Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты

Введение. Работа посвящена исследованию эволюции коэффициента трения пары сплав медь-сталь при трении в водном растворе капроновой кислоты различной концентрации, а также изучению противоизносных свойств пары трения сталь-сталь при трении в маслянокислотной среде. Целью данного исследования являлось изучение влияния добавок капроновой кислоты на трибологические характеристики пар трения при фрикционном взаимодействии в составах на водной основе и на основе вазелинового масла.

Материалы и методы. Проведены трибологические исследования пары трения латунь-сталь на машине трения торцевого тира АЕ-5. Исследование противоизносных характеристик проводилось на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) в соответствие со стандартом ГОСТ 9490– 75. При испытаниях на ЧШМ объективными параметрами смазывающих свойств смазочных композиций являлись: нагрузка сваривания (Рс); диаметр пятна износа (Dн), критическая нагрузка (Рк). Параметры шероховатости сервовитной пленки определялись с помощью оптической профилометрии; ее микрогеометрия и структура на наноуровне — с помощью атомно-силовой микроскопии.

Результаты исследования. Изучены трибологические свойства трибосопряжения латунь-сталь в водных средах и сталь-сталь в средах на основе вазелинового масла. Установлена зависимость фрикционных характеристик пары трения латунь-сталь от концентрации карбоновой кислоты. Обнаружена ее оптимальная концентрация, обеспечивающая реализацию эффекта безызносности. Выявлено уменьшение шероховатости поверхности в результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты по сравнению с исходной поверхностью трения вследствие формирования достаточно плотного слоя, образованного мелкозернистыми кластерами меди с малым разбросом частиц по размеру. Обнаружена зависимость триботехнических характеристик пары трения сталь-сталь от состава смазочной среды. Показано, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %. Критическая нагрузка (Pк) при содержании 0,05 и 0,1 масс. % увеличивается на 32%, нагрузка сваривания (Pc) — на 27 %. 

Обсуждение и заключения. В результате трибологических исследований пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено, что оптимальной молярной концентрацией кислоты в составе смазки является 0,1 моль/л. При фрикционном взаимодействии пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты на поверхностях трения формируется антифрикционная медная пленка, способствующая резкому снижению коэффициента трения до 0,007 и износа металлов пары трения до 25 раз. В результате фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты выявлено уменьшение шероховатости по сравнению с исходной поверхностью трения. Обнаружено, что фрикционное взаимодействие пары латунь-сталь в водном растворе капроновой кислоты приводит к значительной модификации поверхности трения в результате осаждения мелкодисперсных кластеров меди, образующихся в составе смазочной среды и формирующих сервовитную пленку. В результате исследований установлено, что зависимость размера диаметра пятна износа от содержания кислоты в базовом масле имеет немонотонный характер с наличием ярко выраженного минимума при концентрации 0,1 масс. %. Показано, что добавление 0,1 масс. % капроновой кислоты в состав смазочной композиции обнаруживает наименьший износ трибопары сталь-сталь, диаметр пятна износа при этом снижается до 0,497 мм, критическая нагрузка (Pк) и нагрузка сваривания (Pc) увеличиваются на 32% и 27 % соответственно.

1. Ludema, K. C. Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology / K. C. Ludema, L. Ajayi. — CRC press. — 2018. — 82 p.

2. Hutchings, I. Tribology: friction and wear of engineering materials / I. Hutchings, P. Shipway. — Butterworth Heinemann. — 2017. — 389 p.

