Міністерство освіти і науки україни

Національний Авіаційний Університет

ГРІнкевич КОСТЯНТИН ЕДУАРДОВИЧ

УДК 620.178.16/621.891

МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРИБОТЕХНІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ В УМОВАХ

ДИНАМІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

Спеціальність 05.02.04 - тертя і зношування в машинах

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ -2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України

Науковий керівник | доктор технічних наук, ст. н. с.

Бершадський Лазар Ісакович

член-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор

Мільман Юлій Вікторович

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України,

завідуючий відділом фізики високоміцних та метастабільних сплавів

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Щепетов Віталій Володимирович

Національний авіаційний університет,

завідуючий кафедрою

кандидат технічних наук

Любінін Йосип Абрамович

Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості “МАСМА”,

провідний науковий співробітник

Провідна установа |

Інститут проблем міцності НАН України,

відділ №6, м. Київ

Захист відбудеться “20”__травня___2004 р. о _15_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 Національного авіаційного університету, 03058, м. Київ, пр-т Комарова, 1. ауд 1-001

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету, 03058, м. Київ, пр-т Комарова, 1.

Автореферат розісланий “_16_”__квітня_______ 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Л. Матвєєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Методи підвищення зносостійкості матеріалів конструкційного призначення, що працюють у динамічних умовах навантаження, представляють великий інтерес для машинобудівної, авіаційної та автомобільної промисловості.

У роботах Л.І. Бершадського зі співробітниками на основі структурно-динамічної теорії трибосистем були запропоновані принципово нові триботехнології оптимізації структур у зоні тертя. Однією з таких технологій є трибосинтез екрануючих плівок, що самогенеруються на поверхні взаємодіючих матеріалів у присутності спеціальних технологічних середовищ. Для матеріалів, що працюють в екстремальних умовах, перспективним шляхом підвищення трибологічних характеристик є введення в мастильне середовище ультрадисперсних неорганічних додатків (УНД), що дає можливість у процесі тертя керувати складом і структурним станом поверхні. Наприклад, виявляється, що вуглецеві плівки, які самогенеруються при терті, є більш зносостійкими, ніж ті, що синтезуються при різних видах хімічного та фізичного осадження. Цей підхід вимагає використання надійних методів контролю зони контакту в режимі реального часу і дозволяє вирішувати конкретні технічні проблеми.

Основними функціональними показниками якості мастильних матеріалів є антифрикційні, протизношувальні та протизадирні властивості. Оцінка згаданих властивостей і для стаціонарних умов відносна, оскільки для визначення ефективності змащення використовуються різні методи, установки та режими. Вплив же мастильних матеріалів на зношування в умовах динамічного навантаження при зміні механізму та інтенсивності руйнування контактних поверхонь практично не вивчено. У зв'язку з цим актуальним є розробка науково обґрунтованих і експериментально підтверджених критеріїв оцінки роботи мастильного матеріалу при нестаціонарному (динамічному) терті.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є частиною досліджень, що виконувалися в Інституті проблем матеріалознавства НАН України у відповідності до відомчих тематик НАН України: “Фізико-хімічні та технологічні основи синергетичних методів формування поверхневих шарів твердих тіл з використанням висококонцентрованих і сильно нелінійних потоків” (1990-1993), № державної реєстрації 01.9.00058872; “Дослідження структури мікро- і нанокристалічних матеріалів та її впливу на механізми їх деформації та руйнування” (1995-1999), № державної реєстрації 0195U024297; “Дослідження процесів формування поверхневих шарів, градієнтних структур, селективного спікання при дії на матеріали концентрованих потоків енергії, математичні та комп’ютерні моделі процесів” (1997-2000) №державної реєстрації 0197U017363; проекту фундаментальних досліджень Міністерства України у справах науки і технологій: “Розробка наукових основ нанотехнології шаруватих дихалькогенідів перехідних металів та вивчення їх фізико-хімічних властивостей” (1994-1995), №державної реєстрації 0194U019109.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей впливу ультрадисперсних неорганічних додатків у мастильні середовища на трибологічні та фізико-хімічні процеси, що відбуваються на поверхні матеріалів при терті в умовах динамічного навантаження, для розробки мастильних композицій, що підвищують зносостійкість матеріалів.

Відповідно до цього необхідно було вирішити наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

Об'єкт дослідження: процес формування поверхневих структур при терті в умовах динамічного навантаження.

Предмет дослідження: триботехнічні та трибофізичні властивості поверхневих структур, що формуються при терті в мастильних середовищах з неорганічними додатками різної дисперсності, хімічного складу та кристалічної структури.

Методи дослідження: Триботехнічні випробування матеріалів трибосистем, фізичні методи аналізу поверхні тертя для визначення: фазового складу - рентгеноструктурний аналіз; хімічного складу – електронна оже-спектроскопія; морфології та тонкої структури поверхні - електронна растрова та просвічувальна мікроскопія.

Наукова новизна отриманих результатів .

