eng
Выпуск #4/2015
В.Шевченко, А.Рябина, В.Торокин, В.Алехина
Смазочная композиция для улучшения абразивной обработки материалов
Смазочная композиция для улучшения абразивной обработки материалов
Просмотры: 5509
Новая твердая смазка на органической основе с наполнителями из наноматериалов обеспечивает комплексное повышение эффективности металлообработки: улучшение качества и сокращение времени шлифования и полирования, устранение прижогов, уменьшение температуры в зоне обработки, увеличение срока службы абразивного инструмента.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.58.4.72.78
DOI:10.22184/1993-8578.2015.58.4.72.78
Эффективность металлообработки – комплекс-
ный показатель, учитывающий в числе прочих условий роль режущего инструмента, его влияние на производительность труда, экономичность и "металлоемкость". Технологические смазки для абразивной обработки применяются в машиностроении и других отраслях промышленности в процессах , связанных со шлифованием и полированием черных и цветных металлов, а также их сплавов. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств позволяет значительно повысить эффективность шлифования. Путем совершенствования составов и технологий использования смазочно-охлаждающих средств можно существенно увеличить эффективность абразивного инструмента, обеспечить получение требуемого класса шлифованных поверхностей деталей за меньшее время. Таким образом, применение современных смазочно-охлаждающих средств, в том числе нестандартных, таких как, например, карандаши твердой смазки (КТС), обеспечивает повышение качества продукции машиностроительных предприятий.
Подбор оптимального состава КТС, позволяющего стабилизировать режущую способность шлифовального круга, – задача весьма сложная. Компоненты КТС должны отвечать следующим требованиям: функциональность (смазочная способность), стабильность при хранении, пожарная безопасность, экологическая безопасность. Замена экологически опасных компонентов на менее химически активные, а также использование более дешевых наполнителей, эффективность действия которых можно повысить путем применения комбинации присадок из наноматериалов и относительно дешевых органических материалов, обуславливают возможность получения КТС, отвечающего всем вышеперечисленным требованиям. Авторы разработали, запатентовали и провели испытания КТС с наполнителями из наноматериалов, который обеспечивает повышение эффективности обработки металлов и достижение высокого качества обработки поверхности, в частности, значительное снижение ее шероховатости.
Разработка КТС
Перед авторами стояла задача – разработать состав смазки для абразивной обработки различных металлов и сплавов, позволивший бы достичь высокого качества поверхности за счет значительного снижения ее шероховатости. В соответствии с предъявляемыми к современным КТС санитарно-гигиеническими требованиями учитывались недостатки известных твердых смазок, содержащих экологически вредные компоненты – олово, свинец, кадмий и др.
При резании или шлифовании в зоне контакта с обрабатываемой деталью выделяется большое количество тепла, и температура достигает 1000–1600°С [1]. В результате нагрева обрабатываемой детали на ее поверхности образуются прижоги. Таким образом, при изготовлении твердой смазки необходимо также учитывать необходимость охлаждения обрабатываемой поверхности. Уменьшение коэффициента трения между шлифуемой поверхностью и абразивным кругом также актуально [2], поскольку трение в процессах механической обработки оказывает большое влияние на износостойкость инструмента. Эта задача решается путем добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ), обладающих большим сродством с металлом (смачивающей способностью) и, следовательно, уменьшающих трение [3].
Твердые смазочные материалы применяются для повышения технологической эффективности процессов абразивной обработки. Высокодисперсные абразивные наполнители обеспечивают формирование на поверхностях трения структуру с высокими трибологическими характеристиками. Влияние нанодобавок на трибологические процессы в местах контакта изучались во многих работах [4, 5]. Так, НПО "Нанотех" разработал ряд материалов, применяемых в качестве присадок к моторным и индустриальным маслам. К ним относятся кластерные алмазы с размерами до 100 ангстрем и ультрадисперсный наноалмазографит. В работе [4] установлено, что введение нанопорошков меди и никеля в моторное масло SAE10W-30 позволяет уменьшить износ и до двух раз снизить коэффициент трения в узле трения накладки и вала, что в свою очередь влияет на контактную температуру.
Отличительной особенностью разработанной авторами твердой смазки является содержание в ее составе, кроме высокоэффективных ПАВ (минерального масла, низкомолекулярного полиэтилена и др.), также смеси ультрадисперсных порошков углетермического восстановления лейкоксена (продукта обогащения нефтеносных кремнисто-титановых руд) и нитрида алюминия (AlN). Последний является техническим керамическим материалом, который обладает чрезвычайно интересным сочетанием очень высокой теплопроводности и отличных изоляционных свойств.
