close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Нанесение металл-полимерных покрытий методом холодного газодинамического напыления.

код для вставкиСкачать
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
101
Нанесение металл-полимерных покрытий методом
холодного газодинамического напыления
А.П. Алхимов, В.Ф. Косарев, В.В. Лаврушин
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
В работе представлены результаты экспериментального исследования формирования покрытий и компактирования порошковых металл-полимерных материалов. Приведены различные физико-технические свойства таких материалов и результаты моделирования трения металл-полимерного композита. Показано, что порошковые металл-полимерные материалы, скомпактированные газодинамическим методом, обладают достаточно высокими адгезионно-когезионными свойствами, позволяющими использовать их при работе в парах трения; высокими электропроводящими свойствами, близкими к электропроводности исходных
металлов; низким коэффициентом сухого трения, близким к коэффициенту трения тефлона.
1. Введение
Физические и химические свойства ультрадисперсных порошков политетрафторэтилена и композитных
порошковых металл-полимерных материалов [1, 2] свидетельствуют об их широких функциональных возможностях. В связи с этим, вполне естественна попытка
найти технические решения формирования покрытий
и компактирования таких порошковых материалов.
Однако политетрафторэтилен (ПТФЭ), его коммерческое название тефлон, отличается уникальной химической инертностью, крайне низкой адгезией и, в связи
с этим, высокими антифрикционными свойствами. Он
имеет один из самых низких коэффициентов сухого трения в широком диапазоне температур. Способность политетрафторэтилена пластически деформироваться при
низких напряжениях и растекаться в тонкие пленки создает потенциальный барьер для соединения многокомпонентных металлических и полимерных порошков
между собой и с основой при нанесении покрытий.
Исходя из свойств порошковых материалов политетрафторэтилена и особенностей физико-химических процессов, происходящих при газодинамическом напылении, были выработаны подходы для исследования возможности компактирования тефлонсодержащих порошковых материалов.
2. Установка и материалы
Экспериментальные исследования проводились на
установке холодного газодинамического напыления,
© Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В., 2002
схема которой приведена в [3]. Установка обеспечивала
широкий диапазон динамических и температурных параметров (скорость частиц 400–1 200 м/с, температура
торможения рабочего газа 10–500 °С) за счет использования различных способов ускорения частиц, описанных в [3].
На первом этапе изучалось поведение мелкодисперсного политетрафторэтилена типа «Форум» (Институт химии ДВО РАН) при его взаимодействии с поверхностью преграды в условиях ударного нагружения. Эксперименты по взаимодействию сверхзвуковой струи
(газ + политетрафторэтилен) с преградой показали, что
при некоторых температурно-динамических режимах
формируются неоднородные по структуре тонкие пленки политетрафторэтилена. Как показал экспресс-анализ, эти пленки обладают слабой адгезией к материалу
подложки, несплошностью, элементами рыхлости и пропусками.
Предварительно можно сказать, что физико-химическая активация, вызванная ударным взаимодействием
частиц политетрафторэтилена с преградой, недостаточна для формирования адгезионно прочных покрытий
политетрафторэтилена, представляющих практический
интерес.
Однако было замечено, что процесс формирования
газопорошковых струй с политетрафторэтиленом намного упрощается, если в такую двухфазную струю вводить частицы металлов, сплавов или композитов. При
этом можно было не только снизить влияние трибоэлектрического эффекта, приводящего к налипанию
102
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
частиц политетрафторэтилена на стенки пневмопроводов, но и почти устранить его при определенном соотношении компонентов. Другими словами, появилась
реальная возможность проведения экспериментальных
исследований взаимодействия многокомпонентных газопорошковых потоков с преградой и формирования
металл-полимерных покрытий и материалов.
В опытах по взаимодействию сверхзвуковых газопорошковых потоков с преградой использовались мелко- и ультрадисперсные композитные материалы, изготовленные по технологии Института химии твердого
тела и механохимии СО РАН. Метод получения порошковых композитов из смеси частиц металлов изложен в
[4]. Следует заметить, что основной цикл исследований проведен с использованием металл-полимерных
(политетрафторэтилен) частиц, получаемых в результате совместной механической обработки исходных порошков металлов (Cu, Al и т.д.) и политетрафторэтилена. В этом случае частица металла полностью или
частично покрывается фторуглеродом. Другой метод
получения композитных частиц, разработанный в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН,
позволяет формировать обратную морфологию, т.е. на
поверхность частиц из политетрафторэтилена химическим осаждением наносить тонкий слой металла. И хотя
такие композитные частицы компактировать методом
холодного газодинамического напыления значительно
проще, однако сложная на настоящий момент технология ограничивает объемы производства таких частиц,
требуемые для более полных исследований.