· Встановлено взаємозв'язок між хімічним складом, структурою та концентрацією нано- та ультрадисперсних неорганічних додатків і рівнем трибологічних властивостей мастильних середовищ. Трибологічні властивості цих середовищ обумовлені комплексом ознак додатків, таких як здатність до поліморфізму та демпферування, активність і структура. Розроблена методологія вибору нано- та ультрадисперсних неорганічних додатків для цілеспрямованого формування покриття, адаптованого до умов динамічного навантаження в режимі граничного змащення, що враховує фізико-хімічні та трибологічні процеси в зоні тертя і базується на урахуванні комплексу вказаних вище ознак.

· Одержано подальше обґрунтування застосування дихалькогенідів перехідних металів, що мають шарувату структуру, як додатків до олив, і вперше запропоновано використання нанокристалічних дихалькогенідів перехідних металів, інтеркальованих атомами активних елементів, для поліпшення трибологічних характеристик мастильних композицій.

· Розвинуто уявлення щодо ефективності використання ультразвукового впливу в кавітаційних режимах для диспергування до нанорозмірів неорганічних додатків у рідких середовищах і створення на їх основі стабільних мастильних композицій.

· Встановлено ефект впливу нелінійних процесів на триботехнічні властивості:

- у випадку динамічного навантаження - зниження енергії активації хімічної реакції розкладання солей міді Cu(HCOO)2*Н20 і [Cu(NH3)4(OH)2];

- в нестаціонарних умовах навантаження - інтенсифікація процесів структурної модифікації (приробки) керамічних матеріалів (гексаферіту барію) за рахунок ефекту Ребіндера;

- при впливі лазерного опромінювання (потужність імпульсу W=(3-5)*107 - гальмування при терті фазового переходу ( ) на поверхні сталі Х18Н10Т.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено спосіб оцінки триботехнічних властивостей матеріалів і пристрій його здійснення (А.с. 1834508), спосіб одержання графіто-алмазного покриття (А.с. 1709758). Запатентована в Україні технологія (Пат. 37288 ) одержання та стабілізації УНД у рідких середовищах (олива, гідравлічна рідина та ін.) дозволяє створювати спеціальні мастильні композиції та розширити область застосування твердих додатків у рідких середовищах. Розроблена та сертифікована вогнестійка змащувальна композиція на основі гідравлічної рідини ГЖ-ФК для гірничо-шахтного устаткування. Стендовими випробуваннями показана ефективність використання УНД для поліпшення стабільності трибологічних властивостей і підвищення ресурсу змащувальної дії гідравлічної рідини ГЖ-ФК більш, ніж у 2,5 рази. За показниками зносостійкості вона в 1,3 -1,6 разів перевершує індустріальну оливу И40, ГЖ-ФК і ШАХТОЛ-У. Отримані результати по впливу наноструктурних функціональних додатків у режимі граничного змащення на склад і структурний стан поверхні тертя можуть бути рекомендовані для розробки нових мастильних матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною науковою роботою. Вона містить наукові результати, які дисертант отримав особисто, фізичні и структурні дослідження проведені разом з співробітниками Інституту проблем матеріалознавства НАН України та Львівського національного університету ім. І. Франка. Постановка мети і задач дослідження здійснена автором у розвиток ідей, сформульованих і теоретично обґрунтованих Л.І.Бершадським. Автор самостійно спланував та виконав експерименти по аналізу залежності експлуатаційних характеристик триботехнічних матеріалів від умов динамічного навантаження з використанням широкого комплексу сучасних методів дослідження. Особисто автору належить розробка критеріїв оцінки трибодинамічних параметрів тертя. В опублікованих разом з співавторами наукових працях здобувач приймав участь в постановці завдань, аналізі отриманих результатів, особисто проводив триботехнічні випробування. Здобувач приймав безпосередню участь в написанні статей та підготовці доповідей на конференції.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на 13 конференціях і семінарах: "Структурна самоорганізація й оптимізація триботехнічних характеристик конструкційних і інструментальних матеріалів", Тернопіль, 1990; MatTech'91.2nd Europe East-West Symp. on Mater. and Proc., Helsіnkі, 1991; "Хімія, фізика і технологія халькогенідів і халькогалогенідів", Ужгород, 1994, 1998; "Мотор-технологія 94", Київ, 1994; "Зносостійкість машин", Брянськ, 1994; "Зносостійкість і надійність машин", Хмельницький, 1996; "Новітні процеси і матеріали в порошковій металургії", Київ, 1997; ІV-Міждержавний семінар "Структурні основи модифікації матеріалів методами нетрадиційних технологій", Обнінськ, 1997; 8, 11 Іnternatіonal Symposіum on Іntercalatіon Compounds: ІSІ8, Vancouver, 1995; ІSІ11, Moscow, 2001; Іnternatіonal Conference on Crystal Chemіstry of Іntermetallіc Compounds, L'vіv, 2002; Іnternatіonal Conference on erosіve and abrasіve Wear ІІ, Cambrіdge, 2003.

.Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 8 наукових статтях, 2 тезах наукових конференцій. Отримано 2 авторські свідоцтва СРСР і патент України на винаходи.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 119 сторінках і містить 28 таблиць, 30 малюнків, 4 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульована мета дисертаційної роботи і викладені основні передумови, що визначають актуальність дисертаційної роботи, її наукову новизну і практичну цінність.

В першій главі приведений аналітичний огляд літератури, що характеризує сучасний стан експериментальних і теоретичних досліджень впливу нестаціонарного режиму роботи на властивості елементів трибосистеми.

