Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты

Бесплатный доступ

Введение. Работа посвящена исследованию эволюции коэффициента трения пары сплав медь-сталь при трении в водном растворе капроновой кислоты различной концентрации, а также изучению противоизносных свойств пары трения сталь-сталь при трении в маслянокислотной среде. Целью данного исследования являлось изучение влияния добавок капроновой кислоты на трибологические характеристики пар трения при фрикционном взаимодействии в составах на водной основе и на основе вазелинового масла.Материалы и методы. Проведены трибологические исследования пары трения латунь-сталь на машине трения торцевого тира АЕ-5. Исследование противоизносных характеристик проводилось на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) в соответствие со стандартом ГОСТ 9490- 75. При испытаниях на ЧШМ объективными параметрами смазывающих свойств смазочных композиций являлись: нагрузка сваривания (Рс); диаметр пятна износа (Dн), критическая нагрузка (Рк). Параметры шероховатости сервовитной пленки определялись с помощью оптической профилометрии; ее микрогеометрия и структура на наноуровне - с помощью атомно-силовой микроскопии.Результаты исследования...

Еще

Коэффициент трения, избирательный перенос, сервовитная пленка, пятно износа, нагрузка сваривания, критическая нагрузка

Короткий адрес: https://sciup.org/142221971

IDR: 142221971   |   DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-4-366-373

Текст научной статьи Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты

Введение. Вопросы трения и износа лежат в основе трибологии — науки о взаимодействии сопряжённых поверхностей контактирующих тел, находящихся в относительном движении. В авиакосмической и машиностроительной промышленности снижение трения и износа является одной из наиболее важных задач [1–3]. В настоящее время особое внимание для снижения трения и износа уделяется смазочным материалам с антифрикционными присадками, в качестве которых используются металлы или оксиды металлов с размерами частиц в нанодиапозоне [4–7]. Было установлено, что среди металлов, используемых в качестве модификаторов или металлоплакирующей добавки, медь проявляет большую тенденцию к снижению трения и износа в результате формирования на стальной поверхности металлической пленки с низкой прочностью на сдвиг на трущихся поверхностях [4]. Такая пленка при трении предотвращает прямой контакт стальных поверхностей. Исследования трибосопряженных поверхностей после трения на наноуровне выявляют зависимость эволюции коэффициента трения и износа трибопары от морфологии и физико-механических характеристик антифрикционной пленки [8, 9].

Машиностроение и машиноведение

Необходимо отметить, что смазки на масляной основе с нанодобавками демонстрируют улучшенные трибологические характеристики, однако их использование неизбежно приводит к загрязнению окружающей среды. Повторное их использование является невозможным.

В связи с этим, целью данного исследования являлось изучение влияния добавок капроновой кислоты на трибологические характеристики пар трения при фрикционном взаимодействии в составах на водной основе и на основе вазелинового масла.

Материалы и методы. Эволюцию коэффициента трения системы «латунь 59–водный раствор карбоновой кислоты–сталь 40Х» исследовали на торцевой машине трения типа АЕ-5 со скоростью вращения 180 об/мин при осевой нагрузке 98 Н в течение 10 часов в лаборатории «Гибридные функциональные материалы на основе графена» НОЦ «Материалы». В качестве органической компоненты смазочной композиции использовали капроновую кислоту с концентрацией 0,025–0,5 моль/л.

Исследование противоизносных характеристик проводилось на ЧШМ в соответствие со стандартом ГОСТ 9490–75. Пара трения на ЧШМ сталь-сталь представляла собой точечные контакты шаров. Шары для испытаний изготавливались из стали ШХ-15 по ГОСТ 801–78, термически обрабатывались до твердости HRC 62–66. Диаметр шара d = 12,7 мм. При испытаниях на ЧШМ объективными параметрами смазывающих свойств смазочных композиций являлись: нагрузка сваривания (Р с ); диаметр пятна износа (D и ), критическая нагрузка (Рк). Испытания на ЧШМ проводились в двух режимах: испытания в течение 3600 секунд при постоянной нагрузке для определения величины износа испытуемых образцов путем измерения диаметров пятна износа каждого из трех шаров с использованием микроскопа ММУ-1 №660002; испытания в течение 10 секунд при повышенной нагрузке до сваривания шаров для определения значений Рк, Рс. Полученные числовые значения аппроксимированы методом наименьших квадратов. В качестве смазочной композиции (эмульсии) для испытаний на ЧШМ использовали вазелиновое масло с добавлением различной концентрации капроновой кислоты. Испытания проводились при концентрации кислоты в базовом вазелиновом масле 0,025–05 моль/л.

