Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы технологического обеспечения долговечности подшипников сельскохозяиственои техники. цель и задачи исследований 13
1.1. Общие показатели долговечности сельскохозяйственной техники 13
1.1.1. Анализ условий работы. Причины отказов 13
1.1.2. Характеристика механических и физико-химических процессов, определяющих возникновение износа деталей подшипников 17
1.1.3. Способы повышения долговечности подшипников 27
1.2. Применение наноматериалов для изготовления и восстановления деталей машин 34
1.2.1. Технологические основы применения наноматериалов 34
1.2.2. Методы получения наноматериалов и особенности их морфоструктурной организации 46
1.2.3. Углеродные нанотрубки. Зависимость физико-механических свойств от способа получения графенового листа 48
1.2.4. Металлические нанопленки. Технологии получения. Исходные соединения 56
1.2.5. Физико-механические принципы создания композитов, наполненных наноматериалами 64
1.3. Выводы, цель и задачи исследований
ГЛАВА 2. Теоретические основы получения наноматериалов методом химического газофазного осаждения 75
2.1. Термодинамика процессов получения металлических и углеродных наноматериалов 75
2.1.1. Термодинамическая возможность протекания реакций каталитического пиролиза этанола 75
2.1.2. Термодинамическая возможность протекания основных и побочных реакций термической диссоциации карбонильных соединений металлов
2.2. Молекулярно-кинетическая модель формирования наноматериалов 86
2.3. Моделирование процессов межфазного взаимодействия на границах раздела «нанопленка - поверхность порошковой частицы - полимер», «углеродная нанотрубка - полимер». Прогнозирование долговечности деталей из полимерных нанокомпозитов 92
2.4. Выводы 103
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 105
3.1. Программа экспериментальных исследований 105
3.2. Методика экспериментальных исследований
3.2.1. Реализация теоретических предпосылок получения металлических наноматериалов и углеродных нанотрубок 105
3.2.2. Определение морфологии, внутренней структуры и химического состава наноматериалов 112
3.2.3. Разработка композиционных материалов на основе термопластов, наполненных углеродными наноматериалами и металлизированными порошками 113
3.2.4. Определение твердости композиционных материалов 115
3.2.5. Определение теплопроводности и теплостойкости композиционных материалов 115
3.2.6. Определение пределов прочности композиционных материалов при испытании на растяжение и сжатие 118
3.2.7. Определение ударной вязкости композиционных материалов 119
3.2.8. Определение влияния агрессивных сред на физико механические свойства композиционных материалов 120
3.2.9. Определение усадки, коэффициентов трения и износостойкости композиционных материалов на образцах и деталях 121
3.2.10. Аппаратурное оформление металлизации внутренних поверхностей подшипников скольжения методом химического газофазного осаждения бисбензолхрома 123
3.2.11. Определение коррозионной стойкости хромовых покрытий на образцах 126
3.2.12. Методика проведения эксплуатационных испытаний восстановленных и изготовленных подшипников
на долговечность 127
3.2.13. Методика обработки экспериментальных данных 132
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 133
4.1. Получение металлических нанопленок 133
4.1.1. Получение нанопленок при термическом разложении гексакарбонила молибдена с последующим сульфидированием 133
4.1.2. Получение нанопленок при термическом разложении пентакарбонила железа 139
4.2. Получение углеродных наноматериалов 143
4.3. Применение наноматериалов в создании композитов. Оценка физико-механических и эксплуатационных свойств полимерных нанокомпозитов 146
4.4. Получение антикоррозионных хромовых покрытий на внутренних поверхностях колец подшипников скольжения 157
4.5. Многокритериальная модель формирования и выбора оптимального состава композиционных материалов в зависимости от эксплуатационных условий 159
4.5.1. Формулировка задачи 159
4.5.2. Определение оптимального варианта состава композиционного материала 171
4.6. Выводы 179
ГЛАВА 5. Разработка технологических процессов восстановления и изготовления подшипников с использованием наноматериалов. Технико экономическая эффективность их внедрения в производство 182
5.1. Обоснование конструктивно-технологических параметров восстановления и изготовления подшипников 182
5.2. Разработка технологического процесса восстановления подшипников с применением полимерных нанокомпозитов 196
5.3. Разработка технологического процесса изготовления подшипников с применением полимерных нанокомпозитов 203