Кроме указанных порошков, в некоторых случаях
использовались многокомпонентные композитные порошки, например с добавкой твердых материалов типа
карбида вольфрама, и более сложные механические
смеси, в состав которых входят серийно выпускаемые
в России порошковые материалы.
3. Результаты исследования
Металл-полимерные композиционные частицы, изготовленные по технологии совместной механохимической активации, предварительно отбирались по размеру (просеивались через сито 45 мкм) и форме (с помощью микроскопа отбирались партии со сфероидальной или иной, но объемной формой), так как плоские
частицы не образовывали покрытий даже при очень малом содержании политетрафторэтилена.
Для композиции медь + политетрафторэтилен экспериментально найденный температурно-динамический режим соответствовал следующим основным параметрам: давление торможения рабочего газа (воздух)
p0 = 1.5 – 1.8 МПа, температура торможения рабочего
газа T0 = 300–350 °С. Использовались сопла с числом
Маха на срезе в диапазоне М = 2.5–3.
Как показали эксперименты, коэффициент осаждения k частиц на подложке, в основном, определяется
содержанием тефлона в композиции. При содержании
политетрафторэтилена в композиции ? 1 % по массе
процесс компактирования не вызывал технологических
трудностей. Можно было формировать покрытия толщиной ? ? 100 мкм с коэффициентом оседания k ? 0.5.
При увеличении относительной массы политетрафторэтилена до 3 % коэффициент k уменьшался почти в 1.5
раза, а при массовой доле более 10 % был близок к нулю.
Для композитных порошков, состоящих из частиц
алюминия (исходный материал — порошок ПАВЧ и
пудра ПАП) и политетрафторэтилена с исходной массовой концентрацией от 1 до 6 %, температурно-динамический режим соответствовал следующим параметрам:
p0 = 1.4–1.6 МПа, T0 = 300–350 °С, М = 2.5–3.
Качественная картина процесса компактирования
была почти такая же, как и для предыдущих материалов.
Однако в количественном отношении наблюдались отличия. Так, верхний предел концентрации политетрафторэтилена, при котором композитные порошки
Al + ПТФЭ не компактировались и не образовывали покрытий, составлял величину 5–6 %.
Чтобы однозначно убедиться в том, что на процесс
компактирования при заданном температурно-динамическом режиме влияет в основном концентрация политетрафторэтилена, были проведены специальные эксперименты. Они заключались в том, что в композитный
порошок с известными составом и способностью к
компактированию добавлялся серийно выпускаемый в
России порошок, образующий матрицу материала покрытия. Например, в порошкообразный композит Al +
5 % ПТФЭ добавлялся порошок алюминия ПАВЧ (массовое содержание 5, 10 % и т.д.). При этом, если порошок композита Al + 5 % ПТФЭ не компактировался и
покрытие на различных металлических и керамических
подложках не формировалось, то при добавлении 5 %
порошка ПАВЧ покрытия формировались стабильно.
Кроме того, по мере увеличения добавки ПАВЧ возрастала эффективность компактирования. Аналогичные закономерности влияния концентрации ПАВЧ наблюдались как для двухкомпонентных композитных порошков типа Cu + ПТФЭ с добавлением медного порошка
ПМС-2, так и для многокомпонентных типа (Cu + TiB 2 +
ПТФЭ) + ПМС; (WC + Cu + ПТФЭ) + ПМС.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о сильном влиянии концентрации фторуглерода на процесс образования адгезионно-когезионных
связей композитных металл-полимерных порошков при
их ударном взаимодействии с преградой. Кроме того,
проведенные исследования позволили определить физико-химические условия компактирования (формирования покрытий), а именно: выбрать температурно-динамический режим, концентрационные пределы политетрафторэтилена, при которых реализуются процессы
компактирования многокомпонентных композитных и
смесевых порошковых тефлонсодержащих материалов.
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
103
В соответствии с этим, методом холодного газодинамического напыления были изготовлены серии образцов с покрытиями и скомпактированными порошковыми материалами с различным типом и содержанием исходных компонентов для изучения их физико-технических свойств.