З аналізу літературних даних (гл. 1) випливає, що одержання матеріалів (зокрема олив) із заданими трибологічними властивостями вимагає аналізу структурно-динамічного стану матеріалу, включаючи його вихідні, вторинні та дисипативні структури. Для нестаціонарного тертя в умовах переваги граничного режиму змащення для правильного вибору мастильного середовища необхідна розробка критеріїв оцінки працездатності трибосистем.

У другій главі наводиться опис розробленого методу дослідження трибологічних процесів і методики одержання стабільної мастильної композиції з УНД, представлено розроблений автоматизований триботехнічний комплекс із динамічним навантаженням (АТКД), що дозволяє виконувати контроль і комп’ютеризоване керування навантаженням, швидкістю та температурою (рис.1) в реальному масштабі часу (параметри, що вимірюються: сила (момент) тертя, зсув зразків, трибоелектрорушійної сили (трибоЕРС), контактний електроопір, температура і т.п.).

Методичне і програмно-алгоритмічне забезпечення розробленої установки та методики вимірювання містить стандартизовані методи випробувань, трибодіагностики, обробки стохастичних процесів і багатомірної ідентифікації.

При випробуваннях трибосистем зі змащенням необхідно правильно визначити режим змащувальної дії - граничний, змішаний чи гідродинамічний (еласто-гідродинамічний). Широко використовується метод визначення режиму змащення за допомогою виміру електричного опору змащення. Однак цей метод не можна застосовувати при підвищеній електропровідністі мастильного середовища. Відповідно до досліджень, проведених Л.І. Бершадським зі співробітниками, найбільш повну інформацію про режим змащення дає аналіз змін трибоЕРС. В АТКД режим змащення в зоні тертя може підтримуватися автоматично за допомогою програмного керування навантаженням, швидкістю та іншими параметрами.

Порівняння різних схем контактування при динамічному навантаженні (вал-вкладиш, циліндр-циліндр, сфера-сфера, сфера-площина) показало, що найбільше відтворювання результатів досягається при використанні схеми "сфера-площина" (сферичний індентор ковзає по плоскому зразку) в умовах зворотно-поступального руху. Ця схема контактування забезпечує ідентичні початкові умови контакту у вихідному стані, у тому числі мікрорельєф індентора. Вибір спряжених матеріалів пари здійснюється таким чином, щоб у процесі тертя в основному зношувався плоский зразок.

Рис. 1. Схема автоматизованого триботехнічного комплексу з динамічним навантаженням.

Для схеми випробування "сфера-площина" розроблено спосіб оцінки трибологічних властивостей матеріалів одночасно при квазістаціонарному та динамічному навантаженні, запропоновані наступні критерії оцінки механізму руйнування поверхонь трибоконтакту.

Показник відносної інтенсивності динамічного зношування Ки:

, (1)

де Ис, Ид - показники зносу плоского зразка на ділянках, відповідно, квазістатичного і динамічного режимів навантаження, що, як показано на рис. 2, визначаються глибиною доріжки тертя h.

Рис. 2. Поперечна профілограма доріжки тертя.

Коефіцієнт варіації показника зносу VИс, VИд, що характеризує надійність матеріалу.

Показники пластифікування Кплс, Кплд, що визначаються по відношенню сумарної площі витиснутого матеріалу Sb до площі доріжки тертя S:

. (2)

Показники диспергування Кдпс, Кдпд, що корелюють з ваговим зносом:

. (3)

Значення цих критеріїв визначали за допомогою розробленого пакета програм за даними, які одержували профілографуванням відповідних ділянок доріжки тертя.

Удосконалено метод диспергування матеріалів за допомогою ультразвукової обробки в кавітаційних режимах порошків у різних рідинах (ультразвукова ванна УЗВД-6 з джерелом ультразвукових коливань типу ПМС-15 АІ8, потужність 3 кВт, частота 18 кГц) і представлена оригінальна методика одержання стабільного концентрату мастильної композиції з УНД.

Середній розмір часток УНД визначали методом еталонної порометрії та по фізичному розширенню рентгенівських піків.

У цій главі представлені також оригінальні методики одержання зразків для фізичних методів аналізу поверхні тертя (рентгеноструктурного, електронної оже-спектроскопії й ін.).

В третій главі представлені результати вивчення трибологічних властивостей систем при динамічному навантаженні в сполученні з іншими додатковими впливами: з введенням поверхнево та хімічно активних речовин, механічної та ультразвукової активації компонентів мастила, модифікації поверхні тертя лазерним опроміненням.

Викладено результати випробувань модельних зразків з хімічно інертного і практично непластичного керамічного матеріалу - гексафериту барію різної густини - у квазістаціонарному та динамічному режимах. Встановлено, що в умовах стаціонарного навантаження знос гексафериту барію на повітрі можна порівняти зі зносом у воді, а в умовах динамічного навантаження знос у водяному середовищі різко інтенсифікується. При цьому змінюється характер поведінки триботехнічних параметрів, що свідчить про зміну механізму зношування.