5.4. Разработка технологических процессов восстановления и изготовления подшипников с применением углеродных наноматериалов и порошков, покрытых сульфидированной нанопленкой молибдена 207
5.5. Результаты эксплуатационных испытаний 211
5.6. Расчет экономической эффективности внедрения технологических процессов в производство
5.6.1. Оценка рынка сбыта продукции 214
5.6.2. Оценка издержек производства и расчет себестоимости продукции 216
5.6.3. Финансовый план 225
5.7. Внедрение результатов работы в производство 231
Общие выводы 232
Библиографический список
- Характеристика механических и физико-химических процессов, определяющих возникновение износа деталей подшипников
- Термодинамическая возможность протекания основных и побочных реакций термической диссоциации карбонильных соединений металлов
- Определение морфологии, внутренней структуры и химического состава наноматериалов
- Получение нанопленок при термическом разложении пентакарбонила железа
Введение к работе
Актуальность работы. Около 80 % отказов, приводящих к необходимости выполнения ремонта сельскохозяйственной техники, происходит из-за износа сопрягаемых деталей. Подшипники сельскохозяйственных машин выходят из строя при наработке в среднем менее 50 % от технического ресурса, что связано с негативным комплексным воздействием на них специфических условий эксплуатации, характерных для отрасли. Многократные ремонты являются причиной длительного простоя техники, потери продукции в животноводстве и урожайности в растениеводстве.
Повышение долговечности подшипников наиболее рационально осуществлять за счет оптимизации конструкции сопряжений на основе анализа всего перечня эксплуатационных факторов с применением современных технологий и материалов при изготовлении и восстановлении деталей.
В случае эксплуатации подшипников качения при контакте с абразивными и коррозионными средами в условиях, когда частота вращения рабочего органа не превышает 100 мин"1 при нагрузке до 100000 Н, целесообразно осуществить их замену парами трения скольжения с использованием полимерных вкладышей. По данным ГОСНИТИ применение полимеров снижает трудоемкость ремонта машин на 20...30 %, себестоимость работ на 15...20 %, сокращает расход черных и цветных металлов на 40... 50 %.
Существенными недостатками данных конструкционных материалов являются низкая теплопроводность, невысокие показатели прочности и жесткости при сжатии и сдвиге, отсутствие термической стабильности в области высоких температур, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.
Область рационального применения полимеров значительно расширяется при их армировании углеродными наноматериалами и металлическими нанопленками, нанесенными на порошковые носители, которые, играя роль наполнителя, оптимизируют износостойкость, прочность и теплостойкость полимерного нанокомпозита (ПНК). Уменьшение элементов наполнителя до наноразмера способствует увеличению их удельной поверхности и созданию прочной связи в зоне межфазного взаимодействия компонентов материала за счет возрастания способности к адсорбции, ионному и атомному обмену, контактным взаимосвязям.
Основным сдерживающим фактором внедрения наноматериалов в производственные процессы ремонтных предприятий АПК является отсутствие экономически целесообразной отработанной технологии их синтеза. Среди известных методов получения углеродных и металлических наноматериалов, химическое газофазное осаждение относится к категории наиболее перспективных, так как позволяет создавать нанообъекты практически любого химического состава в широком диапазоне варьирования их морфоструктурных характеристик при относительно низких энергозатратах.
Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований обеспечить повышение долговечности подшипников сельскохозяйственной техники путем применения в процессах их восстановления и изготовления наноматериалов.
Объект исследования. Технологические процессы изготовления и восстановления подшипников сельскохозяйственной техники, работающих в условиях воздействия коррозионной и абразивной сред при отсутствии или ограниченном поступлении смазочных материалов.
Предмет исследования. Количественные показатели физико-механических и эксплуатационных свойств наноматериалов, влияющие на долговечность восстанавливаемых и изготавливаемых с их использованием подшипников.
Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и разработке комплексного подхода к применению наноматериалов, полученных методом химического газофазного осаждения, в технологических процессах восстановления и изготовления подшипников сельскохозяйственной техники с целью повышения их долговечности.
