Изследване на влиянието на характеристиките на закалените повърхности

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВЛИЯНИЕТО НА ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА ЗАКАЛЕНИ ПОВЪРХНОСТИ, ПОЛУЧЕНИ ПО МЕТОДА НА ИСКРОВО ЗАКАЛЯВАНЕ ВЪРХУ МОКРЯЕМОСТТА ИМ С ВОДА

Шустер Л.Ш., Чертовских С.В., Мигранов М.Ш.(USATU, Уфа, Руска федерация)

Разглеждат се възможните механизми на взаимодействие на водата с повърхността на препарата, обработена по метода на искрово закаляване. Резултати от експерименти с влияние върху характеристиките (микротвърдост, грапавост) на модифицираните повърхности, получени чрез метода на искрово закаляване на алуминиеви сплави, върху тяхната омокряемост с вода.

Понастоящем използването на вода като смазка за фрикционни двойки в двигатели с вътрешно горене е гореща тема, предимно от гледна точка на екологично съответствие [1]. В същото време необходимостта от намаляване на масата на двигателите води до замяна на традиционните материали (чугун, стомана и др.) На части и конструкции с леки алуминиеви сплави. С подмяната на традиционните материали на части, включително триещи се двойки, с алуминиеви сплави, е необходимо да се реши проблемът с повишаване на устойчивостта на износване, което е възможно чрез използването на устойчиви на износване покрития. Една от новите тенденции в нанасянето на износоустойчиви втвърдяващи покрития върху алуминиеви сплави е методът на искрово закаляване (SI) [2].

Целта на тази работа е да се изследва влиянието на свойствата на повърхността на заготовка от алуминиева сплав, обработена по метода IE, върху нейната омокряемост с вода.

Нека разгледаме възможните механизми на взаимодействие на водните молекули с повърхността на детайла, обработен по метода IE. Както е известно [3], водната молекула е биполярна: положителният заряд е концентриран в областта на водородните атоми, а отрицателният заряд в областта на кислородните атоми. Трябва да се определи естеството на взаимодействието на водните молекули с повърхносттазнак за електрически заряди на повърхността на детайла. Ако повърхността на детайла е метал, тогава водните молекули са ориентирани към нея с техните електроотрицателни заряди [4], т.е. кислородни атоми. В този случай между водните молекули и повърхностните молекули възникват ван дер Ваалсови сили на привличане, чиято енергия на свързване е незначителна (4,18–8,37 kJ/mol) [4]. Ако електроотрицателните елементи са концентрирани на повърхността (обикновено се наблюдава при неметалите [4]), тогава водната молекула трябва да бъде прикрепена към такава повърхност чрез водородни атоми. Ако неметална повърхност съдържа кислородни и азотни атоми, тогава трябва да се образуват водородни връзки между тези атоми и водородните атоми на водната молекула. Енергията на водородните връзки (равна на 29,9 – 33,49 kJ/mol) значително надвишава енергията на ван дер ваалсовите взаимодействия [4].

Хипотеза: полученото втвърдено покритие върху алуминиеви сплави по метода IE, имащо неметална основа, състояща се главно от корунд и алуминиеви нитриди [2], допринася за появата (поради водородни връзки) на адсорбиран воден филм на повърхността, повърхностното напрежение на границата на твърдата и течната фази намалява. В това отношение капка вода трябва да се разпространи върху повърхността на втвърдена проба с по-малък ъгъл на намокрянеQ(т.е. омокрянето с вода се подобрява), отколкото върху метална повърхност.

Нека разгледаме влиянието на такива характеристики на повърхността на детайлите, изработени от D16T (без покритие и покритие по метода IE), като микротвърдост и параметъра на грапавостта Ra върху намокряемостта на детайлите с вода.

Ние вярваме, че с увеличаване на микротвърдостта на модифицираната повърхност, делът на неметалната фаза (корунд и алуминиеви нитриди) се увеличава [2] и съответно се увеличаваброят на водородните връзки между водните молекули и молекулите на IE-втвърдената повърхност на проба D16T. Следователно, увеличаването на микротвърдостта в САЩ на D16T трябва да подобри неговата омокряемост с вода. Микрогеометрията (грапавостта) на повърхността на твърдо тяло също влияе върху стойносттаQ. Както е известно [5], повърхностите са хидрофилни и хидрофобни (Qе по-голямо от нула). Като се има предвид, че нанесената водна капка не се разпространява напълно върху втвърдената повърхност, тази повърхност, въз основа на [5], може да се счита за хидрофобна. Тогава увеличаването на грапавостта трябва да доведе до влошаване на омокряемостта [5], тъй като "трудно" е течностите да проникнат във вдлъбнатините на грапава повърхност.