Цей ефект, певно, обумовлений окрихчуванням кераміки за рахунок дії в зоні контакту перемінного тиску рідини, що розклинює матеріал. Вивчено вплив динамічного навантаження (без тертя) у різних середовищах - повітря, дистильована вода, дистильована вода з додатками поверхнево-активної речовини (ПАР) ОП-7 - на поверхню пластини та сфери з гексафериту барію у контактній зоні. Встановлена інтенсифікація руйнування у зоні контакту при введенні ПАР (табл. 1) доводить провідну роль дії середовища, що окрихчує, тобто проявлення ефекту Ребіндера. Звідки випливає, що динамічне навантаження інтенсифікує процеси, що відбуваються в контактній зоні, при цьому роль середовища істотно зростає. Фізико-хімічні процеси в зоні тертя визначають характер впливу густини матеріалу на силу тертя і показник зносу (рис. 3).

При випробуваннях у повітрі в стаціонарному режимі навантаження знос і сила тертя ростуть зі збільшенням густини пластин гексафериту барію, що вказує на визначальну роль у зношуванні адгезійної складової сили тертя. У динамічному режимі переважає втомний вид зносу, при цьому зі збільшенням густини знос пластин зростає, а сила тертя зменшується. У цих умовах найбільше руйнування зразка відбувається на ділянках доріжки, де лінійна швидкість руху індентора дорівнює нулю. При випробуваннях у водяному середовищі з ростом густини пластин розглянуті триботехнічні показники зменшуються, причому при динамічному навантаженні значення показника зносу зменшується на порядок.

Таблиця 1

Вплив середовища при динамічному навантаженні (без тертя)

на формування зони руйнування

Середовище випробування | Глибина зони

руйнування, мкм

повітря | 17.5

вода | 21.5

вода з ПАВ | 31.5

Зміна характеру залежності триботехнічних показників від густини матеріалу обумовлена тим, що при випробуваннях на повітрі визначальним фактором є адсорбція молекул середовища на поверхні пластин, а при випробуваннях у воді - властивості міцності пластин.

а б

Рис. 3. Вплив густини () пластин з гексаферіту барію на показник зносу (И) та силу тертя (F) в парі з індентором зі сталі ШХ15 при випробуваннях: на повітрі (а) і у воді (б); тип навантаження: д - динамічний, с – квазістаціонарний.

Вивчено трибологічні властивості систем (матеріал пари тертя - сталь ШХ-15) у рідких середовищах на основі індустріальної оливи И-20 з додатками, до складу яких входить порошок міді (<40 мкм), механоактивований порошок міді (<2 мкм), аміакат і форміат міді, а також зазначені солі міді з додатками високодисперсного вуглецю. Встановлено, що у квазістаціонарному режимі навантаження при введенні в оливу кожного з вказаних додатків знос зменшувався, найбільш суттєво для форміату міді. Аналіз хімічного складу і морфології поверхні пластин у зоні тертя (оже-спектроскопія) показав наявність великої кількості кисню і малого вмісту міді при відсутності ділянок схоплювання. Для інших додатків виявлені ділянки схоплювання з високим вмістом міді.

В умовах динамічного навантаження краща зносостійкість спостерігалася в середовищі оливи з додатком органічної солі - форміату міді. Можливо це обумовлено окислювально-відновними реакціями, що приводять до утворення адаптивного покриття переважно з оксидом міді Cu2O з хорошими триботехнічними властивостями, і підтверджується зниженням сили тертя та мінімальним збільшенням зносу. У випадку аміакату міді адаптивне покриття не утворюється, тому що енергії тертя навіть при додатковому динамічному навантаженні виявилося недостатньо для розкладання цієї термічно стійкої солі до Cu2O. Очевидно, відновлення йде тільки до CuО, триботехнічні властивості якого нижче.

При введенні вуглецю зменшується знос. В цьому випадку відбувається відновлення аміакату міді ймовірно до Cu2O, що підтверджують результати електронної оже-спектроскопії. Було встановлено, що вміст вуглецю на поверхні при терті в середовищі, що містить аміакат міді, нижче, ніж при терті в середовищі з менш стійкою сіллю (форміат міді), вміст міді в покритті також знижується. При цьому значення показника зносу і рельєф поверхні в зоні тертя для олив з додатком форміату міді й аміакату міді близькі. Відновлене середовище при стаціонарному режимі навантаження не приводить до формування адаптивного покриття. В цілому, зниження показника зносу на 20 % і сили тертя в 1,5 рази свідчить про активацію трибохімічних реакцій при динамічному впливі і підтверджує гіпотезу Л.І.Бершадського про синергетичний характер процесів, що відбуваються в зоні трибоконтакту.

Також вивчені закономірності структурних перетворень матеріалу в зоні тертя при комбінованому впливі динамічного навантаження та лазерного опромінення. Експеримент проведено на сталі Х18Н10Т, в якій при пластичній деформації відбувається фазовий () перехід. Різні ділянки зразків були попередньо оброблені лазерами двох типів: наносекундним (глибина зони термічного впливу і розплавлення складає не більш 0,5мкм, при цьому в об’ємі матеріалу поширюється ударна хвиля) і мілісекундним (розплавляє метал у зоні товщиною 250-300 мкм з наступним загартуванням з рідкого стану та з зони термічного впливу). Рентгенографічні дослідження поверхні тертя після випробувань у квазістаціонарному режимі навантаження показали, що в приповерхневому шарі вихідного зразка відбувається утворення ?-фази (80% об’єму на 3-їй хвилині випробування); на опроміненій лазерами поверхні такий перехід не спостерігається. При динамічному навантаженні () перетворення розвивається значно слабкіше; після опромінення лазерами ознак перетворення на поверхні тертя не виявлено.