Практическая ценность работы:
- разработаны технологические процессы изготовления и восстановления
подшипников, применение которых позволяет повысить долговечность,
сохраняемость, ремонтопригодность сельскохозяйственных машин за счет
использования в конструкции подшипников вкладышей из износостойких
материалов, увеличения коррозионной стойкости поверхности деталей
сопряжений и отсутствия необходимости в применении смазочного материала;
методом химического газофазного осаждения углеводородов и металлоорганических соединений созданы углеродные и металлические наноматериалы, отвечающие требованиям экологической безопасности (Патент РФ на изобретение № 2425909);
разработана методика формирования полимерных нанокомпозитов с заданными свойствами;
- созданы полимерные нанокомпозиты, применение которых обеспечивает
увеличение ресурса подшипников, работающих в условиях воздействия
абразивной и коррозионной сред при отсутствии или ограниченном
поступлении смазочных материалов, в 1,8...4,6 раза.
Реализация результатов исследования. Технологические процессы восстановления и изготовления подшипников сельскохозяйственных машин одобрены Научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства РФ и рекомендованы для внедрения на предприятиях технического сервиса страны. Результаты исследований приняты к внедрению на ремонтно-техническом предприятии ОАО «Кесовогорское РТП», поселок Кесова Гора, Тверской области. Восстановленные и изготовленные по разработанным технологическим процессам подшипники используются на предприятиях АПК Тверской области, в том числе колхозе имени 1-го Мая Торжокского района, ГМУП «Гусевское» Оленинского района. Материалы исследований включены в учебный процесс сельскохозяйственных вузов РФ при подготовке
специалистов по направлениям «Агроинженерия», «Механизация сельского хозяйства», «Автомобили и автомобильное хозяйство», «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
- научно-практических конференциях, в том числе международных,
проводимых ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина в 2008...2011 гг.;
международной научно-практической конференции «Проблемы аграрной науки и образования», г. Тверь, ФГОУ ВПО ТГСХА, 2008 г.;
международной научно-практической конференции «Нанотехнологии -производству - 2008», г. Фрязино, Национальная ассоциация наноиндустрии ЗАО «Концерн «Наноиндустрия», 2008 г.;
- международной научно-практической конференции «Современные
технологии агропромышленного производства», г. Тверь, ФГОУ ВПО ТГСХА,
2009 г.;
- международной научно-практической конференции «Нанотехнологии -
производству - 2009», г. Фрязино, Национальная ассоциация наноиндустрии
ЗАО «Концерн «Наноиндустрия», 2009 г.;
12-ой международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», г. Санкт-Петербург, Федеральное агентство по образованию, ФГОУ ВПО СПбГПУ, 2010 г.;
- XXIII Российской конференции по электронной микроскопии,
г. Черноголовка, Научный совет РАН по электронной микроскопии, 2010 г.;
международной научно-практической конференции «Инновационные технологии как основа развития аграрного образования и АПК региона», г. Тверь, ФГОУ ВПО ТГСХА, 2010 г.;
международной научно-практической конференции «Нанотехнологии -производству - 2010», г. Фрязино, Национальная ассоциация наноиндустрии ЗАО «Концерн «Наноиндустрия», 2010 г.;
международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии, 2010 г.;
- международной научно-практической конференции «Инновационные
процессы - основа модели стратегического развития АПК в XXI веке», г. Тверь,
ФГОУ ВПО ТГСХА, 2011 г.;
- заседании секции «Научно-технической политики» Научно-технического
советаМинсельхозаРоссии, 2011 г.;
- заседании Научно-технического совета ФГБОУ ВПО МГАУ, 2011 г.
Публикации. Основные научные результаты, изложенные в диссертации,
опубликованы в 36 работах, в том числе: одна монография, 16 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, один патент РФ на изобретение, одни методические рекомендации, 4 зарегистрированных отчета о научно-
исследовательских работах, 13 статей по материалам международных научно-практических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений; изложена на 316 страницах машинописного текста, включая 85 рисунков, 26 таблиц, библиографию из 256 наименований, в том числе 48 источников на иностранных языках, и 6 приложений.
