типов резьб и резьбовых изделий.

Рисунок 5 - Модель, полученная посредством предлагаемого алгоритма

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была сформулирована задача по разработке методики моделирования резьбовых соединений в CAD-сис-темах на примере Компас-SD. Актуальность её является высокой и определяется созданием новых методик промышленного производства (аддитивных) и возрастающим уровнем автоматизации. Результатом работы стал синтезированный алгоритм компьютерного моделирования резьбы на цилиндрической поверхности объекта.

Теоретическая часть была подтверждена применением полученной методики для моделирования и изготовления изделия Болт М10х35 ГОСТ Р ИСО 4014-2013 на SD-принтере Prusa Mendel iteration 2, работающего по технологии послойного наплавления.

В дальнейшем предполагается изучить и адаптировать данную методику к другим распространённым системам автоматизированного проектирования. Также предлагается внедрение её в учебные дисциплины компьютерного моделирования. Возможно применение методики в процессе подготовки конструкторской документации на изделия, содержащие резьбы, на промышленных предприятиях.

Список литературы

1 ГОСТ9150-81 Резьба метрическая. Профиль. Введ. 1982-01-01. М.:

Издательство стандартов № 1988 ИПК Издательство стандартов № 2002, 1981.

2 ГОСТР ИСО 4014-2013 Болты с шестигранной головкой. Классы

точности А и В. Конструкция и размеры. Введ. 2014-07-01. М.: Стандартинформ, 2013.

3 Левицкий В. С. Машиностроительное черчение и автоматизация

выполнения чертежей. М.: Высш. шк., 2001. 429 с.

УДК 539. 5:621. 89 Т.О. Алматаев

Андижанский машиностроительный институт, Узбекистан

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ, ОБРАБОТАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОМ

Аннотация. В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований триботехнических свойств композиционных полимерных материалов, обработанных ультразвуком.

Ключевые слова: ультразвук, обработка, полимер, композит, наполнитель, эксперимент, свойство, триботехника, изнашивание, коэффициент трения.

T.O. Almataev

Andijon Mechanical Engineering Institute, the Republic of Uzbekistan

STUDYING TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF POLYMER COMPOSITES TREATED BY ULTRASOUND

Abstract: The work introduces the results of experimental research into tribotechnical characteristics of composite polymer materials treated by ultrasound.

Index terms: ultrasound, treatment, polymer, composite, weighing material, experiment, property, tribology, fretting, friction coefficient.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время композиционные материалы на основе полимеров, благодаря высокой прочности, твердости и целому ряду других свойств, нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в машиностроении. В области создания и исследования композиционных полимерных материалов и покрытий на их основе для машиностроения выполнено большое количество научно-исследовательских работ (В.А. Белый, Н.К. Мышкин, Ал.Ап. Берлин,С.Ш. Рашидова, С.С. Негматов и др.) и разработан ряд композиционных полимерных материалов, которые рекомендованы для применения в рабочих органах машин и механизмов. Однако до настоящего времени не нашли широкого применения из-за низкой долговечности и износостойкости.

Задачей современного материаловедения является создать полимерные композиты с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами. Как известно [1-3], для повышения физико-механических и других свойств полимерных композитов применяют различные методы физической обработки, в частности ультразвук. Эффективность ультразвуковой обработки полимерных композиций увеличивается, если ее проводить при сравнительно высокой частоте и мощности.

Следовательно, механическое и химическое действие ультразвука проявляется особенно при высоких частотах колебания и мощности, что способствует диспергированию и перемещению дисперсных систем, дегазации жидкостей и расплавов, интенсификации про-

цесса полимеризации и других технологических процессов [2].

В связи с этим исследование триботехнических свойств композиционных полимерных материалов, обработанных ультразвуком, и повышение их работоспособности, отвечающее современным требованиям машин и механизмов, является актуальной задачей.

Цель и задачи

Целью данной работы является исследование и анализ триботехнических свойств композиционных полимерных материалов, обработанных ультразвуком.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать влияние вида и содержание наполнителя на коэффициент трения и интенсивности изнашивания композиционных эпоксидных полимеров при различных режимах трения;

- исследовать влияние режимов ультразвуковой обработки на триботехнические свойства (интенсивность изнашивания и коэффициент трения) композиционных эпоксидных полимеров.