Тонка структура поверхневих шарів сталі Х18Н10Т після різних впливів була досліджена на просвічувальному електронному мікроскопі JEM-100CX (рис. 4). Встановлено, що у вихідному матеріалі густина дислокацій - 109 см-2 (рис.4а); опромінення наносекундним лазером сприяє формуванню в приповерхневому шарі комірчастої структури (рис. 4 б); після тертя в умовах динамічного навантаження на відміну від квазістаціонарного (рис. 4 в) в приповерхньому шарі виявлені дислокаційні скупчення, що передують утворенню комірчастої структури (рис. 4 г); подібна структура формується після опромінення мілісекундним лазером (рис. 4 д).

Отже, при динамічному навантаженні чи після обробки поверхні наносекундним лазером створюються стійкі стани припрацювання, що пригнічують розвиток рівноважних фазових переходів.

|

Рис. 4. Структура поверхневого шару зразків сталі Х18Н10Т: вихідний стан (а); опромінення лазером, t=20 нс (б); після тертя при квазістатичному режимі навантаження (в); після тертя при динамічному режимі навантаження (г); опромінення лазером, t=3 мc (д).

Виявлені фазові і структурні зміни корелюють з параметрами тертя (рис. 5), що погоджується зі структурно-динамічною теорією Л.І.Бершадського, відповідно до якої, наприклад, рівноважні фазові переходи на відміну від кінетичних завжди приводять до зростання зносу (рис. 5, крива Ил) та втрат на тертя.

Отримані результати демонструють вплив лазерної обробки поверхні на триботехнічні властивості, що особливо яскраво виявляється при динамічних умовах навантаження: для цього режиму знос після лазерної обробки зменшується на 64 % (глибина доріжок тертя на опроміненій і неопроміненій поверхні сталі складає, відповідно, 9 і 24 мкм).

Таким чином, у зоні контакту поряд, із трибохімічними реакціями, можуть відбуватися рівноважні фазові чи структурно-дисипативні (кінетичні) переходи.

Рис. 5. Змінювання з плином часу () показника зносу (И) та сили тертя (F) сталі Х18Н10Т в парі з індентором зі сталі ШХ-15 у середовищі інактивної оливи до (Ип, Fп) і після (Инл, Fнл) опромінення поверхні наносекундным лазером.

В четвертій главі приведені результати вивчення впливу фізико-хімічних властивостей мастильних середовищ з додатками нанодисперсних неорганічних порошків на зносостійкість пар тертя. Найважливішою перевагою УНД у порівнянні з органічними та іншими присадками є практично повна відсутність їхньої взаємодії з рідким середовищем. Метою дослідження було одержання порівняльних триботехнічних та трибофізичних властивостей деяких товарних олив зі стандартними присадками і розроблених автором мастильних середовищ з УНД.

При проведенні експерименту на установці АТКД для розуміння процесів, що відбуваються при формуванні несучих мастильних шарів, визначали наступні параметри: момент (силу) тертя, швидкість зносу, критичне навантаження схоплювання, трибоЕРС, електроопір, температуру мастильного середовища та поверхні пари тертя, інформаційну ентропію параметрів процесу. При цьому досліджували не тільки значення параметрів, що встановились, але і деякі динамічні залежності процесу зношування. Для аналізу механізмів дисипації енергії при терті у відсутності інформації про структурні перетворення трибосистеми важлива оцінка інформаційної ентропії як структурно-чутливого критерію. Метод оцінки інформаційної ентропії (І) ґрунтується на реєстрації густини розподілу імовірності амплітуд трибоЕРС (чи значень інших параметрів трибосистеми) та обчисленні ентропії за формулою Больцмана-Шеннона:

, (4)

де pi - імовірність різних результатів N вимірів.

На рис. 6 представлені значення інформаційної ентропії трибоЕРС при випробуваннях у різних мастильних середовищах. Експериментально встановлено, що мінімум ентропії відповідає швидкості випробування, при якій встановлюється гідродинамічний режим змащення, що обумовлюється фізико-хімічними властивостями оливи. Так, за рахунок введення ультрадисперсного порошку нікелю в оливу SAE 10W40 перехід до гідродинамічного режиму змащення відбувається при меншій швидкості обертання рухливого зразка.

Відповідно до концепції Гленсдорфа-Пригожина, мінімум виробництва ентропії відповідає утворенню дисипативних структур, що самоорганізуються, до яких відноситься, зокрема, утворення гідродинамічного клина.

Таким чином, для трибосистем встановлена кореляція інформаційної ентропії експериментально вимірюваних параметрів трибосистеми з умовами утворення дисипативних структур, що самоорганізуються.

Рис.6. Залежність інформаційної ентропії трибоЕРС (І) від швидкості обертання зразка (n) у середовищі товарних олив.

Вплив УНД на трибологічні властивості мастильних композицій досліджено на паспортизованих зразках, що розрізняються розмірами, структурою, тиксотропією, хімічним складом. Базовими середовищами служили індустріальні та моторні оливи, робочі рідини. УНД були умовно розділені на функціональні додатки та стабілізатори (загущувачі) (табл. 2).