4. Физико-технические свойства металл-полимерных тонких слоев и скомпактированных
порошковых материалов
Как отмечено выше, исходные порошки металлов,
окислов и фторуглеродного полимера при получении
композитных порошков и материалов подвергались различным физико-химическим воздействиям. В связи с
этим, можно было ожидать изменения химического состава и иных свойств конечного продукта. В частности, при совместной механохимической активации в шаровых мельницах возможно появление материала, из
которого состоит данное оборудование (стальные стенки, шары). При газодинамическом ударном нагружении
также возможны изменения исходной кристаллической
решетки, включая частичную аморфизацию.
Поэтому, кроме оптических исследований (микроскопия) проводился химический анализ вышеупомянутых веществ.
5. Результаты исследования методом дифракции
синхротронного излучения
Диагностика осуществлялась методом дифракции
синхротронного излучения (Институт ядерной физики
СО РАН) на исследуемых образцах. В частности, на
рис. 1–3 приведены дифрактограммы исходного порошка политетрафторэтилена, произведенного в Институте
химии ДВО РАН (рис. 1); медь-тефлонового композита,
изготовленного в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН по технологии совместного механохимического дробления и плакирования исходных порошков меди и тефлона (рис. 2); скомпактированного
методом холодного газодинамического напыления покрытия из порошкового медь-тефлонового композита
(рис. 3).
Сравнительный анализ таких данных показал, что
при невысоком процентном содержании тефлона в
медь-тефлоновом композите четко прослеживается одна и та же линия тефлона (2.45–2.46) на исходном политетрафторэтилене (рис. 1) и на композите (рис. 2). На
рис. 2 также видна более интенсивная линия меди
(2.09). Дифрактограмма скомпактированного материала
(рис. 3) показывает, что в покрытии сохраняются присутствующие в нанокомпозите исходные вещества (медь
и тефлон), при этом каких-либо иных веществ не просматривается.
Аналогичные данные для других комбинаций свидетельствуют, что применяемые процессы воздействия
Рис. 1. Дифрактограмма исходного порошка политетрафторэтилена
Рис. 2. Дифрактограмма медь-тефлонового композита
Рис. 3. Дифрактограмма скомпактированнного методом холодного газодинамического напыления покрытия из порошкового медь-тефлонового композита
на исходные порошковые материалы и композиты не
приводят к появлению каких-либо инородных включений, которые могли бы существенно повлиять на конечный продукт. Кроме того, из сравнительного анализа
рисунков 2 и 3 видно, что интенсивности линий меди и
политетрафторэтилена в композитном порошке и в
скомпактированном покрытии практически не отличаются.
Таким образом, можно сделать вывод, что газодинамическое компактирование не вносит существенных изменений в соотношение исходных компонентов в по-
104
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
Таблица 1
Подложка
Прочность
сцепления,
МПа
(Al + 5 % ПТФЭ)
Дюраль Д16
10–15
(Al + 3 % ПТФЭ)
Дюраль Д16
15–20
(Al + 1 % ПТФЭ)
Дюраль Д16
25–30
(Al + 1 % ПТФЭ) + 50 % ПАВЧ
Дюраль Д16
30–35
(Al + 1 % ПТФЭ) + 90 % ПАВЧ
Дюраль Д16
30–35
(Cu + 5 % ПТФЭ)
Медь
15–20
(Cu + 1 % ПТФЭ)
Медь
20–25
(Cu + TiB 2 + 1 % ПТФЭ)
Медь
20–25
(WC + Cu + 0.1 % ПТФЭ)
Медь
30–35
Когезионный разрыв, толстые слои
(Cu + TiB 2 + 1 % ПТФЭ) + 40 % Cu
Медь
25–30
Добавлялась медь марки ПМС-2
(Cu + TiB 2 + 0.1 % ПТФЭ) + 40 % Cu
Медь
30–40
Когезионный разрыв, толстые слои
Материалы
Покрытие
рошках композитов. Кроме того, оно позволяет создавать скомпактированные в виде покрытий композитные
материалы определенного состава и за счет этого изменять физико-технические свойства материала.
Ниже приведены некоторые из этих свойств, представляющие наибольший интерес, а именно: адгезионно-когезионные, электропроводящие, триботехнические.
