Influence of particulate filler from waste fractions of abrasive wheels on wear-out rate of composites based on epoxy

Full Text

Введение В работах [1, 2] показана возможность применения дисперсных композитов с эпоксидной матрицей в качестве антиабразивных покрытий при восстановлении деталей почвообрабатывающих орудий. Увеличение стойкости к абразивному изнашиванию в этом случае достигается введением в клееполимерную основу дисперсного абразивостойкого компонента, состоящего из фракций природного песка [3]. Определенным потенциалом в этой сфере обладают эпоксидные композиты с наполнителями из отходов абразивных кругов, выделенных из шлама от заточки металлообрабатывающего инструмента. В исследованиях [4] получены положительные результаты при применении шлифовальных металлоабразивных отходов подшипникового производства в качестве составляющих порошковых материалов для формирования покрытий повышенной износостойкости на деталях, эксплуатируемых в почвенной среде (лемеха, культиваторные лапы). Нужно отметить, что полимерные композиты с наполнителями из абразивных компонентов природного или искусственного происхождения имеют широкие перспективы при их использовании в ремонтном производстве как износостойких материалов для устранения износов и сквозных протираний. Примером такого применения может служить восстановление плужных отвалов и лемехов [5, 6]. Весьма важно и то, что нанесение покрытий происходит в жидкой фазе и позволяет устранять дефекты на поверхностях любой геометрической формы. Однако недостаток информации о триботехнических показателях композитов на основе эпоксидной смолы и отходов абразивных кругов не позволяет в полной мере оценить их значимость как противоабразивных покрытий, особенно в отношении изделий, работающих в незакрепленном абразиве (почвенной среде). Цель исследования Цель исследования состоит в выявлении характера изнашивания (зависимости между износом Δh и временем испытаний Т), а также влияния времени испытаний на интенсивность изнашивания i композита на эпоксидной основе с наполнителем из фракций отходов абразивных кругов в сравнении с эпоксидным составом без наполнителя. Материалы и методы Изучение процесса износа проводилось на установке по методике, которая заключается в одновременном вращательном перемещении в абразивной среде нескольких покрытий, сформированных на одном основании [7]. Для проведения эксперимента формировались четыре области, состоящие из двух участков исследуемых материалов (по два участка для каждой композиции). Таким образом, одновременно испытывалось 16 образцов, что обеспечило сравнимость и высокую достоверность результатов. Износ контролировался методом лунок по изменению высоты шарового сегмента. Экспериментальные материалы: 1) клеевой состав, включающий 100 массовых частей эпоксидной смолы ЭД-20 и 7 массовых частей отвердителя полиэтиленполиамина; 2) указанный клеевой состав с фракциями из отходов абразивных кругов, выделенных из шлама от заточки металлообрабатывающего инструмента. Соотношение эпоксидной матрицы и фракций отходов абразивных кругов - 30 к 70% [5]. В эксперименте использовали отходы кругов, в состав которых входили электрокорунды и карбиды кремния. Микротвердость абразивных частиц находилась в диапазоне от 2000 до 3300 HV. Частицы абразивных кругов отделялись от шлама путем удаления металлических фракций магнитной сепарацией. Абразивной средой служила смесь кварцевого песка и гранитной крошки в соотношении 70 к 30%. Результаты и их обсуждение Полученные зависимости Δh = f(Т) показывают (рис. 1), что для обоих материалов изменение износа во времени испытаний имеет одинаковый характер и представляет собой прямолинейную функцию. Подобные исследования материалов иной природы [8, 9] говорят об идентичности протекания изнашивания, что указывает на определенную общность процессов износа в абразивной среде для металлических и полимерных тел. По графикам на рис. 1 можно проследить следующую особенность. По мере роста времени испытаний происходит сближение прямых Δh = f(Т) для обоих материалов. Так, разность между износами при Т = 5 мин составляет 0,4 мм, а при Т = 38 мин она равна 0,1 мм. Это указывает на некоторое выравнивание сопротивляемости изнашиванию клеевого состава и композита. Что касается композита, следует полагать, что это связано прежде всего со снижением количества твердых фракций, выступающих над поверхностью клеевой массы, по причине истирания. Кроме того, происходит их частичное удаление вследствие невысокой адгезии, так как данные фракции не полностью связаны с эпоксидной матрицей из-за усадки при полимеризации. Определенную роль в снижении Δh играет завершение процесса приработки. В свою очередь, износостойкость эпоксидного клеевого состава возрастает благодаря устранению поверхностных несовершенств в виде шероховатости и установлению оптимальной совместимости контактирующей поверхности и изнашивающей среды. Тем не менее разность в