Характеристика механических и физико-химических процессов, определяющих возникновение износа деталей подшипников
Применение марки материала может считаться технически целесообразным, если за счет наполнения или модификации изменяется уровень показателей назначения базового полимера. Лишь ограниченное число нанонаполнителей (металлизированные стеклянные и углеродные волокна, металлические наночастицы, микросферы) и модифицирующих добавок (кремнийорганические нанокластеры, углеродсодежащие микро- и наноструктуры) позволяет по нескольким показателям, определяющим структуру областей применения, перейти с одного уровня на другой. Это связано с тем, что при создании полимерного нанокомпозита необходимо учитывать степень способности полимера формировать необходимое адгезионное взаимодействие с наноразмерным наполнителем [34, 66, 104, 142].
При армировании полимера традиционными наполнителями -волокнами, порошками, аппретирование которых осуществляется нанесением на их поверхность металлических нанопленок, ключевую роль в создании межфазного контакта играет степень смачиваемости твердого наполнителя в жидкой матрице. Обеспечение необходимой степени взаимодействия возможно, если вязкость матрицы не слишком высока, а формирование композиции способствует уменьшению энергии системы.
Хорошая смачиваемость нанонаполнителя в матрице определяет способность компонентов материала к формированию межфазной адгезионной связи различной природы: механической, электростатической, химической, диффузионной. Этот вопрос подробно рассмотрен в разделе 2.3.
В полимерных нанокомпозитах, полученных посредством растворения нанонанополнителя в матрице или ковалентным встраиванием его элементов в молекулы полимера - способы, получившие широкое распространение, между молекулами компонентов ПНК существует химическая связь, формируемая за счет реакционно-активных совместимых групп, а также взаимная диффузия, в результате которой образуется диффузионная связь, которая для полимерной матрицы является следствием «переплетения» молекул. Прочность связи в этом случае зависит от таких факторов, как длина переплетения, степень сшивания и число активных молекул на единицу поверхности. Благодаря наличию этих взаимодействий и происходит оптимизация свойств полимерной матрицы при введении в нее наноматериалов. Например, присадка углеродных нанотрубок в полимер изменяет его прочность, электропроводность, теплопроводность, вязкость.
Повышение прочности полимера обусловлено встройкой углеродных нанотрубок в матрицу. Чем прочнее химическая связь нанотрубки с полимерной матрицей, тем прочнее сам материал. Наиболее полная передача прочности нанотрубок материалу происходит, когда нанотрубка становится частью полимерной молекулы.
Вязкость полимера при компаундировании его нанотрубками может, как уменьшаться, так и увеличиваться. Увеличение вязкости также определяется прочностью связи нанотрубки с полимерной матрицей. Уменьшение вязкости определяется количеством остаточного растворителя в композите [229].
Увеличение теплопроводности полимера обусловлено изменением его электронной составляющей, которое наблюдается при добавлении углеродных нанотрубок [91, 246].
Весьма интересен механизм изменения электропроводности, которая увеличивается пропорционально количеству вводимых нанотрубок. Проводимость между нанотрубками туннельная, либо она проходит по механизму мультиплетных прыжков по примесным центрам. Проводимость нанокомпозита зависит от фрактальной размерности субструктуры нанотрубок в полимере, которая может быть изменена добавкой частиц (или опять же нанотрубок) другого распределения по размерам. Проводимость в зависимости от концентрации нанотрубок в полимере изменяется скачками. Первый скачок всегда обусловлен появлением между нанотрубками туннельной либо мультиплетной проводимости. Второй скачок проводимости обусловлен касанием углеродных нанотрубок между собой. Скачкообразное изменение проводимости может продолжаться и дальше -это будет являться изменением фрактальной субструктуры нанотрубок в матрице полимера [125, 192].
