16_Skachkov.doc Триботехнические характеристики металлокерамических углеродных композиционных материалов Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 113 Скачков ВА., Воденникова О.С. Запорожская государственная инженерная академия, г. Запорожье, Украина ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Успехи современного развития материаловедения в значительной степени связывают с установ- лением зависимостей эксплуатационных характеристик разрабатываемых композиционных материалов с их составом, способами получения, обработки, моделирования условий эксплуатации материалов три- босопряжения и возможностями целенаправленного компьютерного конструирования фрикционных пар узлов трения на их основе. Экспериментальное определение свойств многокомпонентных композицион- ных материалов с различными схемами построения структур требуют весьма большого объема дорого- стоящих исследований. В связи с этим возникает необходимость построения математических моделей прогнозирования триботехнических характеристик композиционных материалов, позволяющих описать процессы структурообразования. Известно, что характерной особенностью композиционных материалов является как возможность объединения полезных свойств отдельных компонентов, так и проявления ими новых свойств, отличных от свойств компонентов. Поэтому предварительная проработка всех вариантов формирования структуры и свойств композиционных материалов позволяет определить оптимальные схемы подбора состава и соотношения компонентов композита [1]. Целью работы являются экспериментальные исследования коэффициентов трения многокомпо- нентных композиционных материалов, разработка математической модели прогнозирования коэффици- ентов трения и оценка ее адекватности. Экспериментальным исследованиям подвергались многокомпонентные композиты. В качестве твердых компонентов самосмазочного типа использовались чешуйчатый графит (ЧГ) и порошкообраз- ные отходы механической обработки графитированных электродов (Г) со средним диаметром 97 мкм и коэффициентом вариации 29 %. В качестве упрочняющих компонентов использовали порошки Al2O3 и TiC. Порошок Al2O3 имел средний диаметр 54,9 мкм, коэффициент вариации – 14 %. Порошок карбида титана имел средний диа- метр 47 мкм, коэффициент вариации – 3 %. Роль связующих компонентов выполняли порошок алюминия ПАВ и алюминиевая пудра ПА. Опытные серии образцов получены методом двухстороннего горячего прессования. Температура прессования составляла 450 ± 10 °С, удельное давление прессования – 270 МПа. Состав серии образцов представлен в таблице 1. Экспериментальные исследования по определению коэффициентов трения проводили на маши- не трения СМТ-1М. Принципиальная схема испытаний по системе диск-колодка представлена на рис. 1. 1 1 1 0 1 6 R 3 0 1 1 1 0 R 3 0 Рис. 1 – Схема проведения эксперимента по определению коэффициентов трения Диск выполнен из серого чугуна с полированной рабочей поверхностью. Образец выполнен в виде параллелепипеда с размерами (мм) 10 × 16 × 11. Сторону 16 × 11 мм предварительно притирали по рабочей поверхности диска. Коэффициенты трения определяли по формуле: RP М k тртр ⋅ = ; RFM тртр ⋅= , (1) где kтр – коэффициент трения, б/р; Мтр – момент трения, Н · м; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнические характеристики металлокерамических углеродных композиционных материалов Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 114 Fтр – сила трения, Н; n – скорость вращения, об/мин; Р – сила давления, Н; R – радиус трения, м. Предварительно исходные материалы (чешуйчатый графит, глинозем, карбид титана, графит) подвергали сенсибилизации с помощью хлористого олова для активизации поверхности перед нанесе- нием гальванического никелевого покрытия. Толщина электролитического никелевого покрытия со- ставляла 0,7 … 5,4 мкм. Экспериментальные данные по основным характеристикам многокомпонентных композицион- ных материалов и их компонентному составу представлены в табл. 1. Таблица 1 Характеристиеки многокомпонентных композиционных материалов триботехнического типа Состав, % объемн. НВ, МПа Коэффициент трения № с ер ии об ра зц ов Ч Г Г П А В П А A l 2 O 3 T iC ср ед не е зн ач ен ие ко эф ф иц ие нт ва ри ац ии Удельное давление, МПа оп ы т ра сч ет 1 10 75 15 - - - 778 0,04 1,5 2,6 4,0 0,14 0,14 0,15 0,16 2 10 20 50 20 - - 915 0,13 1,5 2,6 3,5 0,22 0,22 0,21 0,21 3 23 23 - 15,5 - 38,5 2918 0,11 1,5 2,6 4,0 0,11 0,11 0,10 0,13 4 5 - - 25 70 - 970 0,09 1,0 1,5 2,8 0,10 0,12 0,13 0,14 5 15 30 40 15 - - 1326 0,07 1,0 1,5 3,2 0,20 0,21 0,20 0,21 6 15 - - 25 60 - 840 0,07 1,5 2,8 4,0 0,26 0,27 0,26 0,25 7 20 19 - 13 - 48 1660 0,10 1,5 2,7 3,5 0,19 0,18 0,19 0,20 В разработанной модели заложено представление многокомпонентного композита в виде среды класса В2, в которой на элементах второго порядка малости заложены характеристики всех компонентов композита. В качестве характеристик используются модели упругости компонентов, их коэффициенты трения и объемное содержание. В этом случае на поверхности трения формируется общая сила трения, полученная суммированием индивидуальных сил трения, создаваемых каждым компонентом композита. Каждая индивидуальная сила трения определяется произведением коэффициента трения соответствую- щего компонента композиционного материала на усилие его прижатия к поверхности трения. Расчетное значение глобального коэффициента трения в формулировке работы [3] с инженерной точностью можно определить по формуле: ( )∑ = −= N MMppp EEEpk 1p /k , (2) где kp – коэффициент трения компонента композита с номером Р; Ер, Рр – модуль упругости и объемное содержание компонента с номером Р, соответственно; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнические характеристики металлокерамических углеродных композиционных материалов Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 115 ЕМ – модуль упругости композита; N – число компонентов в композите. Расчетные значения коэффициентов трения для исследованных серий образцов представленные в табл. 1. Отклонение опытных значений коэффициентов трения от расчетных составляет не более 14 %. Выводы Экспериментально определены коэффициенты трения для гибридных композитов различного состава. Выбраны материалы компонентов композитов с учетом их коэффициентов трения. Разработана и проверена на адекватность математическая модель прогнозирования коэффициентов трения для ме- таллокерамических углеродных композиционных материалов. Литература 1. Дедков, Г.В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели [Текст] / Г.В. Дедков // Успехи физических наук. – 2000. – Т.170, №6. – С. 586-618. 2. Моделювання процесу зношення багатокомпонентних композиційних матеріалів у зоні тертя [Текст] / В.О. Скачков, С.А. Воденніков, В.І. Іванов та ін. // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2008. – № 2. – С. 56-60. 3. Кузменко, А.Г. Глобальный и локальный коэффициенты трения и объяснения их зависимости от давления [Текст] / А.Г. Кузменко // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). – 2008. – №2. – С. 69-89. Надійшла 23.01.12 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com