Повышение долговечности подшипников сельскохозяйственной техники применением наноматериалов
На правах рукописи
Козырева Лариса Викторовна
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ПРИМЕНЕНИЕМ
НАНОМАТЕРИАЛОВ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени
доктора технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ).
Научный консультант академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Ерохин Михаил Никитьевич
Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Кряжков Валентин Митрофанович доктор технических наук, профессор Голубев Иван Григорьевич доктор технических наук, профессор Баусов Алексей Михайлович
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» (ФГБОУ ВПО РГАЗУ)
Защита состоится 6 февраля 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 58.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.
Автореферат разослан «» 201 г. и размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru([email protected]) «»_2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.Г. Левшин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Около % 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.;
международной научно-практической конференции - 12-ой «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 совета Минсельхоза России, 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.
На защиту выносятся:
- теоретические основы технологического обеспечения долговечности подшипников сельскохозяйственной техники наноматериалами, применяемыми в процессах восстановления и изготовления;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований получения металлических нанопленок на порошковых материалах и углеродных наноматериалов методом химического газофазного осаждения металлоорганических соединений и углеводородов;
- способ получения металлических нанопленок на порошковых материалах методом химического газофазного осаждения металлоорганических соединений, защищенный патентом РФ (№ 2425909);
- результаты исследований морфоструктурных характеристик и химического состава наноматериалов;
- результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств разработанных полимерных нанокомпозитов;
- методика выбора оптимального состава полимерного нанокомпозита для восстановления и изготовления подшипников сельскохозяйственной техники в зависимости от условий их эксплуатации;
- способ получения антикоррозионных износостойких покрытий на внутренних поверхностях колец подшипников скольжения методом химического газофазного осаждения металлоорганических соединений;
- технологические процессы восстановления и изготовления подшипников с использованием наноматериалов, в том числе в составе полимерных нанокомпозитов, и рекомендации по применению предлагаемых разработок в ремонтном и машиностроительном производствах с оценкой их технико экономической эффективности.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Состояние проблемы технологического обеспечения долговечности подшипников сельскохозяйственной техники. Цель и задачи исследований Проведен анализ условий работы и причин отказов подшипников качения сельскохозяйственных машин, представлены способы повышения их долговечности, исследованы технологические основы применения наноматериалов в процессах восстановления и изготовления деталей машин, приведена сравнительная характеристика методов получения наноматериалов, представлены физико-механические принципы создания композитов, наполненных наноматериалами.
Вопросам развития технологий ремонта, восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственных машин и повышения их долговечности посвящены труды ученых К.А. Ачкасова, В.И. Балабанова, А.Н. Батищева, А.М. Баусова, В.Н. Бугаева, Ф.Х. Бурумкулова, И.Г. Голубева, М.Н. Ерохина, Б.П. Загородских, С.П. Казанцева, В.М. Кряжкова, В.В. Курчаткина, В.П. Лялякина, В.М. Михлина, С.С. Некрасова, А.В. Поляченко, Е.А. Пучина, А.Э Северного, В.В. Стрельцова, Н.Ф. Тельнова, В.И. Черноиванова и ряда других.
При работе подшипников качения в контакте с агрессивными средами органического и органо-минерального происхождения наиболее частыми видами их повреждений являются контактная усталость, износ колец и тел качения, износ и разрушение сепараторов, потеря работоспособности смазочного материала, износ уплотнений, пластическое деформирование и хрупкое разрушение деталей.
Основными видами изнашивания указанных подшипников являются абразивное и коррозионно-механическое. Процессы изнашивания подчиняются общим закономерностям теории трения и износа, разработанным Н.А. Буше, Д.Н. Гаркуновым, В.И. Крагельским, А.П. Семеновым, А.А. Старосельским, М.М. Таненбаумом, М.М. Хрущовым, В.И. Шаповаловым и другими учеными.
В настоящее время решение задачи повышения долговечности подшипников сводится к совершенствованию процессов их термической обработки, оптимизации конструктивных форм деталей, снижению шероховатости контактирующих поверхностей и ряду других вариантов, большинство из которых приводит к повышению стоимости сельскохозяйственной техники и не всегда обеспечивает установленный ресурс.
При контакте с абразивными и коррозионными средами в условиях невысоких нагрузок и частоты вращения целесообразно осуществить замену подшипников качения парами трения скольжения, что способствует:
1) повышению ремонтопригодности узла ввиду отсутствия необходимости в применении смазочного материала за счет использования в конструкции подшипника вкладышей из износостойких самосмазывающихся материалов;
2) уменьшению габаритов опоры в радиальном направлении при сохранении грузоподъемности;
3) снижению расхода металла за счет возможности введения системы вкладышей из неметаллических материалов. При этом относительно широкий спектр используемых материалов позволяет выбрать те из них, применение которых обеспечит работоспособность опоры в конкретных условиях эксплуатации.
С учетом требований по ограничению металлоемкости, повышению технологичности и экономической эффективности производства деталей сельскохозяйственной техники все большее распространение получают полимерные материалы. Наиболее эффективным является использование полимеров в составе разнообразных композиций. Наполнитель, как твердая частица, введенная в более податливую матрицу полимера, является концентратором напряжений при деформации системы. Надежный способ компенсировать этот отрицательный эффект – уменьшение размера частиц.
Когда частицы достигают размера наношкалы, изменяются фундаментальные свойства вещества. Из-за нескомпенсированности связей поверхностных атомов наноразмерных частиц их свойства подобны атомным поверхностным свойствам кристаллов, обусловленным особенностями расположения на границе раздела фаз, взаимодействия и движения атомов вблизи их граней:
нарушением трансляционной симметрии, меньшим числом соседних атомов, более сильными анизотропией и ангармонизмом колебаний. Результатом этого является возрастающая способность к адсорбции, ионному и атомному обмену, контактным взаимодействиям структурных элементов, что способствует оптимизации свойств полимерного нанокомпозита.
Достижение желаемого технико-экономического эффекта введением в полимер соответствующих наноматериалов осуществляется за счет максимальной сочетаемости фаз композита. При этом важную роль играют исходные эксплуатационные свойства полимера, степень смачиваемости наполнителя в матрице, а также их адгезионная совместимость.
Применение марки материала технически целесообразно, если за счет наполнения изменяется уровень показателей назначения базового полимера.
Для полиамидов это может быть обеспечено введением следующих нанонаполнителей и модифицирующих добавок: металлических наночастиц, микросфер и кремнийорганических нанокластеров, углеродсодержащих микро и наноструктур и рядом других.
При изучении методов синтеза необходимых видов наноматериалов, установлено, что большинство из них может быть получено химическим газофазным осаждением.
В результате проведенного анализа сформулированы основные задачи исследований:
1. Произвести анализ вариантов рационального применения наноматериалов для решения задач, направленных на повышение долговечности подшипников сельскохозяйственной техники.
2. Исследовать физико-механические принципы создания композитов, наполненных наноматериалами.
3. Обосновать термодинамическую возможность и выявить кинетические механизмы формирования углеродных наноматериалов и металлических нанопленок методом химического газофазного осаждения.