В качестве объекта исследования были отобраны эпоксидные композиты и наполнители, обеспечивающие одновременно высокие антифрикционные и физико-механические свойства композиционных материалов (графит, каолин, тальк, фосфогипс), а также удовлетворяющие требованиям высокой износостойкости и твердости покрытий (железный порошок, медный порошок и стекловолокно).

Триботехнические свойства полимерных покрытий определяли по ГОСТ 23.223-85 на усовершенствованном трибометре (патент РУз №1989) [4]. Для обработки полимерной композиции выбрана ультразвуковая установка с частотой 1000 кГц, позволяющая обрабатывать полимерные композиции, варьируя мощность ультразвуковых колебаний от 80 Вт до 250 Вт.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе проведенных экспериментальных исследований получены следующие результаты. Степень воздействия ультразвука на триботехнические свойства полимерных композитов зависит от вида и содержания наполнителя. Оптимальные значения продолжительности обработки ультразвуком эпоксидных композитов, наполненных фосфогипсом, составляет 30-35 мин, графитом - 20-25 мин. При этом коэффициент трения эпоксидных композитов, наполненных фосфогипсом, снижается 0,27-0,22, графитом - 0,27-0,21. Дальнейшее увеличение продолжительности обработки ультразвуком приводит к увеличению интенсивности изнашивания и коэффициента трения эпоксидных покрытий, наполненных различными наполнителями.

Из рисунка 1 видно, что у эпоксидных композитов, наполненных графитом, каолином и фосфогипсом, с увеличением содержания наполнителя коэффициент трения изменяется экстремально с минимумом (при содержании 30-50 масс.ч.). Аналогичный характер изменения триботехнических свойств эпоксидных композитов наблюдается при введении металлических наполнителей и их окислов, но при более высоких значениях наполнителей (до 150-200 масс. ч.).

Результаты влияния вида наполнителя и режима ультразвука на триботехнические свойства эпоксидных композитов показаны на рисунках 2 и 3 (мощность - 90 Вт, продолжительность - 25-35 мин).

С увеличением количественного содержания большинства наполнителей интенсивность изнашивания эпоксидных композиционных покрытий вначале снижается,

затем, пройдя через минимум, увеличивается. Причем положение минимума и его величина зависят от вида наполнителя. Введение в композиции графита, каолина и фосфогипса вызывает снижение изнашивания покрытий, стекловолокно снижает интенсивность изнашивания эпоксидных покрытий на один порядок. Износостойкость композиционных эпоксидных покрытий уменьшается с увеличением содержания всех наполнителей свыше 40 мес. (кроме фосфогипса и стекловолокна), при этом у покрытий, наполненных графитом, она больше, чем у покрытий без наполнителей (рисунок 2 а).

10 20 30 40 50 С, масса.ч

1 - стекловолокно; 2 - каолин; 3 - тальк; 4 - фосфогипс;

5 - графит Рисунок 1 - Коэффициент трения композиционных эпоксидных покрытий, обработанных ультразвуковом

С увеличением содержания металлических наполнителей интенсивность изнашивания композиционных эпоксидных покрытий изменяется экстремально. Например, минимум интенсивности изнашивания наблюдается для окислов при 100-150 масс. ч., для медного и железного порошков - 200-300 масс. ч. С повышением их концентрации интенсивность изнашивания и коэффициент трения увеличиваются (рисунок 2 б).

Интенсивность изнашивания полимерных покрытий с ростом фактора РУ увеличивается, причем с разной интенсивностью в зависимости от вида материала. Интенсивность изнашивания у всех покрытий имеет сравнительно одинаковую тенденцию до значение РУ=0,04 МПам/с (рисунок 2 б, в), а с увеличением РУ до 0,08 МПам/с и более интенсивность изнашивания резко возрастает. Высокой износостойкостью обладают покрытия, наполненные стекловолокном и фосфогипсом. Оптимальным значением фактора РУ является 0,04-0,05 МПам/с.

