Методика изучения физико-механических характеристик
Измеритель позволяет оценить следующие свойства: твердость по Шору (ГОСТ 263-75); твердость в международных единицах IRHD (ГОСТ 20403-75); эластичность по отскоку (ГОСТ 27110-86); статический модуль упругости; тангенс угла механических потерь. Погрешность измерения ±8 %.
Датчик состоит из корпуса 1, в верхней части которого находится пусковая кнопка 2. В корпусе размещены: поворотный рычаг 3 с прикрепленным на нем индентором 4 и постоянным магнитом 5, катушка индуктивности 6. Датчик содержит часовой механизм взвода и устройство фиксации индентора в верхнем положении. На правой боковой панели датчика расположена заводная головка 7. Датчик посредством измерительного кабеля соединяется с блоком АЦП, который, в свою очередь, посредством интерфейсного шлейфа соединяется с персональным компьютером. При движении индентора постоянный магнит, прикрепленный к нему, наводит в катушке индуктивности ЭДС, пропорциональную скорости движения индентора. Сигнал поступает в блок АЦП, где преобразуется в цифровой формат с определенной частотой дискретизации. По специально разработанным алгоритмам сигнал обрабатывается, что позволяет произвести расчет механических характеристик испытуемого материала: твердость по Шору, твердость в международных единицах IRHD, статический модуль упругости, динамический модуль упругости, эффективный коэффициент вязкости, жесткость, вязкость по моделям Фойгта и Максвелла, тангенс угла механических потерь и др.
Методика изучения атомно-силовым микроскопом
Атомно-силовой микроскоп — Сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.
Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.
Подготовка образцов для проведения испытаний
Для покрытий, полученных распылением, порошки являются наиболее распространенным полуфабрикатом. Это связано с широкими возможностями варьирования их состава для гарантирования необходимых свойств покрытий.
Одним из широко распространенных методов модифицирования является получение композиционного материала путем введения минерального наполнителя в расплав полимера.
Так, в качестве модификаторов были выбраны природные силикаты (кремень, трепел).
Кремень - зернистая разновидность кварца (SiO2) тонкой кристаллической структуры. Обычно бывает дымчато-коричневого или темно-серого цвета, хотя его разновидность, известная как кремниевый известняк или сланец, светлее. Как правило, встречается в гальке, меле и других осадочных породах, содержащих карбонат кальция.
Трепел (горная мука) - минерал, состоящий из кремнезема (SiO2) с примесью глинозема (Аl2О3). Рыхлая или слабо сцементированная, очень лёгкая, тонкопористая опаловая осадочная горная порода. Обычно содержит в небольшом количестве глинистое вещество, зёрна кварца, глауконита, полевых шпатов. Цвет от белого и сероватого до тёмно-серого, бурого, красного и чёрного.
Силикатосодержащие минералы существенно изменяют характер трибохимических превращений в зоне металлополимерного контакта, что обуславливает изменение показателей износостойкости и коэффициента трения при эксплуатации без смазки.
Для проведения исследований в дипломной работе использовали покрытия, сформированные из порошков ПА 6 дисперсностью до 80 мкм; ПА 6 дисперсностью от 80 до 250 мкм и ПА 6 дисперсностью от 250 до 315 мкм, а также порошка ПА6, модифицированного трепелом в количестве 0,5 % и порошка ПА6, модифицированного кремнем в количестве 0,5 %.
Покрытие наносили на металлическую основу - сталь 45, подложка -фосфатирование.
Покрытие наносили методом газопламенного порошкового напыления.
Технология нанесения покрытия представляет собой распыление жидкофазного полимерного компонента из устройства подачи установки. Для получения покрытия использовали установку Тэна II П.
Расплавление осуществляется теплотой сжигания газообразной горючей смеси кислород - горючий газ. Т.е. при подаче газа образуется горючая смесь, поступающая в сопло газовой горелки, где и поджигается. После прогрева детали этим пламенем осуществляется подача порошка из бункера, затем расплавленные частицы ускоряются потоком газовой среды, переносятся и взаимодействуют с предварительно подготовленной подложкой, растекаются на ней и охлаждаются, образуя твердое покрытие.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Из графиков ИКС видно, что модифицирование полиамида ПА 6 силикатсодержащими минералами ведет к увеличению интенсивности поглощения характерных функциональных групп, что свидетельствует о более ориентированном расположении этих групп.