Як функціональні додатки були досліджені різні модифікації вуглецю (включаючи фулерен), метали, хімічні сполуки, перспективні для самогенерації покриттів при терті (у тому числі нанопорошки дихалькогенідів перехідних металів і їх інтеркалятів), як окремо, так і в різних сполученнях.

Показано, що зміна змащувальної здатності оливи визначається концентрацією, фізико-хімічними властивостями, структурою і дисперсністю УНД. Визначено області оптимальної концентрації обраних УНД. При оцінці впливу мастильних властивостей робочих рідин на різній основі встановлено, що область оптимальної концентрації УНД змінюється в залежності від використаного середовища. Для ряду мастильних композицій (базове середовище з додатком УНД) було визначено найбільш ефективний склад і концентрацію УНД.

Таблиця 2

Хімічні речовини і з'єднання, використані у вигляді порошків для створення мастильних композицій

ФУHКЦІОHАЛЬHІ ДОДАТКИ | СТАБІЛІЗАТОРИ

(загущувачі)

вуглецеві | хімічні сполуки | метали

графіт:

диспеpгований | (CFx)n | аеpосил

бентоніт

слюда

спучений | аміакат міді | Cu

Pb

Sn

вуглець: атомарний (УА) | форміат міді

фулерен С60

високодисперсний (ВДУ) | дихалькогеніди перехідних металів та їх інтеркаляти

алмаз: ультрадисперсний детонаційний вуглецевий конденсат (УДВК) | нітрид бору BNк

BNв

BNт

BNг | Ni

Co

детонаційний

вибуховий (ДВА)

синтетичний | [NH4](BO3)2*6H2O

оксиди Me, солі Me | Fe

речовини, перспективні для синтезу покриттів, що само генеруються

речовини-каталізатори для синтезу покриттів, що містять вуглець

Узагальнення результатів дослідження представлено у вигляді схеми взаємовпливу фізико-хімічних та трибологічних процесів, що відбуваються в зоні контакту в мастильному середовищі з ультрадисперсними неорганічними додатками (рис. 7).

На підставі аналізу експериментальних даних, виконаного в рамках цієї схеми, створені нові присадки для індустріальних олив. Найбільш перспективними серед них є нанопорошки інтеркальованих дихалькогенідів перехідних металів (ДПМ) та їх інтеркалятів (рис.8).

Показано, що мастильна здатність олив з додатком вищезгаданих порошків вище традиційного змащення з порошком МоS2. Розроблені додатки знижують вплив динамічної складової навантаження на інтенсивність зношування та розширюють діапазон навантажень та швидкостей, при яких мастильні матеріали працездатні, за рахунок активної ролі інтеркальованого елемента у формуванні поверхневих шарів. Роботи з введення нанодисперсних порошків інтеркалятів дихалькогенідів перехідних металів як додатків в мастильні матеріали проведені вперше.

Рис. 7. Схема взаємодії процесів при формуванні структур, адаптованих до умов тертя.

Рис. 8. Середнє значення зносу зразка сталі ШХ-15 (а) і сили тертя (б) в мастильних середовищах з додатками дихалькогенідів і інтеркалятів для квазістаціонарного (СР) та динамічного (ДР) режимів навантаження.

Отримані результати дозволили розробити мастильне середовище з новою композицією додатків для експлуатації в механотермодинамічно навантаженому гірничо-шахтному устаткуванні. Стендові випробування, проведені в Інституті гірської справи РАН, дали позитивний висновок щодо розробленої автором на основі ГЖ-ФК вогнестійкої змащувальної композиції для гірничодобувного комбайна і показали великі резерви підвищення зносостійкості деталей і термінів роботи механотермодинамічно навантажених машин.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна проблема покращення трибологічних характеристик за умов динамічного навантаження при терті шляхом застосування нанорозмірних та ультрадисперсних додатків неорганічних порошків у мастильних матеріалах.

1.

2.

· у випадку динамічного навантаження - зниження енергії активації хімічної реакції розкладання солей міді Cu(HCOO)2 *nН20 і [Cu(NH3)4(OH)2];

· в нестаціонарних умовах навантаження – інтенсифікування процесів припрацювання кераміки (на прикладі гексафериту барію) за рахунок ефекту Ребіндера.

3.

4.

5.

6.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ СТАТЕЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гринкевич К.Э., Лоцко Д.В., Ефимов Н.А. Исследование влияния лазерной обработки и динамического силового воздействия на физические и триботехнические свойства стали Х18Н10Т // Проблеми трибології. - 1996. - № 2. - С. 23-31.

К.Е. Грінкевич особисто провів триботехнічні випробування, брав участь у аналізі та узагальнені результатів, отриманих фізичними методами, по впливу на структуру приповерхневих шарів тертя та опромінення.

2. Куликов Л.М., Семенов-Кобзаpь А.А., Каpтузов В.В., Кpасиков И.В., Ефимова Е.А., Гpинкевич К.Э., Аксельpуд Л.Г., Ромака Л.П. Процессы интеркалирования в нанотехнологиях слоистых дихалькогенидов переходных металлов // Доповіді НАН України. - 1997. - № 4.- С. 112-116.