Оптимальным содержанием наполнителей, при котором уменьшается коэффициент трения эпоксидных композиций, является 35-45 масс. ч. графита и фосфогипса, 150-250 масс. ч медного и железного порошка (рисунок 2 г). Минимальное изнашивание эпоксидных композиций является 35-45 масс. ч. стекловолокна и фосфо-гипса, 200-250 масс. ч. железного и медного порошка.

Обработка ультразвуком позволяет получить высо-конаполненные композиционные материалы, обладающие достаточно высоким комплексом физико-механических свойств. Модифицированные ультразвуком композиционные материалы и покрытия из них обладают достаточно высокой прочностью при наполнении 30-50 масс. ч., в то время как немодифицированные - при 20-30 масс. ч.

а)

20 3 0 40 90 60

С, масса.ч

Л >

2,8

2,1

2,0

0,8

б)

0,08 0,10 РУ, МПа и/с

1 - графит; 2-сажа; 3-тальк; 4-каолин; 5-стекловолокно 1 - оксид меди; 2 - медный порошок; 3-железный порошок

ло

о,б

0,2

РУ=0,04МПам/с

в)

100 200 300 С, масса.ч

1 - графит; 2 - каолин; 3 - фосфогипс; 4 - стекловолокно

ло1'*

РУ=0,04МПаМс N73=908?, вр=30мин

0,12 . 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,10 / 1 - фосфогипс; 2 - железный порошок

Рисунок 2 - Интенсивность изнашивания эпоксидных композиционных покрытий, обработанных ультразвуковом

На основе проведенных исследований нами установлено, что с увеличением продолжительности ультразвукового воздействия интенсивность изнашивания и коэффициент трения покрытий уменьшаются. Наилучшие результаты для эпоксидных покрытий достигаются при продолжительности (1вр) 25-35 мин. Сравнительный анализ наполненных эпоксидных композиций, обработанных и не обработанных ультразвуком, показал, что интенсивность изнашивания покрытий, обработанных ультразвуком, снижается до 1,5-2 раз.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ На основе анализа результатов исследования получена корреляционная зависимость интенсивности изнашива-

ния и коэффициента трения наполненных эпоксидных покрытий от режимов ультразвуковой обработки (рисунок 3).

Зависимость интенсивности изнашивания и коэффициента трения от продолжительности воздействия ультразвукового поля носят в основном экстремальный характер. Оптимальное изменение этих свойств наблюдается при длительности обработки 25-35 мин. Дальнейшее увеличение длительности воздействия приводит к ухудшению свойств покрытий. Повышение мощности ультразвуковой обработки приводит к пропорциональному увеличению интенсивности изнашивания покрытий. Коэффициент трения композиционных покрытий изменяется незначительно до мощности ультразвука, равной 100 Вт, а дальнейшее ее увеличение приводит к резкому увеличе-

♦

нию коэффициента трения и тем самым к снижению износостойкости покрытий. Анализируя эти данные, можно заключить, что для всех покрытий изменение интенсивности изнашивания и коэффициента трения коррели-руется с изменением физико-механических свойств эпоксидных композитов.

1 - графит; 2 - железный порошок Рисунок 3 - Корреляционная зависимость интенсивности изнашивания и коэффициента трения композиционных эпоксидных покрытий от режимов ультразвуковой обработки

Результаты исследования показали, что ультразвуковое воздействие приводит к снижению интенсивности изнашивания покрытий. При этом для эпоксидных композиционных покрытий максимальное относительное снижение коэффициента трения составляет А/тах =15-20% и

интенсивности изнашивания Д/тах =30-40%. Очевидно, такая эффективность ультразвуковой обработки покрытий объясняется повышением реакционной способности полимерной матрицы и наполнителей в ультразвуковом поле. При этом изменение мощности ультразвукового поля оказывает аналогичное воздействие на коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Анализируя полученные данные, можно заключить, что для всех покрытий изменение интенсивности изнашивания и коэффициента трения коррелируется с изменением адгезионной прочности и микротвердости покрытия (таблица1).