Около 90% содержащихся в лейкоксене компонентов составляют оксиды титана и кремния (табл.1). Карботермическое восстановление лейкоксена при определенных температурах в газовой среде позволяет получить механическую порошковую смесь карбида кремния и карбонитрида титана с разным соотношением компонентов (50–70 масс.% TiC1-xNx и 20–40 масс.% SiC) [6].
Величина удельной поверхности – одна из важнейших характеристик наноматериала, определяющая активность протекания физико-химических процессов и многие технологические свойства. Знание этого параметра особенно необходимо в случае, когда в технологическом процессе работает именно поверхность. Важнейшей характеристикой наноматериалов также является размер частиц.
Использованный при создании КТС порошок нитрида алюминия имел удельную поверхность 27 м2/г. Гранулометрический анализ, выполненный на лазерном гранулометре Horiba LA-950 с обработкой ультразвуком, показал, что средний размер частиц составляет 0,15 мкм. Благодаря высокой хрупкости переработанного лейкоксена размол в шаровой мельнице позволяет получать порошки различной дисперсности. В нашем случае средний размер частиц составлял 3–5 мкм.
Правильно подобранное связующее повышает адгезию к материалу обрабатываемой заготовки, способствует образованию равномерного смазочного слоя на поверхности трения, повышению долговечности КТС. Связующее, обладающее достаточно хорошей прочностью сцепления с поверхностями трения, значительно увеличивает износостойкость КТС. Установлено, что антифрикционные и адгезионные свойства КТС существенно зависят от соотношения содержания наполнителя и связующего: чем больше связующего, тем прочнее связь образующихся в процессе шлифования пленок с обрабатываемой поверхностью; чем меньше связующего, тем выше антифрикционные свойства КТС. Граничные значения содержания компонентов смазки выбирают в соответствии с экспериментальными данными.
Проведенные авторами экспериментальные исследования позволили установить, что дополнительное введение в состав смазки линолевой кислоты может улучшить смазывающие свойства. Так, при содержании линолевой кислоты менее 16,5 масс.% наблюдается увеличение трения прохода инструмента по материалу, а при содержании линолевой кислоты более 31 масс.% – проскальзывание инструмента по материалу и, как следствие, увеличение времени обработки. Также путем эксперимента был установлен оптимальный состав наполнителя – высокодисперсного порошка. Лучшие физико-химические свойства были получены при введении в состав смазки смеси продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия в соотношении 1 : 2.
Ряд экспериментов был выполнен для определения оптимального соотношения в составе наполнителя "твердой" и "мягкой" составляющих: нитрида алюминия, который обладает высокой микротвердостью, обеспечивающей снятие шероховатостей с поверхности, и продукта термического восстановления лейкоксена, который обеспечивает заглаживание неровностей, образовавшихся в результате действия "твердой" составляющей, полировку поверхности. Только определенная их пропорция обеспечивает достижение технического результата – снижения шероховатости обрабатываемой поверхности. Так, при соотношении продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия менее 1 : 2 наблюдается ухудшение чистоты обрабатываемой поверхности, а при соотношении более 1 : 1 – засаливание рабочей поверхности абразивного инструмента.
Использование ультрадисперсного порошка AlN приводит к быстрому образованию плакирующего слоя. Совместное использование лейкоксена и нитрида алюминия дает отличный синергетический эффект – плакирующая пленка представляет собой высокотвердый (устойчивый к изнашиванию) композит толщиной до 4 мкм. При этом контактная температура в зоне контакта снижается до 30%, что приводит к уменьшению вероятности появления прижогов и трещин в поверхностном слое шлифуемых деталей.
Изготовление и испытание КТС
В качестве исходных компонентов использовались стеариновая кислота ГОСТ 6484-64, линолевая кислота ГОСТ 30623-98, низкомолекулярный полиэтилен марки НМПЭ-1 ТУ-6-05-18-37-82, минеральное масло (веретенное) ГОСТ 1642-75, хлорфторуглеродное масло ОСТ 6-02-6-81 и смесь ультрадисперсных порошков продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия, взятых в соотношении 1 : 2. В расплав смеси стеариновой и линолевой кислот при 70–75°C вводятся расплав низкомолекулярного полиэтилена и эмульсия хлорфторуглеродного масла в минеральном масле. Затем добавляется смесь ультрадисперсного или микронного порошка продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия. Полученную массу перемешивают в течение 10–15 мин при 70–75°C. Установка для синтеза КТС представлена на рис.1.