4. Разработать способы и аппаратурное оформление синтеза наноматериалов для восстановления и изготовления деталей и сборочных единиц применительно к условиям работы и номенклатуре малых и специализированных ремонтных предприятий.
5. Разработать методику выбора оптимального состава полимерного нанокомпозита в зависимости от адгезионной совместимости компонентов композиционного материала и эксплуатационных условий.
6. Исследовать физико-механические свойства созданных полимерных нанокомпозитов и определить перспективы их применения для восстановления и изготовления подшипников, работающих в условиях воздействия абразивной и коррозионной сред при отсутствии или ограниченном поступлении смазочных материалов.
7. Разработать технологические процессы восстановления и изготовления подшипников сельскохозяйственной техники с применением наноматериалов и произвести технико-экономическую оценку внедрения результатов исследования в производство.
Глава 2. Теоретические основы получения наноматериалов методом химического газофазного осаждения Исследована термодинамика процессов получения металлических и углеродных наноматериалов методом химического газофазного осаждения и выявлены условия возникновения наноструктур, на основе построения молекулярно-кинетической модели оценена роль основных параметров технологического процесса в формировании наноматериалов с определенными морфоструктурными характеристиками, а также осуществлено моделирование процессов межфазного взаимодействия на границах раздела «нанопленка поверхность порошковой частицы», «углеродная нанотрубка - полимер», «наночастица - полимер» с целью установления возможности получения нанокомпозитов с заданными свойствами.
Термодинамическая возможность осуществления основных и сопутствующих реакций химического газофазного осаждения металлоорганических соединений (МОС) и углеводородов исследована с использованием методов коэффициентов, приведенных потенциалов, Темкина Шварцмана.
На рисунке 1 представлены результаты расчетов величины свободной энергии Гиббса реакций, протекающих при формировании углеродных нанотрубок (УНТ) в процессе каталитического пиролиза этанола, согласно следующим химическим уравнениям:
C2H5OH + 2O2 = CO2 + С + 3H2, (1) С2Н5ОН = 2С + Н2О + 2Н2, (2) 2С2Н5ОН = 4С + О2 + 5Н2, (3) C2H5OH + 2O2 = CO2 + С + 3H2O, (4) С2Н5ОН = СО + 3Н2 + С. (5) Рисунок 1 - Изменение GТ, мДж/моль свободной энергии Гиббса в функции температуры ведения процесса для основной и сопутствующих реакций каталитического пиролиза этанола Основная реакция 1 идет со значительной глубиной превращения. Среди побочных реакций наиболее очевидный вклад в формирование продуктов будут вносить реакции 4 и 5, так как термодинамическая вероятность их осуществления в указанных режимах велика. Образующийся при этом углерод является источником формирования сложных структур типа «нить», «фуллерен», «трубка».
Стабильность морфоструктурных характеристик и химического состава металлических покрытий определяется возможностью контроля над взаимодействием продуктов основой реакции (6) – металлов и монооксида углерода:
Мх(СО)ухМ + уСО, (6) 2М + СО МО + МС, (7) М + СО МО + С, (8) М + 2СО МС + СО2, (9) где М – переходный металл V…VIII групп Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Опираясь на термодинамические характеристики процессов химического газофазного осаждения гексакарбонила молибдена, пентакарбонила железа выявлена возможность получения тонких металлических пленок с незначительным содержанием примесных компонентов в виде карбидной и оксидной фаз. Концентрация примесей и особенности морфологической структуры наноматериалов зависят от температурного режима металлизации.
Исследование кинетических механизмов формирования металлических нанопленок в рамках теории гетерогенного кластерообразования проведено в соответствии с рекомендациями Д. Оксли, В.Г. Сыркина, В.А. Волкова.
При реализации процесса термической диссоциации МОС на нагретой поверхности начальной стадией является агломерация атомов металла с формированием кластеров, которые при достижении критической величины принимают форму сферического сегмента в соответствии с рисунком 2.
Рисунок 2 - Схема образования кластера из условного мономера:
R1, R2, R3 – скорости стадий, моль/(м2с);
– равновесный контактный угол, град;
r – радиус кластера В случаях идеализированного процесса равновесие между условным пресыщенным мономером, адсорбированным на подложке, по закону действия масс выражается равенством двух потоков молекул: конденсирующихся и десорбирующихся (10):
к р / 2MRT N1 Gдес / RT, 0, (10) где к – коэффициент конденсации;
– переводной множитель;
р – давление паров условного мономера, Па;
М – молекулярная масса условного мономера;
N1 – концентрация адсорбированных молекул, моль/м3;
– частота поверхностных колебаний молекулы адсорбционного мономера, Гц;
Gдес – энергия активации десорбции адсорбированных молекул условного мономера, Дж/моль.
Если степени пресыщения в паре и в адсорбированном слое равны, то выполняется условие (11):
p / peq N1 / N1eq, (11) где peq – равновесное давление пара, Па;
N1eq – концентрация мономера, находящегося в равновесии с паром при давлении peq, моль/м3.
При этом определяется равновесием удельных межфазных энергий поверхности раздела (12):
подложка пар конденсат подложка (12) конденсат пар cos.
Кластеры критического размера растут посредством поверхностной диффузии (скорость R2), а не путем прямого роста из пара (скорость R3).
Частота возникновения кластеров определяется уравнением (13):
n1 2rкр а sin jv exp Gmax / RT, (13) n где первый член в скобках – число мономеров, которые могут сделать скачок и присоединиться к критическому по размеру кластеру;
а – длина скачка, м;
второй член в скобках – число скачков поверхностной диффузии;
j – обратная величина числа направлений скачков;
v – частота поверхностных колебаний, Гц;
Gnmax – свободная энергия активации поверхностной диффузии, Дж/моль.
Поскольку кластерообразование не снижает равновесной поверхностной концентрации кластеров критического размера, скорость образования нанопокрытия (г/см2) согласно формуле (14) равна:
v niкр, (14) где – частота роста кластеров, м/с;
nкрi – концентрация кластеров критического размера, г/м3.
Рассмотрение механизма формирования адсорбционного слоя между подложкой в виде порошковых частиц и нанопленкой, осуществлено на примере металлизации частиц SiO2 парами пентакарбонила железа.
Основываясь на явлении электронного переноса, установлено, что первоначально соприкосновение паров пентакарбонила железа с поверхностью нагретой подложки вызывает колебательное возбуждение молекул Fe(CO)5 при физической адсорбции на ее активных центрах. Затем происходит элиминирование лигандов СО, сопровождающееся хемосорбцией интермедиата [Fe(CO)4]. Это создает благоприятные условия для переноса электрона с подложки и последующего формирования парамагнитного анион-радикального активного центра. Далее следует цепной процесс автокаталитического формирования парамагнитных кластеров на анион-радикальном активном центре за счет подвода новых молекул Fe(CO)5 из карбонильной газовой фазы.
Парамагнитный карбонильный кластер [ П Fen (CO ) ] по стерическим m причинам склонен к распаду, чему дополнительно способствуют искусственно подобранные температурные условия.