Ультразвуковое воздействие более эффективно, если эпоксидная композиция наполнена железным порошком и фосфогипсом. Наполнение графитом также дает

положительный эффект: А/тах снижается до 15% при

Д/тах =40%, что достигается 30-35-минутной ультразвуковой обработкой. Ультразвуковая обработка эпоксидных композитов дает хорошие результаты при наполнении железным порошком (продолжительности ультразвука т вр = 20-25 мин), тальком (т = 25-30 мин) и графитом (т = 30-35 мин). Необходимо отметить, что для ненаполненных эпоксидных композитов Д/тах = 80%,

Д/тах = 32% и для наполненных Д/тах = ^ Д/^ = 20%. Это объясняется тем, что наполнители создают определенные ограничения и тем самым снижают эффективность ультразвуковой обработки при больших их содержаниях.

Микроскопические исследования структуры отвер-жденных полимерных композитов показали (рисунок 4), что под воздействием оптимального режима ультразвука наблюдается дезагрегатизация частиц наполнителей, уменьшение количества воздушных включений, образуется более однородная структура, равномерное распределение компонентов материала, чистота поверхности. Благодаря этому полученные композиционные материалы отличаются высокими показателями.

б)

Рисунок 4 - Структура эпоксидных покрытий до (а) и после (б) ультразвуковой обработки

Таблица 1 - Свойства композиционных эпоксидных покрытий, подвергнутых ультразвуковой обработке

Состав Композиции Свойства покрытий Продолжительность ультразвуковой обработки, мин

0 10 20 30 40

1 2 3 4 5 6 7

ЭД+ Фосфогипс СА,МПа 18 18 20 19 17

Ауд, Нм 2,70 6,5 7,0 7,5 7,0

Нм, МПа 150 180 200 230 225

вр, МПа 15,5 19 20 23 21

Примечание: йа - адгезионная прочность, Ауд - ударная прочность, Ни - микротвердость покрытий, - разрывная прочность.

Увеличение продолжительности воздействия ультразвука более 30-40 мин приводит к ухудшению свойств полимерных композитов. Это объясняется тем, что при этих режимах в материалах протекают, по-видимому, процессы деструкции, что приводит к снижению физико-механических свойств полимерных композитов. Улучшение физико-механических свойств после предварительной обработки композиций ультразвуком связано со структурными изменениями в полимере, характером распределения компонентов наполнителей в объеме, изменением величины поверхностного натяжения, вязкости и других физико-химических свойств композиций. Далее при обработке ультразвуком снижается величина поверхностного натяжения, что улучшает совместимость, взаимную диффузию компонентов, гомогенность наполненных композиций и адгезионное взаимодействие фаз. Улучшение свойств в оптимальных режимах обработки ультразвуком полимерных композитов на основе реактопла-стов можно объяснить дополнительным структурированием (повышением степени отверждения) и интенсификацией процесса отверждения. Это приводит к ориентации структур, упрочнению полярности полимерных композитов, повышению твердости поверхностных слоев.

ВЫВОДЫ

1 Триботехнические свойства полимерных покрытий во многом зависят от режима ультразвуковой обработки. После ультразвуковой обработки композиционные материалы и покрытия на их основе отличаются более высокими антифрикционно-износостойкими свойствами за счет улучшения их физико-механических свойств.

2 Под воздействием оптимального режима ультразвука наблюдается дезагрегатизация частиц наполнителей, уменьшение количества воздушных включений, образуется более однородная структура, равномерное распределение компонентов материала, чистота поверхности.

3 Ультразвуковая обработка композиционных эпоксидных покрытий снижает коэффициент трения на 15-25%, повышает износостойкость на 25-30%, т.е. до 1,52,0 раз по сравнению с необработанными покрытиями.

4 Ультразвуковая обработка композиционных эпоксидных покрытий повышает степень наполнения композиций на 30-55%, в зависимости от вида наполнителя.

Список литературы

1 Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М.: Химия, 1998. 380 с.

2 Берлин Ал.Ал., Басин В. Ф. Основы адгезии полимеров. М.: Наука,

1999. 325 с.

3 Негматов С.С., Евдокимов Ю.М., Садиков Х.У. Адгезионные и

прочностные свойства полимерных материалов и покрытий на

их основе. Ташкент: Узбекистан, 1980. 230 с.

4 Негматов С. С., Джумабаев А.Б., Алматаев Т.О. и др. Дисковый

трибометр. ПатентРес.Уз. № 1989.