Полученную смазку испытывали при шлифовании образцов из нержавеющей стали, меди и титанового сплава. Образцы размером 18 × 30 × 40 мм шлифовали лентой 14А25Н С/с по ТУ 2-036-766-78 с прижимом 29,4 Н и скоростью 25 м/с. Прижоги оценивали визуально с помощью микроскопа по появлению цветов побежалости. Шероховатость поверхности Ra измеряли на профилографе-профилометре мод.201. Смазку наносили через каждые 10 циклов. Данные о шероховатости Ra обработанной поверхности при использовании КТС приведены в табл.2.
КТС (рис.2, 3) прошли испытания и применяются на следующих предприятиях: "Уральский завод гражданской авиации", "Уральский турбинный завод", "СИЗ" Свердловский инструментальный завод" и др. Результаты испытаний подтверждены соответствующими документами. Составы твердых смазок защищены охранными документами РФ.
Преимущества
Эффекты, достигаемые при применении КТС, обусловлены уникальными свойствами ПАВ, входящих в состав смазки, физико-химическими свойствами высокодисперсных абразивных материалов, а также технологией ее получения. Технический результат разработки заключается в снижении шероховатости на 1 класс при шлифовании и на 3–4 класса при полировании, устранении прижогов, уменьшении температуры в зоне контакта, сокращении времени обработки поверхности. Твердая смазка не содержит вредных веществ и является экологически чистой. Срок службы абразивного инструмента (за счет сохранения стойкости профиля и значительного уменьшения "засаливания") увеличивается в 10 и более раз в сравнении с ранее применяемыми смазками.
Литература
1. Терган В.С., Доктор Л.Ш. Шлифование на круглошлифовальных станках // Учебник для проф.-техн. училищ / Изд.2-е перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1977.
2. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. – М.: Машиностроение, 1974, 200 c.
3. Вульф А.М. Резание металлов. – М.-Л.: Машгиз, 1963. 428 c.
4. Ильин А.П. Влияние суспензии "моторное масло + смесь нанопорошков меди и никеля" на трибологические свойства пары трения "углеродистая сталь – низколегированная сталь" / А.П.Ильин, О.Б.Назаренко, С.В.Рихерт // Известия Томского политехнического университета, 2004. Т. 307, № 3.
С. 77–79.
5. Наноматериалы в техническом сервисе сельскохозяйственных машин: уч. пособ. для студ. высш. учебн. завед. по агроинженерным специальностям / Под ред. акад. РАСХН В.И.Черноиванова. – Челябинск-Москва, 2010.
6. Швейкин Г.П., Николаенко И.В. Переработка лейкоксенового концентрата и получение на его основе продуктов и материалов // Химическая технология, 2008. Т. 9, № 8. С. 394–401.
ный показатель, учитывающий в числе прочих условий роль режущего инструмента, его влияние на производительность труда, экономичность и "металлоемкость". Технологические смазки для абразивной обработки применяются в машиностроении и других отраслях промышленности в процессах , связанных со шлифованием и полированием черных и цветных металлов, а также их сплавов. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств позволяет значительно повысить эффективность шлифования. Путем совершенствования составов и технологий использования смазочно-охлаждающих средств можно существенно увеличить эффективность абразивного инструмента, обеспечить получение требуемого класса шлифованных поверхностей деталей за меньшее время. Таким образом, применение современных смазочно-охлаждающих средств, в том числе нестандартных, таких как, например, карандаши твердой смазки (КТС), обеспечивает повышение качества продукции машиностроительных предприятий.
Подбор оптимального состава КТС, позволяющего стабилизировать режущую способность шлифовального круга, – задача весьма сложная. Компоненты КТС должны отвечать следующим требованиям: функциональность (смазочная способность), стабильность при хранении, пожарная безопасность, экологическая безопасность. Замена экологически опасных компонентов на менее химически активные, а также использование более дешевых наполнителей, эффективность действия которых можно повысить путем применения комбинации присадок из наноматериалов и относительно дешевых органических материалов, обуславливают возможность получения КТС, отвечающего всем вышеперечисленным требованиям. Авторы разработали, запатентовали и провели испытания КТС с наполнителями из наноматериалов, который обеспечивает повышение эффективности обработки металлов и достижение высокого качества обработки поверхности, в частности, значительное снижение ее шероховатости.
Разработка КТС
Перед авторами стояла задача – разработать состав смазки для абразивной обработки различных металлов и сплавов, позволивший бы достичь высокого качества поверхности за счет значительного снижения ее шероховатости. В соответствии с предъявляемыми к современным КТС санитарно-гигиеническими требованиями учитывались недостатки известных твердых смазок, содержащих экологически вредные компоненты – олово, свинец, кадмий и др.