В результате термической диссоциации карбонильного кластера образуется кластер металла, а затем вследствие многократного повторения описанного процесса происходит формирование вокруг него металлического железного покрытия с выделением монооксида углерода (15):
(15) П Fen (CO) T, П Fen mCO.
o C e m Аналогичные процессы происходят при нанесении молибденовых нанопленок в ходе термической диссоциации гексакарбонила молибдена.
Таким образом, металлическое покрытие, получаемое 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. Обеспечение необходимой степени взаимодействия возможно, если вязкость матрицы не слишком высока, а формирование композиции способствует уменьшению энергии системы.
Поверхность границ раздела «твердое тело – газ», «жидкость – газ» и «твердое тело – жидкость» характеризуются свободной энергией в расчете на единицу площади тг, жг и тж, соответственно. Увеличение площади поверхности пленки жидкости на величину dA приводит к возрастанию энергии на величину (тг·dA + жг·dA) из-за образования новых поверхностей «твердое тело – жидкость» и «жидкость – газ». При этом одновременно уменьшается площадь контакта твердой фазы с газом.
Для самопроизвольного распространения жидкости по поверхности твердой подложки при создании композита необходимо выполнение неравенства (16):
тж + жг·dA тг·dA. (16) Коэффициент смачиваемости (КС) определяется по формуле (17):
КС = тг – ( тж + жг). (17) Для гарантированного смачивания твердой подложки жидкостью необходимо, чтобы расчетный коэффициент принимал положительное значение. При создании полимерного нанокомпозита целесообразно применение полиамида, имеющего жг = 0,04 Дж/м2, так как он должен хорошо смачивать порошки, покрытые железной (тг 1,2 Дж/м2) и молибденовой (тг 1,1 Дж/м2) пленкой.
Хорошая смачиваемость наполнителя в матрице определяет способность компонентов материала к формированию межфазной связи различной природы (механической, электрической, химической, диффузионной). Граница раздела между структурными элементами ПНК может рассматриваться как плоский слой толщиной порядка нескольких атомов, в котором происходит скачкообразное изменение состава, кристаллической и молекулярной структуры, механических и других свойств, во многом определяющих эксплуатационные характеристики композиционного материала.
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований Представлена программа исследований (рисунок 3), дана характеристика приборного обеспечения исследуемых параметров, приведено описание лабораторных установок, предназначенных для получения металлических нанопленок на порошковых материалах методом химического газофазного осаждения карбонильных соединений молибдена и железа, и синтеза углеродных наноматериалов.
Осаждение железных нанопленок производилось на частицы кварцевого песка. Исходные реагенты: пентакарбонил железа Fe(CO)5, несущий газ монооксид углерода СО. Эксперимент проводился в температурном интервале от 50 до 350 С при скорости подачи газовой смеси до 180 л/ч.
Осаждение молибденовых нанопленок производилось на металлические порошки ПГ-УС25. Исходные реагенты: гексакарбонил молибдена Мо(СО)6, несущий газ монооксид углерода СО. Процесс осуществлялся при скорости подачи газовой смеси до 15 л/ч. Смесь исходных реагентов нагревалась до 80 С. Температура подложки выбиралась экспериментально в диапазоне 150…900 С.
Реализован вариант способа нанесения молибденового покрытия при термическом разложении гексакарбонила молибдена в среде сероводорода.
Процесс осуществлялся в два этапа: нанесение адгезионного подслоя молибдена и его сульфидирование в следующих режимах: температура в рабочей камере 400 С, скорость подачи паров сероводорода 80 л/ч.
Синтез углеродных наноматериалов осуществлялся в процессе каталитического пиролиза этанола (96 % масс.) на объемном электрохимически приготовленном катализаторе. Режим ведения процесса: диапазон температур 600…750 С, давление парогазовой смеси 20 кПа.
Изучение морфологии, особенностей внутренней структуры и химического состава наноматериалов осуществлялось с применением сканирующего растрового электронного микроскопа CAMSCAN 4-DV, металлографического микроскопа NEOPHOT-30, спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС».
При создании полимерных нанокомпозитов методом сухого смешивания в аппарате с вращающимся электромагнитным полем в качестве материала матрицы использовался полиамид-66 ОСТ 6-06-023-85, в роли наполнителей выступали: наноалмазный материал марки RDD – производитель ЗАО «Концерн «Наноиндустрия», г. Москва;
углеродные нанотрубки (УНТ) в составе углеродного композита;
порошки ПГ-УС25, покрытые сульфидированной нанопленкой молибдена;
порошки SiO2, покрытые нанопленкой на основе карбонильного железа.
Изготовлена серия ПНК, содержащих в своем составе в качестве наполнителей углеродные наноматериалы (углеродные нанотрубки, либо наноалмазный материал) от 0,2 до 1,4 %(масс.), металлизированные порошки от 10 до 50 % (масс.).
Твердость разработанных ПНК измерялась по методу Бринелля.
Постановка проблемы Теоретическое обоснование исследования Цель исследования Получение наноматериалов методом химического газофазного Создание серии износостойких полимерных нанокомпозитов с применением углеродных и металлических наноматериалов осаждения Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств Исследование параметров синтеза наноматериалов полимерных нанокомпозитов (ПНК) Стендовые испытания Эксплуатационные испытания Углеродные наноматериалы Металлические нанопленки Исследование Подшипники, работающие в Получение углеродного Получение нанопленок на основе износостойкости ПНК условиях воздействия нанокомпозита на основе карбонильного железа на Определение коррозионной среды при углеродных нанотрубок порошках SiO отсутствии или ограниченном коэффициентов трения поступлении смазочных Определение твердости, Получение сульфидированных Исследование морфологии материалов ударной вязкости нанопленок на основе наноматериалов на основе Определение пределов карбонильного молибдена на углеродных нанотрубок Подшипники, прочности ПНК при испытании порошках ПГ-УС эксплуатирующиеся под на растяжение и сжатие воздействием абразивной среды Определение теплопроводности Исследование внутренней и теплостойкости структуры, морфологии и Подшипники, Определение усадки химического состава эксплуатирующиеся под Определение химической металлических нанопленок воздействием абразивной и стойкости коррозионной сред Выработка рекомендаций по оптимизации режима ведения Разработка технологических процессов восстановления и химического газофазного осаждения углеводородов и изготовления подшипников с применением наноматериалов и ПНК карбонильных соединений переходных металлов для создания наноматериалов Рисунок 3 - Программа экспериментальных исследований Ударная вязкость определялась согласно ГОСТ 4647-80 Пластмассы.
Метод определения ударной вязкости по Шарпи.
Теплостойкость ПНК определялась согласно ГОСТ 21341-75 Пластмассы и эбонит. Метод определения теплостойкости по Мартенсу;
теплопроводность по методу динамического калориметра.
Стабильность свойств в условиях воздействия влаги и агрессивных сред исследовалась на образцах ПНК по ГОСТ 12020-72 Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред.
