Исследование антифрикционных свойств и износостойкости нанокомпозитов на основе модифицированной древесины

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

THE STUDI OF ANTIFRICTION PROPERTIES AND RESISTANCE OF NANOCOMPOSITES ON THE BASIS OF THE MODIFIED WOOD

Губанова Н.В.

Проведены исследования физико-механических и триботехнических свойств нанокомпозитов на основе модифицированной древесины с целью определения скорости изнашивания образцов с нанонаполнителями. В результате установлено, что введение нанонаполнителя увеличивает жесткость и прочность образцов.

Study of physico-mechanical and tpibotechnical properties of the nanocomposites based on modified wood were held. The aim of the research was to determine the rate of wear of the samples with filling nanomedium. As a result it is established that the introduction of nanofiller increases the rigidity and strength of the samples.

Ключевые слова: древесина; пропитка; трение; давление; температура.

Keywords: wood; impregnation; friction; pressure; temperature.

Для получения нанокомпозитов на основе модифицированной древесины использованы: смазка Biol, нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ), высокодисперсный кремнезем (А-300).

Испытания на трение и износ проводились на модернизированной машине трения МИ-1М на образцах в виде колодочки с торцевой рабочей поверхностью. Форма и размеры образцов приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Форма и размеры образцов для испытаний на трение (а) и износ (б): 1-образец из ДП (древесины прессованной), 2-оправка, 3-лунки на образцах

Образцы готовились по следующей технологической схеме: - получение спрессованных заготовок из древесины березы в виде брусков с размерами 65х65х300 мм и плотностью

1100 + 20 кг/м (ГОСТ 962981);

- выпиливание образцов в форме прямоугольной призмы из спрессованных брусков на фрезерном станке мод. 676; размеры образцов для испытаний на трение - 10х25х10 мм, для испытаний на износ - 10х5х10 мм;

- пропитка образцов в автоклаве под давлением 40 бар, образцы пропитывались минеральным маслом Индустриальное И-50А ГОСТ 20799-88, смазкой Biol ТУ 0253-004-72589978-2005 с добавками нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) и аэросила (А-300). После пропитки образцы содержали:

ДП-М1 - 12.. .14 % масла Индустриальное И-50А;

ДП-М2 - 10.12 % смазки Biol;

ДП-М3 - 10 % смазки Biol + 2 % НКЦ;

ДП-М4 - 10 % смазки Biol + 2 % НКЦ + 2 % аэросила (А-300);

- формирование поверхности трения на токарно-винторезном станке;

- доводка образцов.

Точность изготовления и количество образцов принимались по ГОСТ 16483.0-89.

На контактной поверхности каждого образца не должно быть трещин, сучков, сколов, рисок и других дефектов, видимых невооруженным глазом.

Шероховатость поверхности образцов должна быть не более Rz = 10 мкм (ГОСТ 2789-73).

Влажность образцов перед испытаниями составляла 0-2 %, для чего они высушивались до постоянной массы, а затем хранились в эксикаторе с обезвоженным хлористым кальцием.

В центре образца просверливалось отверстие диаметром 1,5 мм под термопару, которая устанавливалась на расстоянии 0,3 - 0,5 мм от поверхности трения. Образцы перед испытаниями прирабатывались. Приработка считалась законченной, если контактирующие поверхности образцов полностью прилегают к контртелу и если коэффициент трения не изменяется в течение двух часов непрерывной работы. Для определения износа на поверхности трения образцов нарезались лунки в соответствии с рекомендациями Р-50-54-36-88 и определялись их исходные размеры. Схема нарезания лунки на образцах показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема нарезания лунки на образцах: 1-образец, 2-резец, 3-лунка. ОА - радиус вращения вершины резца, ЕF - длина лунки