Результаты изучения микроструктуры исследуемых покрытий с помощью оптической микроскопии
Структура материала зависит от величины, формы, строения макромолекул и характера взаимодействия между ними и обусловливает важнейшие его свойства.
На полученных снимках видно, что введение наполнителей в ПА 6 сопровождается изменением его структуры.
В результате модифицирования получили упорядоченную структуру плотной упаковки макромолекул, которая улучшает эксплуатационные свойства покрытия, сформированного из композиционного материала.
Результаты изучения физико-механических характеристик исследуемых покрытий
Результаты исследования физико-механических свойств сформированных покрытий свидетельствуют о том, что модифицирование полиамида ПА 6 силикатосодержащими минералами не оказывает значительного влияния на твердость покрытия. В то же время изменяются такие характеристики как вязкость покрытия, энергия упругого деформирования и модуль упругости.
Вязкость материала - это способность материала поглощать механическую энергию (работу) при деформировании. Вязкость является функцией прочности и пластичности материала.
Энергия упругого деформирования и модульупругости - величины, характеризирующие упругие свойства материала. Результаты данных физико-механических характеристик свидетельствует об увеличении однородности структуры композиционного материала, что в свою очередь повышает качество (прочность и долговечность) сформированного покрытия.
АСМ – изображение поверхности – ПА6 от 250 до 315 мкм.
АСМ – исследования зон поверхности образцов позволяет наблюдать топографическую поверхность образцов. Из которых мы можем наблюдать более ровное и однородную поверхности у образцов с модификаторами 0,5% трепела и 0,5%кремнея, которая подтверждает более упорядоченную структуру плотной упаковки макромолекул, которая улучшает эксплуатационные свойства покрытия, сформированного из композиционного материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения дипломной работы был осуществлен литературный обзор по триботехническим композиционным материалам для газопламенных покрытий.
Анализ литературных источников в области функционального композиционного материаловедения свидетельствует об интенсивном развитии направления создания материалов с оптимальным сочетанием служебных характеристик с применением высокоэнергетических технологических воздействий на компоненты, которые обусловливают их активацию в процессе межфазного взаимодействия. К числу эффективных технологий формирования композиционных материалов для изделий различного функционального назначения относят газотермические, основанные на воздействии высокотемпературного газового потока на дисперсные компоненты.
Применение покрытий не только обусловливает снижение материалоемкости изделий, но и, в ряде случаев, является безальтернативным конструктивным вариантом обеспечения заданного уровня служебных характеристик машины или технологического оборудования.
Во втором разделе дипломной работы был осуществлен патентный поиск в области триботехнических композиционных материалов для газопламенных покрытий, их составов, строения и применяющихся технологий. В ходе патентного поиска были использованы данные Российской Федеральной Службы по Интеллектуальной Собственности, Патентам и Товарным Знакам и Национального центра интеллектуальной собственности Республики Беларусь.
В практической части дипломной работы были проведены исследования структуры и физико-механических свойств полимерных композиционных покрытий, сформированных газопламенным напылением.
Для проведения исследований использовали покрытия, сформированные из порошков ПА 6 дисперсностью до 80 мкм; ПА 6 дисперсностью от 80 до 250 мкм и ПА 6 дисперсностью от 250 до 315 мкм, а также порошка ПА 6, модифицированного трепелом в количестве 0,5 % и порошка ПА 6, модифицированного кремнем в количестве 0,5 %.
Были проведены испытания образцов. Инфрокрасные спектры поглощения были получены с помощью ИК – спектрометра – TENSER 27. Для изучения и фотографирования микроструктуры образцов использовали оптический микроскоп MDS. Топографическую поверхность образцов получили при помощи атомно-силового микроскопа фирмы NAVITEL. Для исследования физико-механических характеристик полученных покрытий газопламенным порошковым напылением использовали прибор для испытаний полимерных материалов и изделий ИПМ - 1К, структуру сформированных покрытий исследовали с помощью методов инфракрасной спектроскопии и оптической микроскопии.
Результаты исследований сформированных покрытий свидетельствуют о том, что модифицирование полиамида ПА 6 силикатсодержащими минералами способствует увеличению однородности структуры композиционного материала, что в свою очередь повышает качество (прочность и долговечность) сформированного покрытия.
В ходе выполнения дипломной работы были рассмотрены рекомендации и основные требования при разработке планировки участка для газопламенного нанесения покрытий.
Также в дипломной работе был произведен экономическое обоснование нанесения покрытия ПА6 газопламенным способом. Техника безопасности, охрана труда для гальваника и наплавщиков пластмасс.