Экспериментальное исследование по определению усадки, коэффициентов трения и износостойкости ПНК проводилось на образцах, созданных на термопрессавтомате Д 3132-250П. Колодки изготавливались из стали ГОСТ 1050-88. Испытания в условиях сухого трения проводились при скорости скольжения 0,786 м/с и нагрузке до 2000 Н.
Нанесение антикоррозионного покрытия на внутренние поверхности колец подшипников осуществлено методом химического газофазного осаждения бисбензолхрома (давление 10 Па, температура деталей 500±3 С, скорость подачи МОС 1,5 л/час).
С целью повышения качества и снижения себестоимости металлизации создано устройство, схема которого приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема устройства для нанесения покрытий на внутренние поверхности колец подшипников скольжения: 1 – передняя крышка;
2 - канал для подачи паров МОС;
3 – кольцо подшипника скольжения;
4 - графитовое разделительное кольцо;
5 – замыкающая крышка;
6 - выпускной канал для продуктов реакции;
7 - клеммы для крепления электрических проводов и арматуры;
8 – шпилька;
9 - керамические втулка;
10 – гайка Для исследования антикоррозионных свойств хромированные стальные пластины погружали в 3-% раствор хлорида натрия. Стойкость покрытия оценивалась по процентному отношению площади пораженной коррозией поверхности к общей площади покрытия.
Эксплуатационные испытания подшипников, изготовленных и восстановленных с использованием наноматериалов, проводились на сельскохозяйственных предприятиях Тверской области: в колхозе имени 1-го Мая Торжокского района и ГМУП «Гусевское» Оленинского района.
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований Практическое подтверждение получили выводы теоретических расчетов термодинамики и кинетики процессов химического газофазного осаждения металлоорганических соединений и углеводородов и представлены результаты изучения морфоструктурных характеристик созданных металлических и углеродных наноматериалов, разработанных полимерных нанокомпозитов с оценкой их физико-механических и эксплуатационных свойств, приведены данные по нанесению антикоррозионных износостойких хромовых покрытий на внутренние поверхности колец подшипников скольжения. Также произведено построение многокритериальной модели формирования и выбора оптимального состава композиционных материалов в зависимости от условий эксплуатации.
Для всех случаев термического разложения и осаждения гексакарбонила молибдена и пентакарбонила железа установлены зависимости скорости роста металлического слоя от температуры ведения процесса и определены режимы синтеза наноструктур в соответствии с рисунком 5.
Рисунок 5 – Скорость образования покрытий на основе карбонильного железа в функции температуры ведения процесса при разной скорости подачи паров реагентов (л/ч): 1 – 50, 2 – 130, 3 – Кривые скорости роста покрытий имеют начальную восходящую ветвь (ее определяют кинетические факторы реакций термораспада), максимум (диффузия к подложке) и крутую нисходящую ветвь (все более увеличивающийся процесс разложения части карбонила в объеме при высоких температурах реакционного газа).
Скорость роста (г/см2) металлических покрытий описывается уравнением (18):
(18) K 0 K a Pai rМ, (1 K a Pai K r Pri ) n х ( CO ) у где К0 – константа скорости разложения карбонила, г/(см2);
Ка – константа адсорбции карбонила на подложке, Па-1;
Рai – парциальное давление карбонила на поверхности раздела, Па;
Кr – константа адсорбции СО на подложке, Па-1;
Рri – парциальное давление СО на поверхности раздела, Па;
n – экспонента, характеризующая число адсорбционных молекул и другие факторы.
Таким образом, получение нанопленки на основе карбонильного молибдена (железа) в данном технологическом процессе может быть осуществлено только в области среднетемпературного режима при низких скоростях подачи паров газовой смеси.
Качество полученных нанопленок оценивалось исходя из особенностей их морфологической структуры, варианты которой представлены на рисунке 6.
а б в Рисунок 6 - Морфология поверхности нанопленок на основе молибдена, полученных при температуре нагрева подложки (С): а – 300;
б – 500;
в – 800 (площадь сканирования 5 5 мкм) Наличие трех типов морфологической структуры поверхности покрытия можно объяснить разным соотношением между реакциями термораспада Мо(СО)6, вторичными процессами образования карбидов и оксидов, реакцией Белла–Будуара, а также связано с образованием и удалением летучих примесей.
Исследован вариант способа нанесения молибденового покрытия на порошки ПГ-УС25 при термическом разложении гексакарбонила молибдена в среде сероводорода. Покрытия имеют мелкокристаллическую внутреннюю структуру с вкраплениями сфероидов сульфидного компонента.
Толщина нанопленок металла на порошковой частице не превышает 80 - 100 нм. Данный размер является оптимальным с точки зрения стабилизации системы в зоне межфазных границ «подложка – металлическая пленка».
Относительное массовое содержание химических элементов и соединений в полученных нанопленках представлено в таблице 1.
Таблица 1 – Содержание химических элементов в нанопленках, полученных методом химического газофазного осаждения гексакарбонила молибдена в среде сероводорода № Относительное массовое содержание, % п/п Мо S Fe Si Total 1 74,132 23,868 1,121 0,879 100, 2 69,318 29,481 0,423 0,699 99, 3 72,119 25,998 1,083 0,703 99, На рисунке 7 представлен внешний вид порошков оксида кремния SiO2, покрытых нанопленкой на основе карбонильного железа при температуре 180 С и скорости подачи газовой смеси 50 л/ч в колебательном режиме.
Рисунок 7 - Внешний вид и разрез порошков SiO2, покрытых металлической нанопленкой на основе карбонильного железа В процессе каталитического пиролиза этанола получен углеродный нанокомпозит, каркасная структура которого составлена многослойными углеродными нанотрубками. Внешний вид материала представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 - Внешний вид композиционного материала на основе углеродных нанотрубок: на подложке и при дроблении Рост углеродных нанотрубок идт по принципу гетерофазной нуклеации.
Формирование сложной структуры связано с протеканием ряда побочных реакций, возможность осуществления которых подтверждена термодинамическими расчетами. Продукты указанных процессов «загрязняют»
получаемый материал сопутствующими «паразитными» формами углерода (аморфный углерод, фуллерены, наночастицы графита, следы катализатора).
Определение режимов синтеза наноматериалов методом химического газофазного осаждения позволило получить разнообразные наполнители для создания полимерных нанокомпозитов.
На рисунках 9…10 представлены результаты исследования износостойкости ПНК.
Рисунок 9 – Зависимости Рисунок 10 – Зависимости износостойкости ПНК от вида износостойкости ПНК от вида и количества наполнителя: и количества наполнителя:
1 – ПГ-УС25 в сульфидированной 1 – алмазный наноматериал;
нанопленке молибдена;
2 – SiO2 2 – углеродные нанотрубки в нанопленке на основе карбонильного железа Установлено, что во всех случаях кроме варианта, когда применялся ПНК, наполненных порошками SiO2 в нанопленке на основе карбонильного железа, колодка практически не изнашивалась, в отношении материала диска лучшие показатели продемонстрировали композиты, армированные углеродными нанотрубками и порошками ПГ-УС25 в сульфидированной нанопленке молибдена с максимальной степенью наполнения.