Таким образом, при создании композиционного материла наиболее сложной задачей является правильный подбор компонентов при соблюдении условий сочетания фаз: 1. Соединение компонентов композиционного материала в оптимальных концентрациях. Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределах - от нескольких единиц до 80...90 %. При армировании порошками и нитевидными кристаллами их доля традиционно ограничивается 20...30 %, поскольку различие в диаметре и длине создает технологические трудности в получении плотно упакованных материалов. 2. Обеспечение механической совместимости компонентов, определяемой прочностью сцепления между ними. Композиционные материалы относятся к термодинамически неравновесным системам, что является причиной диффузионных процессов и химических реакций, которые реализуются на границе раздела «наполнитель - матрица» и приводят к повреждению элементов наполнителя, ухудшению их свойств и свойств материала в целом. При этом некоторое взаимодействие компонентов необходимо для передачи напряжений и обеспечения прочной связи между ними. Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется посредством адгезии, так как в них из-за быстрого отверждения и низкого коэффициента диффузии в матрице нет переходного состояния между фазами (исключение составляют органоволокниты) [145]. 3. Выбор типа нанонаполнителя для армирования того или иного вида матрицы определяется заданными механическими, технологическими и экономическими характеристиками разрабатываемого композиционного материал.
Термодинамическая возможность протекания основных и побочных реакций термической диссоциации карбонильных соединений металлов
Аналогичные процессы происходят при нанесении молибденовых нанопленок на поверхность порошковой частицы. Таким образом, металлическое покрытие, полученное методом химического газофазного осаждения карбонильных соединений железа и молибдена, структурно связано с подложкой, характеризуясь высоким адгезионным сродством к порошковой частице.
Осуществление металлизации порошковых наполнителей в значительной степени направлено на повышение их адгезионной связи с полимерной матрицей. При этом свойства границы раздела влияют не только на жесткость, прочность, вязкость материала, но и на степень его ползучести, усталостное поведение и стойкость к действию химически активных сред.
Ключевую роль в создании межфазного контакта играет степень смачиваемости твердого наполнителя в жидкой матрице. Обеспечение необходимой степени взаимодействия возможно, если вязкость матрицы не слишком высока, а формирование композиции способствует уменьшению энергии системы [236].
Распространение тонкого слоя жидкой матрицы по поверхности наполнителя (порошковая частица, углеродная нанотрубка) подчиняется следующим закономерностям. Поверхность границ раздела «твердое тело -газ», «жидкость - газ» и «твердое тело - жидкость» характеризуются свободной энергией в расчете на единицу площади утг, ужг и утж, соответственно. Увеличение площади поверхности пленки жидкости на величину dA приводит к возрастанию энергии на величину (утг -dA + ужг -dA) из-за образования новых поверхностей «твердое тело - жидкость» и «жидкость - газ». При этом одновременно уменьшается площадь контакта твердой фазы с газом, и энергия уменьшается на величину (утг dA).
Для гарантированного смачивания твердой подложки жидкостью необходимо, чтобы расчетный коэффициент принимал положительное значение. Если величина утг близка или меньше, чем сумма утж + ужг, подложка смачиваться не будет.
Например, полиамид-66 имеющий ужг = 0,04 Дж/м , должен хорошо смачивать порошки, покрытые железной (утг 1,2 Дж/м ) и молибденовой ІУтг 1Д Дж/м ), никелевой (утг 1,1 Дж/м ) и медной (утг 1,4 Дж/м ) пленкой [20, 56, 130].
Хорошая смачиваемость нанонаполнителя в матрице определяет способность компонентов материала к формированию межфазных связей различной природы (механической, электрической, химической, диффузионной). Тип связи зависит от характеристик системы, степени загрязнения поверхности и наличия поверхностно активных веществ, так называемых аппретов.
Механическая связь проявляется наиболее сильно при наличии ярко выраженных неровностей на границе раздела. Кроме того, на образование связи благотворно влияет усадка матрицы, приводящая к сжатию наполнителя. Механическая связь наиболее эффективна, если внешняя сила параллельна границе раздела, то есть является сдвиговой. С другой стороны, растягивание границы раздела приводит к снижению прочности [67, 98].
Чисто механическая адгезионная связь в нанокомпозитах встречается крайне редко. Обычно она существует в сочетании с другими формами взаимодействия, в частности, с электростатической. Связь формируется между матрицей и наполнителем, если одна из контактирующих поверхностей заряжена положительно, а другая - отрицательно. Это приводит к появлению электростатического притяжения, сила которого зависит от величины поверхностного заряда. Электростатическое взаимодействие возможно лишь на малых расстояниях порядка 0,1 нм. Поверхностное загрязнение и адсорбированные газы уменьшают эффективность данного вида связи [81, 227].