За потвърждаване на тези хипотези бяха проведени експерименти за определяне на влиянието на параметъра грапавост Ra на сплавта D16T (без покритие и с US), микротвърдостта на закаления слой върху тяхната омокряемост с вода. Пет първоначални проби от алуминиева сплав D16T с диаметър 32 mm и дебелина 4 mm (различна грапавост на повърхностите на плоските страни (Ra в диапазона от 0,07 до 0,70 μm, измерена на профилометър 170622) се постига чрез обработка на пробите с шкурка с различни размери на зърното) се прилагат по американския метод на IE под формата на точки с диаметър 5 - 7 мм. Параметърът на грапавостта Ra US на сплавта D16T също беше измерен на профилометър (Ra диапазон: от 0,34 до 0,80 µm). След това се определя омокряемостта на тези материали с питейна и дестилирана вода. Експериментите бяха проведени при околна температура от 22 ° C, като се използва FED-Etude слайд проектор. Преди да се нанесе капка течност, повърхността на пробата се обезмаслява всеки път с ацетон и се суши за 20 секунди. След изчакване 10–20 секунди преди това (докато капката се разтече), пробата се поставя на платформата междулещи, а очертанията на капката бяха проектирани през диапозитивен проектор върху вертикална повърхност и фиксирани върху лист хартия. Беше измерен контактният ъгъл. Резултатите от експеримента са представени по-долу под формата на графики (фиг. 1, 2, 3).

От графиките се вижда, че с увеличаване на Ra се влошава омокряемостта на питейната и дестилираната вода, т.к.Qсе увеличава. От фиг. 3 може да се види, чеQ, получено чрез прилагане на капка вода върху повърхността на D16T с US, получено по метода IE, е по-малко, отколкото при D16T без покритие (т.е. D16T с US е по-добре намокрено от вода, отколкото D16T алуминиева сплав без покритие). Това потвърждава хипотезата за образуването на водородни връзки между водородните атоми на водните молекули и кислорода, който е наситен с повърхността.

повърхности

Фигура 1 - Зависимост на ъгъла на намокрянеQна втвърдения слой, получен по метода IE на D16T от параметъра на грапавостта Ra

изследване

Фигура 2 - Зависимост на контактния ъгълQD16T без покритие от параметъра на грапавостта Ra

влиянието

Фигура 3—Сравнение на омокряемостта с дестилирана вода на проби от D16T, втвърдени по метода IU, и от D16T без покритие

За да се определи влиянието на повърхностната микротвърдост върху нейната омокряемост с вода, използвахме първоначална проба под формата на пръстен (диаметър 67 mm, ширина 3,5 mm), изработен от алуминиева сплав D16T. US се отлага върху тази проба по метода IE във въздуха. От пръстена се изрязват проби с дължина 1,5 cm със закалено покритие и се измерва параметърът на грапавостта Ra и микротвърдостта. След това бяха избрани проби с приблизително еднаква грапавост (Ra = 2,9 μm), но с различна микротвърдост (диапазон: от 3,1 до 11,7 GPa) и беше проведен експеримент за определяне на омокряемостта на проби от D16T с USдестилирана вода. Експериментите бяха проведени при околна температура от 22 ° C, като се използва FED-Etude слайд проектор. Резултатите от експеримента са представени под формата на графика (фиг. 4).

повърхности

Фигура 4 - Зависимост на ъгъла на намокрянеQD16T, US с дестилирана вода от микротвърдостта

Както се вижда от фиг. 4, с увеличаване на микротвърдостта на US, получена по метода IE на D16T, омокряемостта с дестилирана вода се подобрява.

- с увеличаване на грапавостта се влошава омокряемостта на питейната и дестилираната вода на алуминиевата сплав D16T с модифицирано покритие, получено по метода IE и без покритие;

- втвърденият слой, получен по метода IE върху D16T, е много по-добре намокрен от вода, отколкото алуминиевата сплав D16T без покритие;

- с увеличаване на микротвърдостта на US на D16T се подобрява омокряемостта му с дестилирана вода.

С финансовата подкрепа на Министерството на образованието на България под формата на безвъзмездна финансова помощ A03-3.18-470.

1. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Намаляване на токсичността на автомобилните двигатели. М.: Транспорт. 1985 г.

2. Дударева Н.Ю. Бутален пръстен от алуминиева сплав за двигатели с вътрешно горене. Резюме на дис. ... канд. техн. науки. - Уфа, 1999 г.

3. Зацепина Г.Н. Физични свойства и структура на водата. - М.: МГУ, 1987. - 170 с.

4. Хебда М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехника. Том 1, 2. М.: Машиностроене. 1989 г.

5. Зимон А.Д. Течна адхезия и омокряне. - М.: Химия, 1974. - 413 с.