Лучшие результаты в условиях сухого трения наблюдаются у пар, когда в качестве диска используется ПНК с содержанием углеродных нанотрубок в концентрации 0,6…1,4 % (масс.) - Ктр = 0,10. Близкими характеристиками (Ктр = 0,11) обладают следующие материалы: композиты, наполненные наноалмазным материалом (0,8…1,4 % по массе) и порошками ПГ-УС25 в сульфидированной нанопленке молибдена (40…50 % по массе). Это объясняется физико-механическими свойствами наполнителей, которые влияют на механизм реализуемых при работе пар трения процессов. Углеродные материалы и дисульфид молибдена, наполняя поверхностный слой полиамида, в зоне трения реализуют себя в качестве сухого смазочного материала.
Выявленные различия в интенсивности оптимизации твердости и усадки (рисунки 11…12) объясняются геометрическими особенностями элементов армирующей фазы (степень развитости активной поверхности, форма), а также различием шероховатости поверхности у порошковых частиц и трубчатых структур, что влияет на процесс кристаллизации композита в объеме пресс формы.
Рисунок 10 – Зависимости твердости Рисунок 11 – Зависимости усадки ПНК ПНК от вида и количества от вида и количества наполнителя:
наполнителя: 1 – ПГ-УС25 1 – ПГ-УС25 в сульфидированной в сульфидированной нанопленке нанопленке молибдена;
2 – SiO молибдена;
2 – SiO2 в нанопленке в нанопленке на основе карбонильного на основе карбонильного железа железа В результате исследования также установлено, что во всех случаях при наличии наполнителя в полиамиде наблюдается увеличение коэффициента теплопроводности ПНК. Лучшие показатели до 1,85 Вт/(м·К) имеют композиты, наполненные углеродными нанотрубками и наноалмазным материалом, что объясняется корреляцией свойств матрицы и наполнителя, теплопроводность которого первоначально характеризуется как максимально возможная среди существующих материалов: теплопроводность графита 4840±400…5300±480Вт/(м·К), алмаза 1001…2600 Вт/(м·К).
На рисунке 13 приведены результаты исследования ПНК, наполненных металлизированными порошками, на теплостойкость, подтверждающие оптимизацию свойств композита.
Рисунок 13 – Влияние вида и количества наполнителя на теплостойкость ПНК Теплостойкость ПНК, наполненных углеродными наноматериалами, находится в пределах от 373 до 388 К, что улучшило теплостойкость исходного полиамида на 30…50 %.
Исследовано влияние химических сред на величину разрушающего напряжения при сжатии, теплостойкость, ударную вязкость разработанных ПНК. В наибольшей степени физико-механические свойства материалов изменяются при их выдержке в полярных соединениях, что связано с характеристиками полиамида как высокомолекулярного химического соединения. Для ПНК, армированных металлизированными порошковыми материалами в количестве 30…40 %(масс.), в среднем степень изменения свойств характеризуется как хорошая (изменение показателя от 0 до 10 %) и удовлетворительная (изменение показателя от 10 до 15 %). Введение углеродных нанонаполнителей в полиамидную матрицу положительно сказывается на стойкости полимера.
Повышение износостойкости и коррозионной стойкости внутренних поверхностей колец подшипников осуществлено путем нанесения хромовых покрытий с вертикальностолбчатой структурой и микротвердостью не менее 15 000 МПа. Выбор толщины покрытия определялся исходя из результатов испытаний образцов на коррозионную стойкость (таблица 2).
Таблица 2 - Результаты стендовых испытаний образцов хромовых покрытий на коррозионную стойкость Толщина покрытия, мкм 2-5 10 - 20 Продолжительность испытания, сут 29 - 48 77 Степень коррозии, % 50 0,1 - 1,0 0, Постановка и решение задачи многокритериальной оптимизации при формировании множества эффективных вариантов на основе принципов выбора Парето и Слейтера произведены при использовании в качестве объекта исследования серии из 44 материалов, разработанных на основе полиамида, при армировании которого использовалось семь видов наполнителей:
- наноалмазный материал марки RDD;
- углеродные нанотрубки;
- порошки ПГ-УС25, покрытые сульфидированной нанопленкой молибдена;
- порошки SiO2, покрытые нанопленкой на основе карбонильного железа;
- порошки ПГ-УС25 неметаллизированные;
- углеродные волокна в комплексным медно-никелевым покрытии, полученном при химическом газофазном осаждении ацетилацетоната меди и циклопентадиенила никеля;
- стеклянные волокна в никелевой пленке, нанесение которой осуществлялось в ходе химического газофазного осаждения циклопентадиенила никеля.
Также в анализе использовались данные по исследованию свойств ненаполненного полиамида-66.
Определение оптимального состава полимерного композита, предназначенного для восстановления и изготовления узлов трения, эксплуатирующихся под воздействием абразивной и коррозионной сред при отсутствии или ограниченном поступлении смазочного материала, осуществлено исходя из значений следующих показателей: износостойкость;
твердость, МПа;
теплостойкость, К;
усадка, %;
стоимость материала, руб./70 г.
Пусть заданы множества X, У допустимых элементов xH, yG и целевой функционал fF. Проблема постановки задачи многоцелевой оптимизации заключается в определении оптимального выбора элемента x0X по многоцелевому показателю f ( x) { f ( x | y )}yY на основе принципов выбора, представленных в таблице 3.
Таблица 3 - Принципы выбора Условие оптимальности x0X Принцип выбора Парето x X : { f ( x | y ) f ( x 0 | y ) y Y } {y 0 Y :
: f ( x | y 0 ) f ( x 0 | y 0 )} Слейтера x X : f ( x | y) f ( x 0 | y) y Y Нормализация результатов стендовых испытаний материалов проведена с применением соотношения:
f ij f jmin (19) норм f ij, f jmax f j min где f ij - значение j-го показателя качества для i-го варианта состава материала;
f jmin - минимальное значение j-го показателя качества для i-го варианта состава материала;
f jmax - максимальное значение j-го показателя качества для i-го варианта состава материала.
Из рассмотренных вариантов состава композиционного материала взаимную конкуренцию друг другу составляют следующие: ПНК, наполненные 30…50 %(масс.) порошками ПГ-УС25 в сульфидированной нанопленке молибдена, либо порошками SiO2 в нанопленке на основе карбонильного железа, а также ПНК, содержащие углеродные нанотрубки 1,0…1,4 %(масс.).
Глава 5. Разработка технологических процессов восстановления и изготовления подшипников с использованием наноматериалов.
Технико-экономическая эффективность их внедрения в производство Приведено обоснование конструктивно-технологических параметров восстановления и изготовления подшипников, разработаны технологические процессы восстановления и изготовления подшипников с применением наноматериалов, в том числе в составе полимерных нанокомпозитов, представлены результаты эксплуатационных испытаний, произведен расчт экономического эффекта внедрения технологических процессов в производство.