В композиционном материале химическая связь формируется между некоторыми реакционно-активными совместимыми группами на поверхности наполнителя в матрице. Общая сила химической связи зависит от количества связей на единицу поверхности и их типа.
При нековалентном взаимодействии с участием всех атомов нанотрубки значительного переноса нагрузки на матрицу не происходит. Лишь введением ковалентных взаимодействий можно ожидать заметное улучшение упругих свойств наполнителя за счет высокой адгезионной совместимости с полимером. Поэтому одним из способов оптимизации свойств полимерных нанокомпозитов является химическая функциализация УНТ и других видов наполнителей посредством присоединения химических функциональных групп - гидроксильных, карбоксильных, фенольных и других, а также атомов фтора, выбор которых зависит от химической природы полимера [49, 231, 255].
Так как в зоне межфазных границ зафиксировано повышенное значение энергии по сравнению с внутренней частью твердого тела, то поверхностно-активные элементы проявляют тенденцию к перестраиванию своей структуры, способствуя понижению энергии за счет миграции атомов или путем адсорбции добавочных компонентов.
Между атомами или молекулами матрицы и наполнителя возможна взаимная диффузия, в результате которой образуется диффузионная связь, которая для полимерной матрицы является следствием «переплетения» молекул. Прочность связи в этом случае зависит от таких факторов, как длина переплетения, степень сшивания и число молекул на единицу поверхности [211,212].
Углеродные нанотрубки атомно-гладкие имеют почти те же диаметры и отношения длины к диаметру, как и полимерные цепи.
Для максимального эффекта упрочнения нанокомпозита клубки нанотрубок разделяют, что способствует увеличению прочности материала, так как УНТ, поглощая энергию за счет своей гибкости и упругости, реализуют свои свойства в составе нанокомпозита [218, 251].
На основании изложенных теоретических исследований выявлено, что выбор состава компонентов полимерных нанокомпозитов для изготовления деталей, эксплуатация которых предполагается в условиях воздействия абразивной и коррозионной сред, не может основываться только на общеинженерных расчетах. Практика эксплуатации деталей из термопластов и композитов на их основе показала, что сроки их службы в зависимости от параметров узла и характеристики условий эксплуатации могут различаться на порядок и выше.
На повреждаемость деталей из полимерных композитов большое влияние оказывает надмолекулярная структура и химические превращения, происходящие при наполнении полимера и усиливающиеся при фрикционном контакте в результате механического, термического и химического воздействия. Образование неустойчивых структур влечет к быстрому, а в особо тяжелых условиях - к катастрофическому разрушению. Но введение наноматериалов способствует углубленному протеканию полимеризационных процессов, образованию" поперечных сшивок, формированию новой пространственной структуры молекул, что приводит к дополнительному упрочнению и значительному повышению срока службы материала деталей [191, 232].
Исходя из изложенного, представляется целесообразным осуществить прогнозирование долговечности деталей (вкладышей подшипников скольжения) из полимерных нанокомпозитов введением понятия эквивалентного запаса прочности материала, в основу которого составит повреждаемость материала 77 с учетом возможности суммирования накопляющихся повреждений. Под термином «повреждаемость композиционного материала», понимается процесс, происходящий в композите при эксплуатации изготовленных из него деталей под действием напряжения, температуры, среды и других возможных факторов [51].
Определение морфологии, внутренней структуры и химического состава наноматериалов
После технологического процесса пиролиза этанола на катализаторе сформирован углеродный нанокомпозит, каркасная структура которого составлена многослойными углеродными нанотрубками (приложение 1). Внешний вид материала представлен на рисунке 4.6.
Формирование сложной структуры связано с протеканием ряда побочных реакций, термодинамическая возможность реализации которых подтверждена в главе 2. Продукты побочных реакций «загрязняют» получаемый материал так называемыми сопутствующими паразитными формами углерода (аморфный углерод, фуллерены, наночастицы графита, возможно следы катализатора).