Для определения толщины сервовитной пленки, полученной на поверхности трибоконтакта в результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь, а также параметров ее шероховатости использовали оптический профилометр Contour GT-K1 с аналитическим программным обеспечением Vision 64, установленном в РЦКП НОЦ «Материалы» (nano.donstu.ru). Измерения проводились методом вертикальной сканирующей интерферометрии (VSI) со скоростью сканирования 0,1 мкм/сек, при повторяемости RMS 0,01 нм.

Изучение топографии поверхности сервовитной пленки осуществлялось методом атомно-силовой микроскопии. Сканирование поверхности пленки проводили с использованием атомно-силового микроскопа марки PHYWE Compact в полуконтактном режиме монокристаллическим кремниевым зондом с алюминиевым покрытием.

Результаты исследования. Проведенные длительные эволюционные трибологические исследования пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты обнаруживают зависимость трибологических характеристик от концентрации кислоты в смазочной среде. Анализ изменения коэффициента трения пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты с концентрациями 0,025 и 0,05 моль/л выявляет достаточно низкие до 0,07 значения [8, 9]. Дальнейшее увеличение концентрации кислоты в составе смазки до 0,2 и 0,5 моль/л, напротив, приводит к увеличению коэффициента трения (рис. 1).

Как следует из полученных результатов, в период приработки трибопары наблюдается тенденция к снижению коэффициента трения. Однако при введении высокой концентрации кислоты инициируются также и коррозионные процессы на поверхности контакта. Использование капроновой кислоты в смазочной композиции с концентрацией 0,1 моль/л позволяет достичь наименьших значений коэффициента трения до 0,007 при длительных трибологических испытаниях, образования сервовитной пленки и перехода системы в режим безызносного трения [10, 11]. Одновременно с этим снижается износ пары трения латунь-сталь до 25 раз, а на трибосопряженных поверхностях в результате избирательного переноса при трении формируется медная пленка с различной шероховатостью и плотностью покрытия поверхности.

Рис. 1. Эволюция коэффициента трения в системе«латунь-водный раствор капроновой кислоты-сталь» с концентрацией кислоты: 1 — 0,025 моль/л; 2 — 0,05 моль/л;

3 — 0,1 моль/л; 4 — 0,2 моль/л; 5 — 0,5 моль/л

Сравнение параметров шероховатости образующейся антифрикционной медной пленки при сканировании поверхности методом оптической профилометрии обнаруживает существенные отличия от исходной топографии. В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости до R a равное 69,4 нм (рис. 3), по сравнению с шероховатостью исходной поверхности трения R a равно 118 нм (рис. 2).

а)                                       б)                                              в)

Рис. 2. Результаты исследования стальной поверхности до трения методом оптической профилометрии: а — 2D-визуализация, б — 3D-визуализация, в — профиль поверхности. 1 — профиль шероховатости;

2 — профиль сканирования поверхности; 3 — профиль волнистости

а)                                        б)                                              в)

Рис. 3. Результаты исследования поверхности после трения методом оптической профилометрии: а — 2D-визуализация; б — 3D-визуализация; в — профиль поверхности. 1 — профиль шероховатости;

2 — профиль сканирования поверхности; 3 — профиль волнистости

Поверхность после трения представляет собой расположенные параллельно направлению скольжения наноканавки, что характерно при образовании меньшего количества и размера частиц продуктов износа в смазке [12]. Такое состояние фрикционной системы приводит к существенному уменьшению коэффициента

Машиностроение и машиноведение

трения. Известно [13-15], что наноразмерные неровности, как правило, оказывают меньшее влияние на износостойкость поверхности, чем их микронные аналоги из-за их почти бездефектной структуры. Кроме того, наличие наноразмерных неровностей способствует уменьшению площади контакта и увеличивает гидрофобность поверхности [16], что приводит к уменьшению сил сцепления при трении в водных растворах. В связи с этим наноструктурные пленки имеют огромный потенциал в процессах обеспечения снижения коэффициента трения и защиты поверхностей от износа.

Дальнейшее приближение к поверхности трения при анализе результатов атомно-силовой микроскопии показывает, что фрикционное взаимодействие пары латунь -сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды [17] и формирующих сервовитную пленку (рис. 4).

  • a )

  • б )

Рис. 4. Результаты атомно-силовой микроскопии поверхности образца: а — до трения; б — после трения пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты

В результате визуализации обнаруживается, что стальная поверхность после фрикционного взаимодействия в водном растворе капроновой кислоты выглаживается, покрывается мелкозернистыми кластерами меди [18, 19] вследствие их адсорбции из состава рабочей среды на контртело (рис. 4). При этом слой, сформированный на поверхности, достаточно плотный, с малым разбросом частиц по размеру .