В качестве объектов восстановления и изготовления выбраны подшипники: поворотных опор скребковых навозоуборочных транспортеров ТСН-160А, подбирающего барабана оборачивателя-сдваивателя лент льна ОСЛ-2, ведущего вала и вала привода транспортера, вала привода и барабанов рабочего органа машин для внесения органических удобрений РОУ-6, сошников сеялки зернотуковой универсальной СЗ-3,6.
При проектировании технологических процессов выполнены прочностные и тепловые расчеты для подшипниковых узлов поворотных опор транспортеров ТСН-160А, как работающих при более высоких нагрузках в сравнении с остальными перечисленными сборочными единицами. Установлено, что условие прочности, с учетом статических и динамических нагрузок, обеспечивающее заданную грузоподъемность вкладышей подшипников, выполняется, составляя при максимальной нагрузке 67500 Н (допустимое значение 74250 Н).
Расчеты теплового режима работы подшипников проводились для пар трения «композит - сталь». Установлено, что максимальное значение температуры вкладыша в зоне его контакта с внутренней поверхностью наружного кольца может достигать 82,4 С, при допустимом значении температуры применяемых ПНК в диапазоне 100…230 С. Следовательно, разработанные ПНК пригодны для восстановления и изготовления рассматриваемых подшипников.
Технологический процесс восстановления включает следующие основные операции: моечную, дефектовочную, подготовительную, шлифовальную, контрольную, подготовительную, хромирование наружных колец, контрольную, литьевую, контрольную, термическую, консервационную. Материал для создания вкладыша выбирался с учетом обеспечения физико-механических свойств в заданных эксплуатационных режимах и экономической эффективности при их восстановлении (таблица 4).
Таблица 4 - Перечень и свойства полимерных нанокомпозитов, используемых при восстановлении и изготовлении подшипников, работающих в абразивной и коррозионной средах при отсутствии или ограниченном поступлении смазочного материала Место установки подшипника Состав ПНК Свойство ПНК Оборудование Сборочная Наполнитель Теплостойкость, напряжение при единица Вид Разрушающее Коэффициент сжатии, МПа смазочного трения без материала Усадка, % Количество, Матрица %(масс.) К ТСН-160А Поворотная опора Композит на основе углеродных 1 102 0,10 388 1, нанотрубок ОСЛ-2 Подбирающий ПГ-УС25 в сульфидированной 40 105 0,11 473 0, барабан нанопленке молибдена Ведущий вал SiO2 в нанопленке на основе 40 107 0,35 463 0, Полиамид- транспортера карбонильного железа РОУ-6 Барабан рабочего органа Вал привода ПГ-УС25 в сульфидированной 40 105 0,11 473 0, рабочего органа нанопленке молибдена Вал привода транспортера СЗ-3,6 Сошник ПГ-УС25 в сульфидированной 40 105 0,11 473 0, нанопленке молибдена В качестве ремонтного фонда использовались наружные и внутренние кольца вышедших из строя подшипников качения.
Технологический процесс изготовления дополнен операциями (токарная, шлифовальная, контрольная), в процессе которых изготавливаются внутренние и наружные кольца с учетом одновременной замены двух серийных подшипников.
Разработаны технологические процессы восстановления и изготовления подшипников с применением наноматериалов посредством их введения в зону трения. В процессе осуществления литьевой операции создается вкладыш из полиамида, производится термическая операция. Последующая подготовительная операция представляет собой процесс, направленный на создание условий для ввода наноматериалов в зону трения.
Благодаря присутствию наноматериалов непосредственно в зоне трения сокращается их общий расход по сравнению с производством полимерных нанокомпозитов, устраняется необходимость в проведении работ, направленных на равномерное распределение наполнителя в объеме матрицы, при этом углеродные наноматериалы и порошки в сульфидированной нанопленке молибдена выполняют роль сухого смазочного материала.
Эксплуатационные испытания, проведенные в хозяйствах АПК, подтверждают увеличение ресурса подшипников, восстановленных и изготовленных по разработанным технологическим процессам, относительно серийных сборочных единиц (рисунок 14).
серийный подшипник;
подшипник, восстановленный с введением в зону трения наноматериалов;
Ресурс,% подшипник, изготовленный с введением в зону трения 200 наноматериалов;
подшипник, восстановленный с применением ПНК;
I II III IV подшипник, изготовленный с применением ПНК Рисунок 14 - Результаты эксплуатационных испытаний:
I – подшипники поворотных опор транспортера ТСН-160А;
II – подшипники сошников сеялки зернотуковой СЗ-3,6;
III - подшипники подбирающего барабана оборачивателя-сдваивателя лент льна ОСЛ-2;
IV - подшипники машины для внесения органических удобрений РОУ- Расчет экономической эффективности от внедрения разработок выполнен в соответствии с методиками, рекомендованными Министерством сельского хозяйства РФ. Экономический эффект от использования технологических процессов изготовления и восстановления подшипников сельскохозяйственных машин составляет 1930 тыс. руб.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Условия эксплуатации подшипников сельскохозяйственной техники отличаются многообразием нагрузочно-скоростных режимов, что в сочетании со специфичностью влияния окружающей среды приводит к преждевременному выходу из строя сборочных единиц по причине абразивного, коррозионно-механического изнашивания, схватывания и заедания. Основными направлениями повышения долговечности подшипников являются: материаловедческое - применение износостойких материалов при восстановлении и изготовлении сборочных единиц, технологическое - создание на подверженных изнашиванию участках условий трения «полимерный композит - металл» вместо «металл-металл», что позволит восстанавливать около 80 % вышедших из строя подшипников качения, конструкционное – применение конструкционных форм, эксплуатация которых в заданных условиях обеспечит стабильность технических параметров.
2. Физико-механические принципы создания полимерных нанокомпозитов, устойчивых к действию абразивной и коррозионной сред, базируются на результатах анализа свойств полимеров и наноматериалов, исследовании характера изменения их в пределах марочного ассортимента, определении степени смачиваемости наполнителя в матрице, их адгезионной совместимости.
3. Определены режимы синтеза многослойных углеродных нанотрубок и металлических нанопленок методом химического газофазного осаждения (температура подложки – Т, С;
состав реагентов газовой смеси и тип катализатора;
скорость подачи газовой смеси – q, л/ч;
давление в реакторе – р, кПа ):
- сульфидированные нанопленки молибдена толщиной 0,05…2,00 мкм:
Т = 200…250С;
состав газовой смеси: гексакарбонил молибдена qМо(СО)6 = 40 л/ч, монооксид углерода qСО = 200 л/ч, сероводород qH2S = 80 л/ч (патент РФ на изобретение № 2425909 «Способ нанесения молибденового покрытия на металлические порошки»);
- нанопленки железа толщиной до 0,1 мкм: Т = 180…200 С;
состав газовой смеси: пентакарбонил железа в среде монооксида углерода, qГС = 50 л/ ч;
- нанокомпозит на основе многослойных углеродных нанотрубок:
Т = 700…750 С;
состав газовой смеси: водный раствор этанола азеотропного состава, катализатор – окисленная стальная пластинка;
р = 20 кПа.