Рост углеродных нанотрубок идет по принципу гетерофазной нуклеации, то есть происходит на элементах катализатора с такой поверхностной энергией, которая больше или равна энергии активации реакции перехода углерода в углеродную нанотрубку. Механизм роста углеродной нанотрубки в процессе каталитического пиролиза этанола сложен и во многом задается характеристиками катализатора. Окисленная стальная пластина благодаря наличию активных центров способна растворять и адсорбировать в себе углерод. Каждая частица катализатора погружена в каплю собственного адсорбата углерода. При охлаждении углерод начинает «выходить» в адсорбат, а поскольку количество сорбционных «карманов» конечно, то углерод десорбируется с капли [238].
В модели предполагается, что капля двигается по подложке как капля воды на раскаленной поверхности, что и обуславливает образование нанотрубки.
Температурная зависимость определяется поверхностной диффузией капли катализатора, диаметр которой задает диаметр нанотрубки. Высокая скорость капли при поверхностной диффузии диспергирует её на ряд более мелких капель, это и обуславливает рост более тонких нановолокон при более высокой температуре [215].
В таблице 4.3 приведены измеренные методами атомно-силовой микроскопии диаметры углеродных наноструктур, полученных при различных температурах реакции. Давление в камере при реакции поддерживалось на уровне порядка 20 кПа, температурный диапазон роста элементов наноматериала 600...750 С [80].
По мере увеличения числа слоев в нанотрубке проявляются отклонение от идеальной цилиндрической формы, в частности, внешняя оболочка приобретает форму многогранника, либо на идеальной гексагональной сетке внешнего слоя нанотрубки образуются дефекты в виде пяти- и семиугольников, приводящие к нарушению цилиндрической формы, формированию выпуклых и вогнутых участков (рисунок 4.6), что влияет на внешний вид и конечные свойства углеродного наноматериала.
Применение наноматериалов в создании композитов. Оценка физико-механических и эксплуатационных свойств полимерных нанокомпозитов Исследование свойств разработанных полимерных нанокомпозитов осуществлено с целью установления возможности их применения в процессах восстановления и изготовления узлов трения сельскохозяйственных машин, эксплуатирующихся под воздействием абразивной и коррозионной сред различной степени агрессивности в условиях отсутствия или ограниченного поступления смазочного материала.
С учетом теоретической обоснованности, оптимальный состав ПНК определялся исходя из влияния вида и количества наполнителя на свойства материала. Перечень объектов исследования с описанием их состава и способов получения приведен в главе 3 (п. 3.2.3).
На рисунке 4.7 представлены результаты исследования твердости разработанных ПНК, наполненных металлизированными порошками. Установлено, что для всех материалов характерен рост значений показателя твердости с увеличением количества наполнителя в составе композита. Лучшие результаты - 144... 151 МПа - показали материалы, армированные 40...50 %(масс.) порошками SiC 2, покрытыми нанопленкой на основе карбонильного железа. Далее следуют ПНК с наполнителем в виде порошков ПГ-УС25, покрытых сульфидированной нанопленкой молибдена, - 140 МПа, что объясняется различием показателей твердости материала армирующего компонента. Наполнение полиамида углеродными наноматериалами оптимизирует значение твердости исходного полимера (твердость полиамида-66 по Бринеллю = 100 МПа) до величины 112 МПа (введение углеродных наноматериалов в количестве 1,4 % по массе композита).
Получение нанопленок при термическом разложении пентакарбонила железа
Выбор оборудования, режущего и измерительного инструмента, технологической оснастки производится в соответствии с рекомендациями [1, 15, 23, 24, 33, 60, 75, 102, 120, 167, 203].
По результатам первой дефектовки осуществляется отбор подшипников, пригодных к дальнейшей эксплуатации без восстановления и непригодных к восстановлению. Остальные подшипники (их количество составляет 70...90 %) разбирают с использованием пресса, оснащенного специальной оснасткой. Наружные и внутренние кольца подвергаются повторной дефектовке, в процессе которой выбраковывают детали, имеющие сколы и трещины, а также наружные кольца, рабочие поверхности которых поражены коррозионными раковинами глубиной более 1,2 мм.
Далее кольца подвергаются совмещенному шлифованию внутренних дорожек, производимому на внутришлифовальном полуавтомате ЗА 252 с использованием шлифовального круга 60x16 20 25А20НСМ1К1А35 ГОСТ 2424-83.