Для изучения влияния капроновой кислоты на противоизносные свойства смазочного материала интересно было рассмотреть пару трения сталь-сталь. Для этого использовали вазелиновое масло, в состав которого вводили от 0,025 до 0,5 масс. % капроновой кислоты в виде добавки. Результаты испытаний указывают на изменение трибологических параметров модифицированного масла. В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа (Пи) от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. % (рис. 5). Добавление капроновой кислоты в состав смазочной композиции в качестве модифицирующей добавки обнаруживает наименьший износ трибопары при концентрации кислоты 0,1 масс. %. Диаметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, в то время как диаметр пятна износа при трении пары сталь-сталь в чистом вазелиновом масле составляет 0,664 мм. При концентрации 0,025 масс. % и 0,5 масс. % отмечается ухудшение трибологических характеристик пары трения. При трении в базовом масле с добавлением капроновой кислоты с концентрацией 0,05 масс. % и 0,2 масс. % наблюдается лишь незначительное уменьшение диаметра пятна

износа.

Рис. 5. Зависимость диаметра пятна износа (Пи) от концентрации капроновой кислоты в составе вазелинового масла: 1 — 0,025 масс. %, 2 — 0,05 масс. %, 3 — 0,1 масс. %, 3 — 0,2 масс. %, 5 — 0,5 масс. %, 6 — чистое вазелиновое масло

Исследование прочности модифицированной масляной пленки по нагрузочной способности смазочной композиции в сравнении с базовым маслом выявило изменение предельной несущей способности смазочного материала. При трении в вазелиновом масле с добавлением капроновой кислоты с концентрацией 0,025 масс. % наблюдается незначительное увеличение критической нагрузки в сравнении с чистым базовым маслом (рис. 6).

Рис. 6. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла, модифицированного капроновой кислотой разной концентрации (С):

1 — чистое вазелиновое масло (ВМ); 2 — ВМ + 0,025 масс. %; 3 — ВМ + 0,05 масс. %; 4 — ВМ + 0,1 масс. %;

5 — ВМ + 0,2 масс. %; 6 — ВМ + 0,5 масс. %

При достижении критической нагрузки трущиеся поверхности пары сталь-сталь значительно нагреваются, адсорбционная пленка, образующаяся в базовом масле, разрушается, трение усиливается, а поверхности металла свариваются в точках их соприкосновения (рис. 6). Капроновая кислота, введенная в базовое масло, реагирует со стальной поверхностью трения, образуя на выступах контактирующих поверхностей более стойкую хемосорбционную пленку, предохраняющую поверхности от износа и уменьшающую трение в условиях высокой температуры и давления, благодаря чему трущиеся поверхности выравниваются, износ снижается.

Наилучший результат при трении пары сталь-сталь наблюдается в вазелиновом масле, модифицированном капроновой кислотой с концентрациями 0,05 и 0,1 масс. %, критическая нагрузка (Рк) при этом увеличивается на 32%, нагрузка сваривания (Pc) увеличивается на 27 % (рис. 5). Дальнейшее увеличение концентрации капроновой кислоты до 0,2 масс. % и 0,5 масс. % в составе смазочной композиции уже отрицательно сказывается на ее несущей и предельной нагрузочной способности.

Обсуждение и заключения. Полученные в работе результаты позволяют сформировать следующие выводы:

  •    В результате трибологических исследований пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено, что оптимальной молярной концентрацией кислоты в составе смазки является 0,1 моль/л.

  •    При фрикционном взаимодействии пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты на поверхностях трения формируется антифрикционная медная пленка, способствующая резкому снижению коэффициента трения до 0,007 и износа металлов пары трения до 25 раз.

  •    В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости, по сравнению с исходной поверхностью трения.

  •    Обнаружено, что фрикционное взаимодействие пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды, и формирующих сервовитную пленку.

  •    В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %.

  •    Показано, что добавление 0,1 масс. % капроновой кислоты в состав смазочной композиции обнаруживает наименьший износ трибопары сталь-сталь, диметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, критическая нагрузка (Рк) и нагрузка сваривания (Pc) увеличиваются на 32% и 27 % соответственно.