При резании или шлифовании в зоне контакта с обрабатываемой деталью выделяется большое количество тепла, и температура достигает 1000–1600°С [1]. В результате нагрева обрабатываемой детали на ее поверхности образуются прижоги. Таким образом, при изготовлении твердой смазки необходимо также учитывать необходимость охлаждения обрабатываемой поверхности. Уменьшение коэффициента трения между шлифуемой поверхностью и абразивным кругом также актуально [2], поскольку трение в процессах механической обработки оказывает большое влияние на износостойкость инструмента. Эта задача решается путем добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ), обладающих большим сродством с металлом (смачивающей способностью) и, следовательно, уменьшающих трение [3].
Твердые смазочные материалы применяются для повышения технологической эффективности процессов абразивной обработки. Высокодисперсные абразивные наполнители обеспечивают формирование на поверхностях трения структуру с высокими трибологическими характеристиками. Влияние нанодобавок на трибологические процессы в местах контакта изучались во многих работах [4, 5]. Так, НПО "Нанотех" разработал ряд материалов, применяемых в качестве присадок к моторным и индустриальным маслам. К ним относятся кластерные алмазы с размерами до 100 ангстрем и ультрадисперсный наноалмазографит. В работе [4] установлено, что введение нанопорошков меди и никеля в моторное масло SAE10W-30 позволяет уменьшить износ и до двух раз снизить коэффициент трения в узле трения накладки и вала, что в свою очередь влияет на контактную температуру.
Отличительной особенностью разработанной авторами твердой смазки является содержание в ее составе, кроме высокоэффективных ПАВ (минерального масла, низкомолекулярного полиэтилена и др.), также смеси ультрадисперсных порошков углетермического восстановления лейкоксена (продукта обогащения нефтеносных кремнисто-титановых руд) и нитрида алюминия (AlN). Последний является техническим керамическим материалом, который обладает чрезвычайно интересным сочетанием очень высокой теплопроводности и отличных изоляционных свойств.
Около 90% содержащихся в лейкоксене компонентов составляют оксиды титана и кремния (табл.1). Карботермическое восстановление лейкоксена при определенных температурах в газовой среде позволяет получить механическую порошковую смесь карбида кремния и карбонитрида титана с разным соотношением компонентов (50–70 масс.% TiC1-xNx и 20–40 масс.% SiC) [6].
Величина удельной поверхности – одна из важнейших характеристик наноматериала, определяющая активность протекания физико-химических процессов и многие технологические свойства. Знание этого параметра особенно необходимо в случае, когда в технологическом процессе работает именно поверхность. Важнейшей характеристикой наноматериалов также является размер частиц.
Использованный при создании КТС порошок нитрида алюминия имел удельную поверхность 27 м2/г. Гранулометрический анализ, выполненный на лазерном гранулометре Horiba LA-950 с обработкой ультразвуком, показал, что средний размер частиц составляет 0,15 мкм. Благодаря высокой хрупкости переработанного лейкоксена размол в шаровой мельнице позволяет получать порошки различной дисперсности. В нашем случае средний размер частиц составлял 3–5 мкм.
Правильно подобранное связующее повышает адгезию к материалу обрабатываемой заготовки, способствует образованию равномерного смазочного слоя на поверхности трения, повышению долговечности КТС. Связующее, обладающее достаточно хорошей прочностью сцепления с поверхностями трения, значительно увеличивает износостойкость КТС. Установлено, что антифрикционные и адгезионные свойства КТС существенно зависят от соотношения содержания наполнителя и связующего: чем больше связующего, тем прочнее связь образующихся в процессе шлифования пленок с обрабатываемой поверхностью; чем меньше связующего, тем выше антифрикционные свойства КТС. Граничные значения содержания компонентов смазки выбирают в соответствии с экспериментальными данными.
Проведенные авторами экспериментальные исследования позволили установить, что дополнительное введение в состав смазки линолевой кислоты может улучшить смазывающие свойства. Так, при содержании линолевой кислоты менее 16,5 масс.% наблюдается увеличение трения прохода инструмента по материалу, а при содержании линолевой кислоты более 31 масс.% – проскальзывание инструмента по материалу и, как следствие, увеличение времени обработки. Также путем эксперимента был установлен оптимальный состав наполнителя – высокодисперсного порошка. Лучшие физико-химические свойства были получены при введении в состав смазки смеси продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия в соотношении 1 : 2.