6. Адгезионно-когезионная прочность
Для оценки прочностных свойств сравнительно тонких слоев использовался метод решетчатых надрезов
по ГОСТ 15140-78. Адгезия оценивалась по четырехбалльной системе. Для материалов покрытий
Cu + (1–5) % ПТФЭ и Al + (1–5) % ПТФЭ на подложках
из меди, алюминия и их некоторых сплавов отслаиваний, за редким исключением, ни в одном из квадратов
решетки не наблюдалось. В случае более толстых слоев,
толщиной сотни микрометров и более (компактные материалы), использовались штифтовый и клеевой методы.
Характерные значения адгезионной и когезионной
прочности приведены в таблице 1.
Из приведенных в таблице данных видна зависимость прочности адгезионно-когезионного сцепления
от содержания политетрафторэтилена. При уменьшении
содержания от 5 до 1 % прочность существенно возрастает, но с дальнейшим уменьшением содержания политетрафторэтилена практически не изменяется. Это характерно как для двухкомпонентных, так и для многокомпонентных композитов. Обобщая эти результаты,
следует заметить, что металлические матрицы на основе
меди и алюминия с добавлением тефлона около 1 % и
Примечание
В скобках указан состав
композиционного порошка
Добавлялся алюминий
марки ПАВЧ
менее обладают достаточно высокой прочностью и могут использоваться в парах трения.
7. Электросопротивление композитных
материалов
Электропроводящие свойства покрытий изучены недостаточно. Некоторые данные по электросопротивлению покрытий из алюминия и его сплавов приведены
в [5]. В частности, определено, что для плазменных покрытий Al и его сплавов отмечается увеличение удельного сопротивления в два и более раза, по сравнению с
исходным.
Измерения электросопротивления порошковых композиций Al + ПТФЭ и Cu + ПТФЭ проводились на образцах, основу которых составляла керамика из Al 2 O 3 .
Для уменьшения относительной ошибки измерений (погрешность составляла ± 2 мкОм) использовались покрытия в виде прямоугольной полоски малой толщины
? s = 30–100 мкм, длиной 80–100 мм и шириной 5 мм.
Указанные геометрические параметры образцов подбирались так, чтобы ожидаемая величина их электросопротивления была не менее (5–10) ? 10–3 Ом. Удельное
сопротивление композитных покрытий (Al +
1 % ПТФЭ) + 90 % ПАВЧ при 20 °С составило ? =
= 2.9 мкОм ? см, что практически совпадает с удельным
электросопротивлением исходного материала типа А5,
из которого изготовлен порошок Al, величина которого
? = 2.8 мкОм ? см при 20 °С. Для тефлонсодержащих
медных композитов со стандартным порошком ПМС-2,
содержащим 99.6 % меди: (Cu + 1 % ПТФЭ) + 90 % Cu,
(Cu + TiB 2 + 0.1 % ПТФЭ), (WC + Cu + 0.1 % ПТФЭ) +
+ 40 % Cu величина удельного сопротивления состави-
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
Рис. 4. Зависимость от нагрузки коэффициента трения композиции
(WС?Cu + 0.1 % FC)60 % + Cu(ПМС)40 %
ла ? = 1.75–1.8 мкОм ? см. Удельное сопротивление меди, из которой изготовлялся порошок ПМС-2, составляет при 20 °С величину ? = 1.73 мкОм ? см.
Из представленных данных следует, что метод холодного газодинамического напыления не вносит существенного увеличения удельного электросопротивления
в токопроводящие покрытия по сравнению с исходным.
Кроме того, также следует, что при добавлении политетрафторэтилена ? 1 % в токопроводящие порошки,
удельное электросопротивление изменяется незначительно, в пределах (1–4) % и, в основном, определяется
видом материала металлической матрицы. Отсюда можно сделать вывод, что такие композитные материалы,
скомпактированные газодинамическим методом в виде
покрытий, можно использовать в различных системах
скользящего токосъема.
8. Триботехнические свойства тефлонсодержащих
покрытий
Как уже отмечалось, политетрафторэтилен обладает
одним из самых низких коэффициентов сухого трения.
В связи с этим вызывает научный и практический интерес возможность использования такого материала в
виде порошка в композитных покрытиях.