    Машиностроение и машиноведение


Список литературы Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты

  • Ludema, K. C. Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology / K. C. Ludema, L. Ajayi. - CRC press. - 2018. - 82 p.
  • Hutchings, I. Tribology: friction and wear of engineering materials / I. Hutchings, P. Shipway. - Butterworth Heinemann. - 2017. - 389 p.
  • Kato, K. Wear in relation to friction-a review / K. Kato // Wear. - 2000. - Vol. 241, no. 2. - P. 151- 157. DOI: 10.1016/S0043-1648(00)00382-3
  • Liu, G. Investigation of the mending effect and mechanism of copper nano-particles on a tribologically stressed surface / G. Liu// Tribology Letters. - 2004. - Vol. 17. - P. 961-966. DOI: 10.1007/s11249-0048109-6
  • A. Hernández Battez. CuO, ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiWear additive in oil lubricant / A. Hernández Battez// Wear. - 2008. - Vol. 265. - P. 422-428. DOI: 10.1016/j.wear.2007.11.013
  • Uflyand, I. E. Metal chelate monomers based on nickel (II) cinnamate and chelating N-heterocycles as precursors of nanostructured materials / I. E. Uflyand// Journal of Coordination Chemistry. - 2019. - Vol. 72, no. 5-7. - P. 796-813.
  • DOI: 10.1080/00958972.2019.1587414
  • Peng T. The influence of Cu/Fe ratio on the tribological behavior of brake friction materials / T. Peng// Tribology Letters. - 2018. -Vol. 66, no. 1. - P. 18.
  • DOI: 10.1007/s11249-017-0961-2
  • Механические свойства сервовитных пленок, формирующихся при трении в водных растворах карбоновых кислот / В. Э. Бурлакова// Вестник Донского гос. техн. ун-та. - 2018. - Т. 18, №. 3. - С. 280-288.
  • DOI: 10.23947/1992-5980-2018-18-3-280-288
  • Menezes, P. L. Role of surface texture, roughness, and hardness on friction during unidirectional sliding / P. L. Menezes// Tribology letters. - 2011. - Vol. 41(1). - P. 1-15.
  • DOI: 10.1007/s11249-010-9676-3
  • Бурлакова, В. Э. Трибологические возможности пары трения латунь-сталь в водных растворах органических кислот / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган, Д. Ю. Геращенко // Трибология-машиностроению: сб. трудов XII междунар. науч.-техн. конф. - Ижевск, 2018. - С. 92-95.
  • Бурлакова, В. Э. Влияние концентрации органической кислоты в составе смазки на трибологические характеристики пары трения / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган // Вестник Донского гос. техн. ун-та. - 2019. - Т. 19, №. 1. - С. 24-30.
  • DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-1-24-30
  • Gerberich, W. W. Superhard silicon nanospheres / W. W. Gerberich// Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2003. - Vol. 51, no. 6. - P. 979-992.
  • DOI: 10.1016/S0022-5096(03)00018-8
  • Saurín, N. Study of the effect of tribomaterials and surface finish on the lubricant performance of new halogen-free room temperature ionic liquids / N. Saurín// Applied Surface Science. -2016. - Vol. 366. - P. 464-474.
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.01.127
  • Jansons, E. The Impact of Ice Texture on Coefficient of Friction for Stainless Steel with Different Surface Roughness. Key Engineering Materials / E. Jansons, K. A. Gross // Trans Tech Publications. -2019. -Vol. 800. - P. 308-312
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.800.308
  • Qin, W. Effects of surface roughness on local friction and temperature distributions in a steel-on-steel fretting contact / W. Qin// Tribology International. - 2018. - Vol. 120. - P. 350-357.
  • DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.016
  • Choi, C. H. Nanoturf surfaces for reduction of liquid flow drag in microchannel / C. H. Choi, J. Kim, C.J. Kim // ASME 3rd Integrated Nanosystems Conference. American Society of Mechanical Engineers. - 2004. - P. 47- 48.
  • DOI: 10.1115/NANO2004-46078
  • Burlakova, V. E. Nanotribology of Aqueous Solutions of Monobasic Carboxylic Acids in a Copper Alloy-Steel Tribological Assembly / V. E. Burlakova// Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2018. - Vol. 12, no. 6. - P. 1108-1116.
  • DOI: 10.1134/S1027451018050427
  • Влияние состава смазочной среды на структуру поверхностных слоев формирующейся при трении сервовитной пленки / В. Э. Бурлакова// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2019. - №. 4. - С. 91-99.
  • DOI: 10.1134/S0207352819040061
  • Wolff, C. A. newly developed test method for characterization of frictional conditions in metal forming / C. Wolff, O. Pawelski, W. Rasp // Proceedings of the Eighth International Conference on Metal Forming. - Krakow. - 2000. - P. 91-97.
Еще
Статья научная