Ряд экспериментов был выполнен для определения оптимального соотношения в составе наполнителя "твердой" и "мягкой" составляющих: нитрида алюминия, который обладает высокой микротвердостью, обеспечивающей снятие шероховатостей с поверхности, и продукта термического восстановления лейкоксена, который обеспечивает заглаживание неровностей, образовавшихся в результате действия "твердой" составляющей, полировку поверхности. Только определенная их пропорция обеспечивает достижение технического результата – снижения шероховатости обрабатываемой поверхности. Так, при соотношении продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия менее 1 : 2 наблюдается ухудшение чистоты обрабатываемой поверхности, а при соотношении более 1 : 1 – засаливание рабочей поверхности абразивного инструмента.
Использование ультрадисперсного порошка AlN приводит к быстрому образованию плакирующего слоя. Совместное использование лейкоксена и нитрида алюминия дает отличный синергетический эффект – плакирующая пленка представляет собой высокотвердый (устойчивый к изнашиванию) композит толщиной до 4 мкм. При этом контактная температура в зоне контакта снижается до 30%, что приводит к уменьшению вероятности появления прижогов и трещин в поверхностном слое шлифуемых деталей.
Изготовление и испытание КТС
В качестве исходных компонентов использовались стеариновая кислота ГОСТ 6484-64, линолевая кислота ГОСТ 30623-98, низкомолекулярный полиэтилен марки НМПЭ-1 ТУ-6-05-18-37-82, минеральное масло (веретенное) ГОСТ 1642-75, хлорфторуглеродное масло ОСТ 6-02-6-81 и смесь ультрадисперсных порошков продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия, взятых в соотношении 1 : 2. В расплав смеси стеариновой и линолевой кислот при 70–75°C вводятся расплав низкомолекулярного полиэтилена и эмульсия хлорфторуглеродного масла в минеральном масле. Затем добавляется смесь ультрадисперсного или микронного порошка продукта термического восстановления лейкоксена и нитрида алюминия. Полученную массу перемешивают в течение 10–15 мин при 70–75°C. Установка для синтеза КТС представлена на рис.1.
Полученную смазку испытывали при шлифовании образцов из нержавеющей стали, меди и титанового сплава. Образцы размером 18 × 30 × 40 мм шлифовали лентой 14А25Н С/с по ТУ 2-036-766-78 с прижимом 29,4 Н и скоростью 25 м/с. Прижоги оценивали визуально с помощью микроскопа по появлению цветов побежалости. Шероховатость поверхности Ra измеряли на профилографе-профилометре мод.201. Смазку наносили через каждые 10 циклов. Данные о шероховатости Ra обработанной поверхности при использовании КТС приведены в табл.2.
КТС (рис.2, 3) прошли испытания и применяются на следующих предприятиях: "Уральский завод гражданской авиации", "Уральский турбинный завод", "СИЗ" Свердловский инструментальный завод" и др. Результаты испытаний подтверждены соответствующими документами. Составы твердых смазок защищены охранными документами РФ.
Преимущества
Эффекты, достигаемые при применении КТС, обусловлены уникальными свойствами ПАВ, входящих в состав смазки, физико-химическими свойствами высокодисперсных абразивных материалов, а также технологией ее получения. Технический результат разработки заключается в снижении шероховатости на 1 класс при шлифовании и на 3–4 класса при полировании, устранении прижогов, уменьшении температуры в зоне контакта, сокращении времени обработки поверхности. Твердая смазка не содержит вредных веществ и является экологически чистой. Срок службы абразивного инструмента (за счет сохранения стойкости профиля и значительного уменьшения "засаливания") увеличивается в 10 и более раз в сравнении с ранее применяемыми смазками.
Литература
1. Терган В.С., Доктор Л.Ш. Шлифование на круглошлифовальных станках // Учебник для проф.-техн. училищ / Изд.2-е перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1977.
2. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. – М.: Машиностроение, 1974, 200 c.
3. Вульф А.М. Резание металлов. – М.-Л.: Машгиз, 1963. 428 c.
4. Ильин А.П. Влияние суспензии "моторное масло + смесь нанопорошков меди и никеля" на трибологические свойства пары трения "углеродистая сталь – низколегированная сталь" / А.П.Ильин, О.Б.Назаренко, С.В.Рихерт // Известия Томского политехнического университета, 2004. Т. 307, № 3.
С. 77–79.
5. Наноматериалы в техническом сервисе сельскохозяйственных машин: уч. пособ. для студ. высш. учебн. завед. по агроинженерным специальностям / Под ред. акад. РАСХН В.И.Черноиванова. – Челябинск-Москва, 2010.
6. Швейкин Г.П., Николаенко И.В. Переработка лейкоксенового концентрата и получение на его основе продуктов и материалов // Химическая технология, 2008. Т. 9, № 8. С. 394–401.
Отзывы читателей