Испытания образцов из композиционных порошков,
содержащих медь, карбид вольфрама и фторуглерод типа «Форум», проводились на оборудовании Новосибирской Академии водного транспорта. Скомпактированные газодинамическим методом композитные порошки такого состава имеют высокую износостойкость.
По этой причине этот состав был принят за основу при
получении образцов покрытий с добавлением серийного порошка меди и определении коэффициента трения.
На рис. 4 представлены, в качестве примера, данные зависимости коэффициента трения от нагрузки при
минимальном содержании политетрафторэтилена
105
Рис. 5. Троллейбусная токосъемная вставка с медь-полимерным покрытием
(? 1 %) для композиционного порошка из карбида вольфрама, меди, фторуглерода, а также добавлении медного
порошка типа ПМС-2.
Видно, что величина концентрации политетрафторэтилена (0.06–0.1) % является достаточной для реализации минимального коэффициента трения 0.05–0.07,
соизмеримого с величиной, характерной для трения
чистого тефлона с металлом. Такое поведение может
быть объяснено анизотропией прочностных свойств политетрафторэтилена и его способностью пластически
деформироваться и растекаться в тонкие, в том числе
молекулярные, пленки.
Одним из примеров таких деталей, где требуются
высокая электропроводность, низкий коэффициент трения и высокие адгезионно-когезионные и прочностными свойства являются троллейбусные токосъемные
вставки. На рис. 5 приведен фотоснимок токосъемника
с покрытием из медь-полимера с добавлением небольшого количества ? 1 % карбида вольфрама.
Предварительные результаты натурных испытаний
стандартных токосъемных троллейбусных вставок без
покрытия и с указанным выше покрытием показали, что
для последних пробег увеличился почти в два раза. Такое поведение, во многом, было ожидаемым, т.к. обусловлено высокой износостойкостью, включая электроэрозионную, и низким коэффициентом трения композиционного покрытия.
9. Моделирование трения металл-полимерного
композита
Для более полного понимания процессов, происходящих при трении образца из металл-полимерного композита, было проведено численное моделирование. Рассмотрим металлокомпозит, состоящий из металла
(медь) с равномерно распределенными с объемной концентрацией ? зернами вещества, обладающего более
низким, чем основная масса материала, коэффициентом
трения. При равномерном распределении в композите
включений тефлона по мере износа поверхности трения
106
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
Рис. 6. Сечение исходного образца композиционного материала: основной материал (1), включение тефлона (2)
он будет равномерно с износом поступать на поверхность.
10. Основные принципы моделирования
Промоделируем образец композиционного материала диском диаметром Dm и толщиной h, в центре
которого помещено включение цилиндрической формы
диаметром d t и толщиной, равной толщине диска h
(рис. 6).
При этом диаметр включения, для того чтобы получить объемную концентрацию ?, связан с диаметром
композита следующим образом
d t = Dm ? .
Кроме того, относительная площадь, занятая включениями тефлона в любом сечении образца, также как
и в модели, равна ?.
При линейном износе образца композита z вынос
тефлона на поверхность будет равен
?d 2
?Dm2
?
Vt ( z ) = z t = z
4
4
и соответственно при толщине пленки растекания ? t
площадь поверхности, занятой тефлоном (рис. 7):
S t ( z) =
?d t2
?d 2 1 ?d t2
+z t
=
4
4 ?t
4
?
z
?1 +
? ?
t
?
?
?=
?
?
3. Коэффициент трения композита в любой момент
времени можно представить как
?c = s t ?t + (1 ? s t )?m ,
где ?c , ?t , ?m — коэффициенты трения композита,
тефлона и основного материала соответственно; s t —
относительная площадь поверхности, занятой растекшимся тефлоном.
4. Текущая скорость износа композитного материала
пропорциональна коэффициенту трения.
Толщина пленки растекания тефлона ? t определяется свойствами материала и условиями при трении
(нагрузка, температура и т.д.) и должна быть задана при
моделировании. В дальнейшем мы примем ее равной
? t = 10 ? 10 ?9 м.
Из (1) следует, что при определенной величине износа, зависящей от объемной концентрации тефлона и толщины пленки его растекания, тефлон покроет всю поверхность образца металлокомпозита и будут выполнены условия минимального коэффициента трения и
соответственно минимальной скорости износа, характерных для трения чистого тефлона по металлической
поверхности. Однако на практике необходимо, чтобы
это произошло при износе, не превышающем определенную величину z *. Это, в свою очередь, накладывает
условие на минимальную концентрацию тефлона в композите, которая определяется по формуле
?