Подготовка внутренних колец подшипников заключается в струйно-абразивной обработке на установке 026-7.00.000 «Ремдеталь». В качестве абразивного материала используется электрокорунд 14А ТУ 2-036-802-76 зернистостью 100 мкм. Такой характер подготовительной операции объясняется тем, что скольжение втулки происходит только по поверхности наружного кольца, а внутреннее, ввиду усадки композита при проведении литейной операции, используется как монтажное, что способствует увеличению ресурса и оказывает положительное влияние на процесс эксплуатации в целом.
Для удаления оставшихся частиц абразива детали промываются в горячей воде (t = 60...70 С). Затем осуществляется их обдувка струей сжатого воздуха под давлением 0,6 МПа.
Нанесение антикоррозионного хромового покрытия на внутренние поверхности наружных колец осуществляется в установке для металлизации с применением индукционного нагрева деталей. При химическом газофазном осаждении бисбензолхрома в реакционной камере установки на поверхности подложки, нагретой до температуры 500 С, в течение 40 мин. формируется хромовое покрытие толщиной 20.. .40 мкм.
Для повышения износостойкости и эксплуатационных показателей восстановленных подшипников производится термическая операция в следующих режимах: - нагрев в масляной ванне до температуры 175... 190 С при скорости нагрева 3... 5 С в минуту; - выдержка в масляной ванне в течение 60.. .70 минут; - охлаждение вместе с маслом до температуры 50.. .70 С;
Внешний вид восстановленного подшипника поворотной опоры скребкового навозоуборочного транспортера ТСН-160А представлен на рисунке 5.5.
Следующим узлом для применения разработанных ПНК выбран сошник сеялки зернотуковой универсальной СЗ-3,6. Каждая сеялка оборудована дисковыми сошниками в количестве 48 штук. При анализе отказов установлено, что за срок службы 8 лет базовые детали машины (рама, колеса, ступицы сошников, бункера и другие) вырабатывают полный ресурс без замены. Наиболее слабым узлом сеялки является сошник, надежность работы которого определяет техническое состояние подшипников и дисков. В случае выхода их строя подшипников происходит повышенный износ дисков, что становится причиной нарушения агротехнических требований по глубине заделки семян и, как следствие, неодновременной всхожести и созревания зерновых культур, значительными потерями зерна при уборке урожая.
На каждом сошнике имеется по два подшипника 180503. Для защиты от попадания посторонних частиц в ступицу сошника и полость подшипника предусмотрена установка дополнительных деталей: манжета, кольцо, отражатель. Такая конструкция является неудобной при эксплуатации и не обеспечивает ресурс особенно при проведении работ на легких песчаных почвах, когда абразивные частицы проникают в ступицу, где накапливаются, разрушают защитное кольцо и при попадании в полость подшипника вызывают повышенный износ тел качения, при этом у 5 % наружных колец наблюдаются трещины и сколы [134].
Восстановление подшипников сошников производится по схеме разработанного технологического процесса. В качестве материала вкладыша применяется ПНК, наполненный порошками ПГ-УС25 в сульфидированной нанопленке молибдена 40 %(масс). При восстановлении используются 100 % внутренних колец подшипников 180503, прошедших мойку и пескоструйную обработку, и наружные кольца, не имеющие трещин и сколов (после шлифования). Технологический процесс восстановления включает в себя все операции, рассмотренные выше для подшипников поворотных опор скребковых навозоуборочных транспортеров ТСН-160А, и проводится на тех же рабочих местах с доукомплектовкой технологической оснасткой соответствующей размерам восстанавливаемых подшипников (40x17х 16).
Наличие между наружным и внутренним кольцами подшипника вкладыша из ПНК практически исключает попадание посторонних частиц в зону трения, ускоряет сборку и обслуживание сошника в процессе эксплуатации. В случае попадания абразивных частиц в полость подшипника, они внедряются в материал ПНК и оказывают минимальное негативное воздействие на поверхность трения наружного кольца. Внешний вид восстановленного подшипника сошника сеялки зернотуковой универсальной СЗ-3,6 представлен на рисунке 5.6.