4. Установлено, что в низко- и среднетемпературных областях осаждения металлоорганических соединений образуются пленки с мелкозернистой поверхностью в виде плотно упакованных сфероидов, формирующих горизонтально-слоистую либо вертикально-столбчатую структуру, при высоких температурах покрытие приобретает мелкокристаллическую структуру.
5. Получены сульфидированные нанопленки молибдена толщиной 80 - 100 нм, характеризующиеся мелкокристаллической внутренней структурой с вкраплениями сфероидов сульфидного компонента, относительное массовое содержание которого превышает 26 %.
6. Созданы полимерные нанокомпозиты на основе полиамида-66, содержащие в своем составе:
- от 10 до 50 % по массе металлизированных порошков, обеспечивающих ПНК износостойкость 1,2…4,5, теплостойкость 413..503 К, коэффициент теплопроводности 0,24…0,75 Вт/(мК), коэффициент трения при работе без смазочного материала 0,11…0,38, усадку при литье под давлением 0,6… 1,4 %;
- от 0,2 до 1,4 % по массе углеродных наноматериалов, имеющие износостойкость 1,2…4,8, теплостойкость 373...388 К, коэффициент теплопроводности 0,24…1,85 Вт/(мК), коэффициент трения при работе без смазочного материала 0,10…0,15, усадку при литье под давлением 1,6…1,9 %.
Определены оптимальные варианты состава полимерных 7.
нанокомпозитов для использования их в заданных эксплуатационных режимах:
- абразивная среда: полимерные нанокомпозиты, наполненные 30…40 %(масс.) порошками SiO2 в нанопленке на основе карбонильного железа, обладают сравнительно высокими показателями твердости (136… 144 МПа) и теплостойкости (453…463 К);
- коррозионная среда: полимерные нанокомпозиты, содержащие углеродные нанотрубки 1,0…1,2 %(масс.), демонстрируют высокие значения износостойкости (4,8…4,9) и теплостойкости (388 К);
- сочетание коррозионной и абразивной сред: полимерные нанокомпозиты, наполненные 30…40 %(масс.) порошками ПГ-УС25 в сульфидированной нанопленке молибдена – оптимальное сочетание показателей твердости (128…134 МПа), теплостойкости (453…473 К), износостойкости (3,8…4,2).
Данные материалы использованы для создания вкладышей подшипников, восстанавливаемых и изготавливаемых по разработанным технологическим процессам.
8. Создано устройство для нанесения антикоррозионных износостойких покрытий методом химического газофазного осаждения металлоорганических соединений на внутренние поверхности колец подшипников, обеспечивающее получение металлических покрытий микротвердостью до 15000 МПа и снижение себестоимости восстановления в 4,7…5,3 раза.
9. В зависимости от места установки, общего технического состояния сельскохозяйственных машин, а также вида используемых наноматериалов ресурс восстановленных и изготовленных по разработанным технологическим процессам подшипников увеличился в 2,2…4,6 раза относительно серийных сборочных единиц. Износ вкладышей при использовании углеродных наноматериалов и металлизированных порошков составил 0,2…0,6 мм и 0,3…1,3 мм соответственно.
10. Разработанные технологические процессы восстановления и изготовления подшипников сельскохозяйственной техники прошли производственную проверку и внедрены на ремонтно-технических предприятиях Тверской области. Результаты работы одобрены Научно техническим советом Министерства сельского хозяйства и рекомендованы для внедрения на предприятиях технического сервиса РФ (протокол №5 от 16.03.2011 г.). Экономический эффект составляет 1930 тыс. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография и методические рекомендации 1. Козырева, Л.В. Ресурсосберегающие нанотехнологии на предприятиях технического сервиса: монография [Текст] / Л.В. Козырева. - Тверь: ТГТУ, 2010. – 188 с. – ISBN 978-5-7995-0531-8.
2. Козырева, Л.В. Восстановление и изготовление подшипников сельскохозяйственных машин с использованием нанокомпозитов:
методические рекомендации [Текст] / М.Н. Ерохин, Л.В. Козырева. - М.: Издат.
центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. – 68 с. – ISBN 978-5-86785-272-6.
Публикации и издания, рекомендованные ВАК 3. Козырева, Л.В. Повышение работоспособности масляных насосов при использовании CVD-метода элементоорганических соединений [Текст] / Л.В.
Козырева, Н.Н. Чупятов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. Агроинженерия. ISSN 1728-7936. – 2007. – Вып. 2(22). - С.116-118.
4. Козырева, Л.В. Применение CVD-метода металлоорганических соединений в технологиях изготовления и восстановления деталей подъемно транспортирующих машин [Текст] / Л.В. Козырева // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. Агроинженерия. - ISSN 1728-7936. – 2008. Вып. 1(26). - С.104-108.
5. Козырева, Л.В. Применение CVD-метода металлоорганических соединений никеля при создании композиционных материалов и покрытий [Текст] / В.В. Козырев, Л.В. Козырева, Н.Н. Чупятов. // Технология машиностроения. – ISSN 1562-322Х. – 2008. - №2(68). - С.5-8.
6. Козырева, Л.В. Увеличение ресурса трибосопряжений сельхозтехники применением модифицированных стеклопластиков. [Текст] / М.Н. Ерохин, Л.В.
Козырева // Техника и оборудование для села. – ISSN 2072-9642. – 2008. - №3. С. 18-20.
7. Козырева, Л.В. Полимерные нанокомпозиты: инновационные перспективы применения на ремонтных предприятиях АПК [Текст] / М.Н. Ерохин, Л.В. Козырева // Тракторы и сельхозмашины. - ISSN 0235-8573. 2010. - №9. - С.8-11.
8. Козырева, Л.В. Получение наноматериалов на предприятиях технического сервиса [Текст] / Л.В. Козырева // Механизация и электрификация сельского хозяйства. ISSN 0206-572Х. - 2010. - №9. - С.27-29.
9. Козырева, Л.В. Критерии выбора матрицы при создании нанокомпозитов на основе термопластов [Текст] / М.Н. Ерохин, Л.В. Козырева // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. Агроинженерия. - ISSN 1728-7936. – 2010. – Вып. 2(41). - С. 107-111.
10 Козырева, Л.В. Поиск оптимального состава полимерных нанокомпозитов для трибосопряжений [Текст] / Л.В. Козырева // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. Агроинженерия. - ISSN 1728-7936. – 2010. – Вып. 2(41). - С. 124-127.
11. Козырева, Л.В. Применение металлизированных материалов на основе технической керамики для ремонтных производств [Текст] / В.В. Козырев, Л.В. Козырева, Н.Н. Чупятов, И.Б. Рыбаков. // Грузовик. – ISSN 1684-1298. – 2010. - №11. - С.16-19.
12. Козырева, Л.В. Получение сульфидированных нанопленок молибдена методом химического газофазного осаждения [Текст] / Л.В. Козырева. // Тракторы и сельхозмашины. - ISSN 0235-8573. – 2011. - №2. -С.42-44.
13. Козырева, Л.В. Формирование углеродного нанокомпозита методом химического газофазного осаждения [Текст] / Л.В. Козырева // Труды Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка. – 2011. – Т. 107. - Ч.1. С.5-8.