3. Kato, K. Wear in relation to friction–a review / K. Kato // Wear. — 2000. — Vol. 241, no. 2. — P. 151– 157. DOI : 10.1016/S0043-1648(00)00382-3

4. Liu, G. Investigation of the mending effect and mechanism of copper nano-particles on a tribologically stressed surface / G. Liu [et al.] // Tribology Letters. — 2004. — Vol. 17. — P. 961–966. DOI: 10.1007/s11249-0048109-6

5. A. Hernández Battez. CuO, ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiwear additive in oil lubricant / A. Hernández Battez [et al.] // Wear. — 2008. — Vol. 265. — P. 422–428. DOI : 10.1016/j.wear.2007.11.013

6. Uflyand, I. E. Metal chelate monomers based on nickel (II) cinnamate and chelating N-heterocycles as precursors of nanostructured materials / I. E. Uflyand [et al.] // Journal of Coordination Chemistry. — 2019. — Vol. 72, no. 5–7. — P. 796–813. DOI : 10.1080/00958972.2019.1587414

7. Peng T. The influence of Cu/Fe ratio on the tribological behavior of brake friction materials / T. Peng [et al.] // Tribology Letters. — 2018. —Vol. 66, no. 1. — P. 18. DOI : 10.1007/s11249-017-0961-2

8. Механические свойства сервовитных пленок, формирующихся при трении в водных растворах карбоновых кислот / В. Э. Бурлакова [и др.] // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2018. — Т. 18, №. 3. — С. 280–288. DOI : 10.23947/1992-5980-2018-18-3-280-288

9. Menezes, P. L. Role of surface texture, roughness, and hardness on friction during unidirectional sliding / P. L. Menezes [et al.] // Tribology letters. — 2011. — Vol. 41(1). — P. 1–15. DOI : 10.1007/s11249-010-9676-3

10. Бурлакова, В. Э. Трибологические возможности пары трения латунь-сталь в водных растворах органических кислот / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган, Д. Ю. Геращенко // Трибология-машиностроению: сб. трудов XII междунар. науч.-техн. конф. — Ижевск, 2018. — С. 92–95.

11. Бурлакова, В. Э. Влияние концентрации органической кислоты в составе смазки на трибологические характеристики пары трения / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2019. — Т. 19, №. 1. — С. 24–30. DOI : 10.23947/1992-5980-2019-19-1-24-30

12. Gerberich, W. W. Superhard silicon nanospheres / W. W. Gerberich [et al.] // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. — 2003. — Vol. 51, no. 6. — P. 979-992. DOI : 10.1016/S0022-5096(03)00018-8

13. Saurín, N. Study of the effect of tribomaterials and surface finish on the lubricant performance of new halogen-free room temperature ionic liquids / N. Saurín [et al.] // Applied Surface Science. —2016. — Vol. 366. — P. 464-474. DOI : 10.1016/j.apsusc.2016.01.127

14. Jansons, E. The Impact of Ice Texture on Coefficient of Friction for Stainless Steel with Different Surface Roughness. Key Engineering Materials / E. Jansons, K. A. Gross // Trans Tech Publications. —2019. —Vol. 800. — P. 308-312 DOI : 10.4028/www.scientific.net/KEM.800.308

15. Qin, W. Effects of surface roughness on local friction and temperature distributions in a steel-on-steel fretting contact / W. Qin [et al.] // Tribology International. — 2018. — Vol. 120. — P. 350–357. DOI : 10.1016/j.triboint.2018.01.016

16. Choi, C. H. Nanoturf surfaces for reduction of liquid flow drag in microchannel / C. H. Choi, J. Kim, C.J. Kim // ASME 3rd Integrated Nanosystems Conference. American Society of Mechanical Engineers. — 2004. — P. 47– 48. DOI : 10.1115/NANO2004-46078

17. Burlakova, V. E. Nanotribology of Aqueous Solutions of Monobasic Carboxylic Acids in a Copper Alloy‒Steel Tribological Assembly / V. E. Burlakova [et al.] // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. — 2018. — Vol. 12, no. 6. — P. 1108–1116. DOI : 10.1134/S1027451018050427

18. Влияние состава смазочной среды на структуру поверхностных слоев формирующейся при трении сервовитной пленки / В. Э. Бурлакова [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2019. — №. 4. — С. 91–99. DOI : 10.1134/S0207352819040061

19. Wolff, C. A. newly developed test method for characterization of frictional conditions in metal forming / C. Wolff, O. Pawelski, W. Rasp // Proceedings of the Eighth International Conference on Metal Forming. — Krakow. — 2000. — P. 91–97.