Контртелом служили металлические ролики с наружным диаметром 40 мм. Ролики изготовлялись из стали 45 (ГОСТ 1050-88) с последующей термообработкой и низкотемпературным отпуском до твердости HRC 45-50 (ИСО 6508-86). Рабочие поверхности роликов имели шероховатость в пределах от 0,63 до 0,40 мкм (ГОСТ 2789-73). Перед началом испытаний ролики обезжиривались ацетоном (ГОСТ 2603-79), а затем спиртом (ГОСТ 17299-78). Испытания образцов проводились по следующим направлениям. 1 . Исследование коэффициента трения образцов из ДПМ в зависимости от контактного давления и скорости скольжения. Режим испытаний: скорость скольжения V, м/с - 0,2; контактное давление P, МПа - 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0. Продолжительность испытания оставляла 8 часов. В процессе испытаний через каждый час работы установки определялись температура и коэффициент трения образцов.

2. Испытание образцов из ДПМ на износ. Режим испытаний: скорость скольжения V, м/с - 0,2; контактное давление P, МПа - 3,0; 6,0; скорость скольжения V, м/с - 0,8; контактное давление P, МПа - 1,0; 2,0.

Продолжительность опыта на изнашивание составляла 200 часов. В результате испытаний на трение и износ образцов из ДП-М установлено следующее.

1 . С увеличением контактного давления коэффициент трения снижается с 0,08.0,09 до 0,05.0,052 для ДП-М3 и ДП-М4. Для ДП-М1 и ДП-М2 коэффициент трения сначала снижается до значений 0,11 и 0,075 соответственно, а затем возрастает, что связано с ростом температуры до 110 и 140оС и интенсивным выносом смазки из зоны трения.

2. Для образцов из ДП-М3 и ДП-М4 температура при максимальной нагрузке 5,0 МПа не превышает 90-100оС и ее зависимость имеет линейный характер. Для образцов из ДП-М1 и ДП-М2 при нагрузках выше 4,0 МПа наблюдается более интенсивный рост температуры до 140 и 110 оС.

3. С увеличением скорости скольжения коэффициент трения для всех образцов сначала снижается, а затем возрастает. Минимальные значения коэффициент трения имеет в диапазоне скоростей 0,4-0,6 м/с. Для ДП-М1, ДП-М2, ДП-М3, ДП-М4 - соответственно 0,15; 0,07; 0,06; 0,05.

4. С ростом скорости скольжения наблюдается практически линейный рост температуры. Наибольшей работоспособностью по температурному режиму обладают образцы из ДП-М3 и ДП-М4 соответственно 98 и 106 оС.

5. Более высокой износостойкостью обладают образцы ДП-М3 и ДП-М4. Образцы ДП-М4, имеющие в своем составе смазку Biol с нанодисперсными наполнителями - нанокристаллической целлюлозой (НКЦ) и аэросилом (А-300) показали самую высокую износостойкость. По сравнению с образцами

из ДП-М1, имеющими в своем составе масло Индустриальное И-45, образцы из ДП-М4 в 4.. .4,5 раза выше по износостойкости.

По результатам исследования антифрикционных свойств и износостойкости для производственных испытаний рекомендуется прессованная древесина (ДП), пропитанная смазкой Biol с нанодобавками аэросила (А-300) и на-нокристаллической целлюлозы (НКЦ).

В результате исследования физико-механических и триботехнических свойств нанокомпозитов на основе модифицированной древесины установлено, что за счет введения порошка активированной наноцеллюлозы в модифицированный состав, увеличивается жесткость и прочность модифицированной древесины.

Список использованных источников

1. Мышкин Н.К., Свириденок А.И., Фридрих К. Развитие трибологии полимерных материалов [Текст] / Н.К. Мышкин, А.И. Свириденок, К. Фридрих // Полимерные композиты и трибология: материалы международной научно-технической конференции. -Гомель, 2011.-С.3.

2. Борисенко Л.И. и др. Трибологические свойства новых кремнеземных смазок [Текст] / Л.И. Борисенко // Полимерные композиты и трибология: материалы международной научно-технической конференции. -Гомель, 2011.-С. 48-49.