14. Козырева Л.В. Оценка эффективности применения наноматериалов в составе композитов [Текст] // Нанотехника. – ISSN 1816-4498. - 2011, №1(25). С. 8-13.
15. Козырева, Л.В. Углеродные наноматериалы в технологиях восстановления деталей сельскохозяйственных машин [Текст] / Л.В. Козырева // Международный научный журнал. – ISSN 1995-4638. – 2011. - №2. - С.76-81.
16. Козырева, Л.В. Химическое газофазное осаждение металлоорганических соединений в машиностроении и ремонтном производстве [Текст] / Л.В. Козырева, Н.Н. Чупятов // Техника в сельском хозяйстве. – ISSN 0131 7105. – 2011. - №3. - С.27-29.
17. Козырева, Л.В. Металлоорганические соединения в ремонтном производстве предприятий АПК [Текст] / Л.В. Козырева // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. Агроинженерия. – ISSN 1728-7936. – 2011. – Вып. 1(46). - С.70-72.
18. Козырева, Л.В. Металлические наноматериалы для восстановления деталей [Текст] /Л.В. Козырева // Техника и оборудование для села. – ISSN 2072-9642. - 2011. - №8(170). - С.41 -43.
Патент на изобретение 19. Способ нанесения молибденового покрытия на металлические порошки [Текст]: пат. 2425909 Рос. Федерация: МПК С23С 16/16 / Козырева Л.В.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия». №2010118674/02;
заявл. 11.05.2010.;
опубл.
10.08.2011. Бюл. №22. – 4 с.
Статьи и материалы конференции, зарегистрированные научные отчеты 20. Козырева, Л.В. Исследование свойств волокнистых композиционных материалов с полимерной матрицей, модифицированных СVD-методом металлоорганических соединений [Текст] / В.В. Козырев, Л.В. Козырева // Вестник Тверского государственного технического университета. – 2007. – Вып.12. - С.119-124.
21. Козырева, Л.В. Перспективы применения наноматериалов на предприятиях агропромышленного комплекса [Текст] / Л.В. Козырева. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практич.
конференции «Проблемы аграрной науки и образования». Тверь: ТГСХА, «Агросфера». - 2008. - С. 5 – 7.
22. Разработка инновационных технологий в растениеводстве и технического сервиса: Отчет о НИР / Тверск. гос. сельскохоз. академия (ТГСХА);
рук. Ю.Т. Фаринюк. Тверь: ТГСХА, 2008. – 68 с. - №ГР 01201051204.
23. Козырева, Л.В. Получение металлических наноразмерных покрытий на волокнистых материалах [Текст] / Л.В. Козырева. // Труды Международной научно-практич. конференции «Нанотехнологии –производству - 2008».
Москва: Концерн «Наноиндустрия». - 2009. - С. 158 – 161.
24. Козырева, Л.В. Перспективы применения нанотехнологий в сельскохозяйственном машиностроении и техническом сервисе [Текст] / В.В. Козырев, Л.В. Козырева. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практич. конференции «Современные технологии агропромышленного производства». Тверь: ТГСХА, «Агросфера». - 2009. С. 17 – 19.
25. Разработка инновационных технологий в растениеводстве и технического сервиса: Отчет о НИР / Тверск. гос. сельскохоз. академия (ТГСХА);
рук. Ю.Т. Фаринюк. Тверь: ТГСХА, 2009. – 98 с. - №ГР 01201051204.
26. Козырева, Л.В. Особенности теплового расчета подшипников скольжения с вкладышем из композиционного материала на основе полимеров [Текст] / Л.В. Козырева, М.Ю. Петров, И.Б. Рыбаков. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практич. конференции «Современные технологии агропромышленного производства». Тверь: ТГСХА, «Агросфера». - 2009. - С. 40 – 42.
27. Козырева, Л.В. Молекулярно-кинетическая модель формирования нанопокрытий CVD-методом металлоорганических соединений [Текст] / Л.В. Козырева // Вестник Тверского государственного технического университета. – 2009. Вып.15. – С. 19-22.
28. Козырева, Л.В. Перспективы применения металлизированных материалов на основе технической керамики для ремонтных производств [Текст] / В.В. Козырев, Л.В. Козырева, Н.Н. Чупятов, И.Б. Рыбаков. // Материалы 12-ой международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня». - СПб: Изд. Политехнического университета. – 2010. - Ч. 2.- С. 170-174.
29. Козырева, Л.В. Химическое газофазное осаждение как метод получения наноструктурных материалов [Текст] / Л.В. Козырева // Материалы 12-ой международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня». - СПб.: Изд. Политехнического университета. – 2010. - Ч.2. С. 174-179.
30. Козырева, Л.В. Зависимость морфоструктурных характеристик нанопленок на основе молибдена от температурного режима CVD-процесса [Текст] / Л.В. Козырева // Вестник Тверского государственного технического университета. – 2010. – Вып.16. - С.57-60.
31. Козырева, Л.В. Исследование физико-механических свойств полимерных композитов, армированных углеродными наноструктурами [Текст] / И.Б. Рыбаков, Л.В. Козырева, М.Ю. Петров, Н.Н. Чупятов. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практич. конференции «Инновационные технологии как основа развития аграрного образования и АПК региона». Тверь: ТГСХА, «Агросфера». - 2010. - С. 53– 55.
32. Козырева, Л.В. Нанесение нанопокрытий на порошковые материалы в псевдоожиженном слое [Текст] / Л.В. Козырева // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практич. конференции «Инновационные технологии как основа развития аграрного образования и АПК региона». Тверь:
ТГСХА, «Агросфера». - 2010. - С. 55– 56.
33. Разработка организационных, конструкторских, технологических и ремонтных мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности использования с.х. техники в рыночных условиях: Отчет о НИР / Тверск. гос.
сельскохоз. академия (ТГСХА);
рук. Е.А. Фирсова. Тверь: ТГСХА, 2010. 84 с. № ГР 01200704620.
34. Разработать новые инновационные технологии в растениеводстве и техническом сервисе: Отчет о НИР / Тверск. гос. сельскохоз. академия (ТГСХА);
рук. О.Р. Балаян. Тверь: ТГСХА, 2010. - 98 с. - № ГР 01201051204.
35. Козырева, Л.В. Способ нанесения сульфидированных нанопленок на металлические порошки [Текст] / Л.В. Козырева // Вестник Тверского государственного технического университета. - 2011. – Вып. 19. - С.63-68.
36. Козырева, Л.В. Применение металлоорганических соединений для упрочнения и восстановления прецизионных деталей топливной аппаратуры и гидравлических систем сельскохозяйственной техники [Текст] / В.В. Козырев, Л.В. Козырева, Н.Н. Чупятов, М.Ю. Петров // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы – основа модели стратегического развития АПК в XXI веке». - Тверь:
ТГСХА. - Ч.2. - 2011. - С. 53-55.
Подписано к печати Формат 60х84/16.
Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл.-печ. л. Тираж 100 экз.
Заказ № Отпечатано в издательском центре Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина 127550, Москва, Тимирязевская,