К.Е. Грінкевич безпосередньо прийняв участь у вивченні можливостей нанотехнології отримання дихалькогенідів перехідних металів та їх интеркалятів за допомогою потужної ультразвукової дії в кавітаційних режимах для створення мастильних композицій.

3. Мильман Ю.В., Лоцко Д.В., Ефимов Н.А., Гринкевич К.Э., Даниленко Н.А.. Влияние облучения сверкороткоимпульсного лазера на структуру и триботехнические свойства нержавеющих и углеродистых сталей // Доповіді НАНУ. - 1998. - №11. - С.112-116.

К.Е. Грінкевич провів експериментальне дослідження триботехнічних властивостей сталей та прийняв участь в обговоренні та аналізі результатів мікроскопічних і рентгенівських досліджень та узагальнені залежності триботехнічних властивостей опромінених сталей від структури приповерхневих шарів.

4. Гринкевич К.Э., Карасева А.В., Косско И.А. Оценка износостойкости покрытий на сферических магнитах // Современные проблемы порошковой металлургии, керамики и композиционных материалов. - К.: ИМП АН УССР. - 1990. - С. 109-113.

К.Е. Грінкевич особисто виконав прогнозування надійності покриття сферичних магнітів у динамічних умовах навантаження з урахуванням результатів мікроскопічніх досліджень поверхонь сферичних магнітів та аналізу встановлених механізмів зносу.

5. Гринкевич К.Э. Некоторые положения структурно-динамической концепции трибосистемы и их практическая реализация // Трение и износ. - 2003. – Т.24, № 3.- С. 344-350.

К.Е. Грінкевич надав експериментальні підтвердження положенням структурно-динамічної концепції трибосистем, проаналізував та узагальнив особливості впливу на тріаду тертя додаткової нелінійної дії.

6. Куликов Л.М., Семенов-Кобзарь А.А., Гринкевич К.Э., Аксельруд Л.Г., Ромака Л.П., КосскоИ.А. Диспергирование порошков дихалькогенидов переходных металлов и их интеркалятов // Изв. РАН. Неорг. Материалы. - 1997. - Т. 33, № 10. - С. 1190-1195.

К.Е. Грінкевич отримав лабораторні зразки олив з додатками порошків, провів триботехнічні випробовування, приймав участь в узагальнені результатів досліджень впливу порошків, атестованих методами оже-спектроскопії, термічного та рентгенівського аналізу, на структуроутворення приповерхневих шарів зони тертя за умов квазістаціонарного та динамічного навантаження.

7. Зенкин Н.А., Гринкевич К.Э. Комплекс диагностической аппаратуры и методология контроля параметров трибосистемы в динамических условиях испытаний // Контроль. Диагностика. - 2002. - № 6. - С. 49-51.

К.Е. Грінкевич розробив методологію контролю параметрів трибосистеми на автоматизованому трибологічному комплексі з динамічним навантаженням для проведення сертифікаційних випробувань широкого класу матеріалів.

8. Трибодинамические характеристики сферических магнитов из гексаферрита бария и возможности их улучшения с помощью полимерных покрытий / Л.И. Бершадский, К.Э. Гринкевич, Л.С. Заманский, О.Р. Юркевич, А.В. Карасева // Трение и износ. - 2003. – Т.24, №2.- С. 335-343.

К.Е. Грінкевич безпосередньо приймав участь у розробці концепції вибору покриття для підвищення зносостійкості та надійності сферичних магнітів, працюючих в шорстких умовах, і особисто проаналізував особливості впливу динамічного навантаження та провів дослідження умов інтенсифікації руйнування матеріалу магнітів.

9. Способ получения графито-алмазного покрытия: А.с.1709758 СССР МКИ С23 С 26/00 / Л.И. Бершадский, Г.Г. Карюк, Л.С. Заманский, К.Э. Гринкевич, Д.С. Иосебидзе, Э.Р. Кутелия, И.А. Косско, З.С. Бройде.- №4730391/02; Заявлено 14.08.89, (не публ.).

10. Способ оценки триботехнических материалов и устройство его осуществления: А.с.1834508 СССР, МКИ G01 N 3/56. / Л.И. Бершадский, Н.А. Буше, К.Э. Гринкевич, М.Л. Бершадский, Л.С. Заманский, В.В. Семида, В.В. Полотай, .В. Копытько. - №4836285/28; Заявлено 12.06.90, (не публ.).

11. Пат. 37288 України, МКІ C01G39/00, C01G41/00. Спосіб отримання нанокристалічних порошків діселенідів вольфраму, молібдену, ніобію та їх інтеркалятів / Л.М. Куликов, А.О. Семенов-Кобзар, К.Е. Грінкевич, І.І. Одокиєнко, Л.Г. Аксельруд, Л.П. Ромака – № 98074047; Заявл. 23.07.98; Опубл. 15.05.2001, Бюл. №4. – 4 с.

12. Grinkevych K.E., Kulikov L.M., Semjonov-Kobzar A.A. Mechanical properties of different carbon form as lubricant additions // Spring Meeting of MRS. - San Francisko (USA). - 1995. - P. 190-191.