износах составов остается из-за наличия в композите твердых дисперсных составляющих, которые оказывают сопротивление фракциям абразивной среды. Отметим, что износ, составляющий 2 мм (см. рис. 1), достаточный для достоверной оценки результатов и анализа динамики изнашивания, можно получить за весьма незначительный промежуток времени, равный 40 мин. Это позволяет провести ускоренные сравнительные испытания. Показатель, более полно характеризующий процесс износа, - интенсивность изнашивания i. Данный параметр при проведении испытаний проявил себя как изменяющийся во времени критерий (рис. 2), хотя его принято считать постоянной величиной [9]. В соответствии с графиками, в начальный период испытаний, примерно до 15 мин, интенсивность изнашивания достаточно велика, затем происходит ее стабилизация, и при дальнейшем проведении эксперимента численное значение остается фактически неизменным. Сравнительно высокая интенсивность изнашивания в период адаптации поверхности к изнашивающей среде объясняется превалированием трения скольжения над трением качения при контактировании фракций среды с рабочей поверхностью, что приводит к ее царапанию абразивными частицами почвы и усилению степени разрушения. Немаловажную роль в сравнительно высокой интенсивности изнашивания играет относительно большое количество поверхностных несовершенств, например высокая шероховатость. Для материала с включениями абразивных отходов наряду с шероховатостью отрицательную роль играют частицы, которые выступают за пределы поверхности клеевой массы, увеличивая интенсивность изнашивания, так как их адгезионная прочность невелика, и они легко удаляются с изнашиваемой поверхности. Фактор постоянства интенсивности изнашивания объясняется адаптацией поверхности контактирования к изнашивающей среде (эффект совместимости). В данном случае при перемещении частиц абразивной среды по материалу имеет место преобладание трения качения над трением скольжения и, как следствие, уменьшение эффекта царапания. Продолжение испытаний приводит к полной самоорганизации процесса износа и снижению эффективности царапания, хотя полностью его не исключает. Разрушение поверхностных слоев происходит из-за высокого уровня контактных напряжений. Механизм изнашивания композита включает неравномерное по глубине истирание эпоксидной матрицы и твердых частиц. В связи с этим возрастает вероятность как износа твердых частиц, так и их удаления с поверхности ввиду снижения внутренней адгезии материала и увеличения воздействий ударных нагружений. Таким образом, в соответствии с правилом Шарпи, при абразивном износе поверхности композита наибольшее сопротивление оказывают твердые включения, а эпоксидный состав выполняет функцию массива. Как отмечалось выше, интенсивность износа принято считать постоянной величиной, а процессы приработки в подавляющем большинстве случаев не рассматриваются. Однако в последнее время им стали уделять серьезное внимание, так как в реальных условиях абразивного изнашивания часто наблюдаются случаи, когда значение износа локальных участков детали в момент приработки столь велико, что изделия снимаются с дальнейшей эксплуатации в связи с невозможностью выполнения заданных функций [8]. Практическое значение присутствия в эпоксидной основе частиц отходов абразивных кругов, согласно проведенным испытаниям, заключается в снижении интенсивности изнашивания композита в сравнении с клеевым составом в 1,5 раза. Это подтверждают кривые на рис. 2, в соответствии с которыми интенсивность изнашивания эпоксидного состава составляет 0,055 мм/мин, а интенсивность изнашивания композита с частицами отходов абразивных кругов равна 0,035 мм/мин. Столь резкое снижение интенсивности изнашивания композита позволяет рекомендовать его к использованию в качестве защитного материала для поверхностей деталей, эксплуатируемых в условиях абразивного изнашивания, а также в качестве ремонтного материала при их восстановлении. Например, технология устранения износов со сквозными протираниями отвалов плугов позволила увеличить их долговечность более чем в 2 раза [5]. Выводы 1. Наличие дисперсного компонента из частиц отходов абразивных кругов в эпоксидном составе приводит к уменьшению интенсивности его изнашивания. 2. Снижение интенсивности изнашивания композита в сравнении с эпоксидной основой в 1,5 раза позволяет использовать его в качестве противоабразивной составляющей при защите и восстановлении изношенных деталей.

About the authors

A. M Mikhal'chenkov

All-Russian Research Institute of Technology for Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet

Email: mihalchenkov.alexandr@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

Ya. Yu Biryulina

Bryansk State Agrarian University

Email: yana.klimova90@yandex.ru
Engineer Kokino, Bryansk region, Russia

M. A Mikhal'chenkova

Bryansk State Agrarian University

Engineer Kokino, Bryansk region, Russia

References

Supplementary files