1
? min =
? t.
(2)
1 + z* ? t z*
Из предположения 4 мы имеем
L
L z 0 = ??m ? ? = z 0 .
?m
И, кроме того,
L
dz
= L z ( z ) = ??c = z 0 [ s t ? t + (1 ? st )?m ].
?m
dt
?Dm2
4
?
z ?
?1 + ?? .
? ?
t ?
?
Относительная площадь поверхности образца, занятая тефлоном, может быть записана как
=?
? ?
1? ?
z ?
,
?? ??1 + ?? при z ? ? t
?
?t ?
?
(1)
st ( z) = ? ?
1? ?
?
1
при z > ? t
.
?
?
?
При моделировании считалось, что:
1. Скорость износа материала без включений тефлона равна L z 0 .
2. По мере износа на поверхность композиции выходит зерно включения и растекается по поверхности
пленкой толщиной ? t .
Рис. 7. Образец композиционного материала, вид со стороны поверхности трения
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
107
Введя характерное время t t = z * L z 0 и перейдя к относительным переменным ? = t t t , ? = z z * и ??t =
= ? t ?m , получим выражение
d?
= st (? ) ??t + [1 ? s t (? )] =
d?
= 1 ? st (? )(1 ? ??t ).
(3)
Подставляя в (3) соотношение (1), получим
?
? z* ?
?1 ? ? ??1 + ? ?? (1 ? ??t ) при ? ?
d? ?
? ?t ?
=?
d? ?
при ? >
??t
?
?
?t 1 ? ?
,
z* ?
?t 1 ? ?
.
z* ?
(4)
Решая это уравнение, мы найдем, как меняются во
времени все интересующие нас величины: линейный
износ, скорость линейного износа, коэффициент трения
и относительная поверхность трения композиционного
материала, покрытая пленкой тефлона.
?t
1
, ?* = ? 0 ln
Введя обозначения ? 0 =
*
??
?
?z (1 ? ? t )
t
(соответствует времени полного заполнения поверхности трения тефлоном) и проинтегрировав выражение (3),
заменив ? на s t (? ), получим зависимость от относительного времени относительной площади поверхности
трения, занятой тефлоном:
?
? ? ?
? exp?? ? ? 0 ?? ? ??t
?1 ?
при ? ? ?*
s t (?) = ?
1 ? ??t
?
??
1
при ? > ?* .
Рис. 8. Зависимости от относительного времени относительной площади поверхности трения композиционного материала, занятой тефлоном: 1 — ? = ? min , ? 0 = 1.1, ? * = 2.56, t * = 256 с; 2 — ? = 2 ? min ,
? 0 = 0.55; ? * = 1.28; t * = 128 с; 3 — ? = 0.5 ? min , ? 0 = 2.2; ? * = 5.12;
t * = 512 с
(5)
Из уравнения (1) следует, что
? ( ?) = ?0 (1 ? ??е )( s t ? ?)
и соответственно зависимость от относительного времени относительного линейного износа может быть переписана в виде:
Рис. 9. Зависимости от относительного времени относительных скорости линейного износа и коэффициента трения композиционного
материала: 1 — ? = ? min , ? 0 = 1.1, ? * = 2.56, t * = 256 с; 2 —
? = 2 ? min , ? 0 = 0.55; ? * = 1.28; t * = 128 с; 3 — ? = 0.5 ? min ,
? 0 = 2.2; ? * = 5.12; t * = 512 с
??? [1 ? ?(1 ? ??е ) ? exp(? ? ? 0 )] при ? ? ?*,
?(?) = ? 0
(6)
??? 0 (1 ? ??е )(1 ? ?) + ??t (? ? ?* ) при ? > ?* .
Зависимости от относительного времени относительного коэффициента трения ??c = ?c ? m и относительной скорости износа L z? = L z L z? 0 одинаковы и могут быть записаны в следующем виде
??exp(? ? ? 0 ) при ? ? ?*,
??c ( ?), L z? = ?
??
при ? ? ?*.