13. Grinkevych K.E., Milman Yu.V., Lotsko D.V., Shurygina Z.P. Effect of composition, structure and concentration of hard particles dispersed in the oil on the tribological properties of lubricant compositions // International conference on erosive and abrasive Wear II.-Cambridge (UK). – 2003. - P. 119-120.

АНОТАЦІЇ

Грінкевич К.Е. Методи підвищення експлуатаційних характеристик триботехнічних матеріалів в умовах динамічного навантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Національний авіаційний університет, Київ, 2004.

Дисертація присвячена вивченню впливу субмікронних неорганічних додатків у мастильні середовища на трибологічні та фізико-хімічні процеси, що відбуваються на поверхні матеріалів при терті в умовах динамічного навантаження. У роботі отримано експериментальне підтвердження теорії Л.І.Бершадського про синергетичний вплив додаткової нелінійної дії на властивості трибосистеми. Встановлено кореляцію значень інформаційної ентропії експериментально вимірюваних параметрів трибосистеми з умовами утворення дисипативних структур, що самоорганізуються, у процесі тертя. Розроблено установку та пакет програмних засобів для дослідження трибофізичних і триботехнічних характеристик матеріалів. Запропоновано критерії оцінки трибодинамічних параметрів тертя. Розроблено методологію вибору ультрадисперсних неорганічних додатків для цілеспрямованого формування покриття, адаптованого заданим умовам. Результати роботи знайшли практичне застосування при розробці нових складів і технології одержання стабільних мастильних композицій шляхом введення та стабілізації ультрадисперсних неорганічних додатків у мастильних середовищах ультразвуковою обробкою.

Ключові слова: нанодисперсні неорганічні порошки, тертя, знос, динамічне навантаження, змащення, ультразвукова обробка.

Гринкевич К.Э. Методы повышения эксплуатационных характеристик триботехнических материалов в условиях динамического нагружения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах. - Национальный авиационный университет, Киев, 2004.

Диссертация посвящена изучению влияния субмикронных неорганических добавок в смазочные среды на трибологические и физико-химические процессы, происходящие на поверхности материалов при трении в условиях динамического нагружения. В работе получено экспериментальное подтверждение положений структурно-динамической теории Л.И.Бершадского о синергетическом влиянии дополнительных нелинейных воздействий на свойства трибосистемы: в случае динамического нагружения – снижение энергии активации химической реакции разложения солей меди; при нестационарных условиях нагружения – интенсифицирование процессов приработки керамики. Установлено, что дополнительное внешнее воздействие на трибосистему может способствовать созданию устойчивого структурного состояния: при низкочастотной модуляции нормальной компоненты нагрузки или лазерной обработки поверхности стали Х18Н10Т при трении происходит подавление фазового (б) ?ерехода.

Разработана установка и пакет программных средств для исследования трибофизических и триботехнических характеристик материалов, которые позволяют в реальном масштабе времени выполнять контроль и управление нагрузкой, скоростью и температурой среды испытания. Показано, что наиболее полную информацию о режиме смазочного действия дает анализ изменения трибоЭДС. Предложены критерии, позволяющие установить связь трибодинамических параметров трения с физико-химическими процессами структурообразования поверхности, механизмами переноса и диспергирования материала. Установлена корреляция значений информационной энтропии экспериментально измеряемых параметров трибосистемы с условиями образования диссипативных самоорганизующихся структур в процессе трения.

Впервые изучены триботехнические свойства нанопорошков халькогенидов переходных металлов, интеркалированных активными элементами, и показано, что использование таких порошков в качестве добавок в масла позволяет в условиях динамического нагружения повысить трибологические свойства смазочные среды за счет интенсивного взаимодействия интеркалированных элементов с поверхностью трения. Разработана методология выбора ультрадисперсних неорганических добавок для целенаправленного формирования покрытия, адаптированного заданным условиям, которая базируется на установленной взаимосвязи между химическим составом, структурой и концентрацией добавок и уровнем трибологических свойств смазочных сред. Обобщение результатов исследования представлено в виде схемы взаимовлияния физико-химических и трибологических процессов при формировании структур в зоне трения. Разработан и защищен патентом способ диспергирования в маслах и других жидких средах неорганических добавок ультразвуковой обработкой в кавитационных режимах для получения стабильной смазочной композиции с высокими функциональными свойствами.

Результаты работы нашли практическое применение при разработке принципиально новых составов смазочных сред на основе негорючей жидкости с нанодисперсными неорганическими добавками. Огнестойкая жидкость-смазка, разработанная для горно-шахтного оборудования, по ресурсу смазочного действия и противоизносным свойствам превышает используемые в горном деле масла.

Ключевые слова: нанодисперсные неорганические порошки, трение, износ, динамическое нагружение, смазки, ультразвуковая обработка.

Grinkevich K.E. Methods of increase of operational characteristics tribological materials in conditions of dynamic loading. - The manuscript.

Dissertation for the Cand. Tech. Sci. on a speciality 05.02.04 - friction and wear in machines. - National Aviation University, Kiev, 2004.

The thesis is devoted to studying the influence of the ultra-disperse inorganic components in lubricating mediums on tribological and physical-chemical processes happening on a surface of materials while friction in conditions of dynamic loading. In the work the experimental confirmation of Bershadsky’s theory about synergetic influence of additional nonlinear effects on the properties of