??t
(7)
11. Результаты моделирования и обсуждение
Примем следующие значения величин, необходимых при моделировании: коэффициент трения основного материала ? m = 0.3; коэффициент трения тефлона
по металлу ?t = 0.03; начальная скорость линейного
Рис. 10. Зависимости от относительного времени относительного линейного износа композиционного материала: 1 — ? = ? min , ? 0 = 1.1,
? * = 2.56, t * = 256 с; 2 — ? = 2 ? min , ? 0 = 0.55; ? * = 1.28; t * = 128 с;
3 — ? = 0.5 ? min , ? 0 = 2.2; ?* = 5.12; t * = 512 с
108
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. / Физическая мезомеханика 5 6 (2002) 101–108
износа, характерная для трения металла по металлу
L z 0 = 10 ?6 м/с; толщина пленки растекания тефлона по
поверхности трения ? t = 10 ? 10 ?9 м; критический линейный износ z * = 100 ? 10 ?6 м; характерное время будет
равно соответственно t t = 100 с; объемную концентрацию включений тефлона в процессе моделирования будем варьировать вокруг величины ? min , определяемой
по (2).
На рис. 8–10 представлены зависимости от относительного времени относительных площади поверхности
трения, занятой тефлоном (рис. 8), скорости линейного
износа и коэффициента трения (рис. 9) и линейного износа (рис. 10) композиционного материала при различных объемных концентрациях включений тефлона.
Как показывают результаты (рис. 8), триботехнические параметры изменяются во времени, поскольку в
процессе трения все большая поверхность трущейся
плоскости покрывается тонкой пленкой тефлона. Видно, что при достаточно малой объемной концентрации
тефлона в композиционном материале, составляющей
величину ? ? 0.5 ? 10 ?4, по истечении некоторого времени от начала процесса трения уже реализуются условия, обуславливающие достижение очень низких значений коэффициента трения ?, близкого к коэффициенту трения тефлона (рис. 9) и скорости линейного
износа металл-полимерного материала (рис. 10). Анализ результатов, приведенных на рис. 8–10, показывает,
что наиболее высокие триботехнические свойства достигаются через несколько минут, после того как пленка тефлона почти полностью покроет трущуюся поверхность.
Определенная в результате моделирования величина
минимальной объемной концентрации, которая является достаточной для достижения высоких триботехнических свойств, хорошо согласуется с экспериментальными данными.
12. Заключение
Обобщая результаты моделирования и данные о физико-технических свойствах порошковых металл-полимерных тонких слоев и материалов, скомпактированных
газодинамическим методом, необходимо отметить, что
такие материалы обладают достаточно высокими адгезионно-когезионными прочностными свойствами, позволяющими использовать их при работе в парах трения; высокими электропроводящими свойствами, близкими к электропроводности исходных металлов; низким
коэффициентом сухого трения, близким к коэффициенту трения тефлона. Добавление в небольшом количестве
в порошковые смеси высокодисперсных порошков карбидов, боридов металлов и других подобных материалов позволяет значительно расширить диапазон достижимых технических параметров, включая износостойкость, твердость и т.д., не изменяя электропроводности
и коэффициента трения изделий.
Примеры, аналогичные приведенному на рис. 5, свидетельствуют о перспективности применения разработанных порошковых композитов микро- и ультрадисперсного размера, а также покрытий и материалов
скомпактированных методом холодного газодинамического напыления, в различных областях машиностроения, при создании энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Работа выполнена в рамках интеграционного проекта СО РАН и ДВО РАН «Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение)» и интеграционного проекта СО РАН «Мезомеханика поверхности
и внутренних границ раздела гетерогенных материалов».
Литература
1. Паншин Ю.А., Малневич С.Г., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. –
Л.: Химия, 1978. – 230 с.
2. Бузник В.М., Цветков А.К., Матвеенко Л.А. Диспергирование политетрафторэтилена для рационального использования материалов // Химия в интересах устойчивого развития. – 1996. – № 4. –
С. 489–496.
3. Низкотемпературная плазма: Т. 18. Высокоэнергетические процессы обработки материалов / Под ред. М.Ф. Жукова и В.М. Фомина. – Новосибирск: Наука, 2000. – 425 с.
4. Патент РФ № 2149218 / В.М. Бузник, А.К. Цветков, А.П. Алхимов
и др. Состав для покрытий и способ его написания // Б.И. – 2000. –
№ 14.
5. Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. – М.: Машиностроение, 1981. – 192 с.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
374 Кб
Теги
металла, методов, напыления, полимерная, холодного, газодинамических, нанесения, покрытия
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа