Дослідження впливу характеристик зміцнених поверхонь
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ХАРАКТЕРИСТИК Зміцнених поверхонь, що виходять методом іскоркового зміцнення, на їх змочування водою
Шустер Л.Ш., Чортовських С.В., Мігранов М.Ш.(УГАТУ, м. Уфа, РФ)
Посібні механізми взаємодії води з поверхнею preparation processed методом spark hardening are considered. Результати experiments with influence of characteristics (a microhardness, a roughness) the modified surfaces received by a method of spark hardening on aluminium alloys, on their wettability by water.
В даний час використання води як мастильного матеріалу для пар тертя в двигунах внутрішнього згоряння є актуальною темою, перш за все з точки зору дотримання екології [1]. У той же час необхідність зниження маси двигунів спричиняє заміну традиційних матеріалів (чавуну, сталі тощо) деталей та конструкцій на легкі алюмінієві сплави. Із заміною традиційних матеріалів деталей, у тому числі і пар тертя, на алюмінієві сплави доводиться вирішувати завдання підвищення зносостійкості, що можливо шляхом застосування зносостійких покриттів. Одним із нових напрямків у нанесенні зміцнювальних зносостійких покриттів на алюмінієві сплави є метод іскрового зміцнення (ВП) [2].
Метою даної є дослідження впливу властивостей поверхні заготівлі з алюмінієвого сплаву, обробленої методом ІУ, на її змочуваність водою.
Розглянемо можливі механізми взаємодії молекул води із поверхнею заготівлі, обробленої методом ВП. Як відомо [3], молекула води біполярна: позитивний заряд сконцентрований у районі атомів водню, а негативний у районі атомів кисню. Характер взаємодії молекул води з поверхнею має визначатисязнак електричних зарядів, що знаходяться на поверхні заготівлі. Якщо поверхню заготовки є метал, то молекули води орієнтується до неї своїми електронегативними зарядами [4], тобто. атомами кисню. При цьому між молекулами води та молекулами поверхні виникають ван-дер-ваальсові сили тяжіння, енергія зв'язків яких незначна (4,18 – 8,37 кДж/моль) [4]. Якщо на поверхні зосереджені електронегативні елементи (зазвичай, спостерігається у неметалів [4]), молекула води повинна приєднуватися до такої поверхні атомами водню. Якщо неметалічна поверхня містить атоми кисню та азоту, то між цими атомами та атомами водню молекули води мають виникнути водневі зв'язки. Енергія водневих зв'язків (рівна 29,9 – 33,49 кДж/моль) значно перевищує енергію ван-дер-ваальсових взаємодій [4].
Гіпотеза: одержуване зміцнене покриття на алюмінієвих сплавах методом ВП, маючи неметалеву основу, що в основному складається з корунду і нітридів алюмінію [2], сприяє виникненню (за рахунок водневих зв'язків) на поверхні адсорбованої плівки води, поверхневий натяг на кордоні . Крапля води, у зв'язку з цим, повинна розтікатися по поверхні зміцненого зразка з меншим крайовим кутом змочуванняQ(тобто покращується змочуваність водою), ніж по металевій поверхні.
Розглянемо вплив таких характеристик поверхні заготовок з Д16Т (без покриття та з покриттям, отриманого методом ІУ), як мікротвердість та параметр шорсткості Ra на змочування заготовок водою.
Вважаємо, що зі збільшенням мікротвердості модифікованої поверхні збільшується частка неметалічної фази (корунду та нітридів алюмінію) [2] і, відповідно, збільшуєтьсякількість водневих зв'язків між молекулами води та молекулами зміцненої методом ІУ поверхні зразка з Д16Т. Тому збільшення мікротвердості УС на Д16Т має сприяти покращенню змочуваності його водою. Мікрогеометрія (шорсткість) поверхні твердого тіла також впливає на величинуQ. Як відомо [5], поверхні бувають гідрофільні та гідрофобні (Qбільше нуля). Враховуючи те, що на зміцненій поверхні нанесена крапля води розтікається не повністю, то цю поверхню на підставі [5] можна вважати гідрофобною. Тоді збільшення шорсткості має призводити до погіршення змочування [5], т.к. рідини «важко» проникати у поглиблення шорсткої поверхні.
Для підтвердження даних гіпотез були проведені експерименти щодо визначення впливу параметра шорсткості Ra сплаву Д16Т (без покриття і з УС), мікротвердості зміцненого шару на їх змочування водою. На п'ять вихідних зразків з алюмінієвого сплаву Д16Т діаметром 32 мм і товщиною 4 мм (різна шорсткість поверхонь плоских сторін (Ra в межах від 0,07 до 0,70 мкм, заміряна на профілометрі 170622) досягалася обробкою зразків наждачним папером різною УС методом ВП у вигляді точок діаметром 5 - 7 мм. Параметр шорсткості Ra УС на сплаві Д16Т також замірявся на профілометр (діапазон Ra: від 0,34 до 0,80 мкм). Потім визначалася змочуваність цих матеріалів питною та дистильованою водою. Досліди проводилися при температурі навколишнього середовища 22° З використанням діапроектора «ФЕД-Етюд». Перед нанесенням краплі рідини поверхня зразка щоразу знежирювалася за допомогою ацетону та просушувалася протягом 20 секунд. Попередньо почекавши 10-20 секунд (поки крапля розтечеться), зразок ставився на платформу міжлінзами і обриси краплі проектувалися через діапроектор на вертикальну поверхню і фіксувалися на аркуші паперу. Замірявся крайовий кут змочування. Результати експерименту представлені нижче як графіків (рис. 1, 2, 3).
З графіків видно, що із збільшенням Ra змочуваність питною та дистильованою водою погіршується, т.к.Qзбільшується. З рис. 3 видно, щоQ, одержувані при нанесенні краплі води на поверхню Д16Т з УС, отриманим методом ВП, менше, ніж на Д16Т без покриття (тобто Д16Т з УС краще змочується водою, ніж метал алюмінію Д16Т без покриття). Це підтверджує гіпотезу про утворення водневих зв'язків між атомами водню молекул води та киснем, яким насичена поверхня.
Рисунок 1- Залежність крайового кута змочуванняQзміцненого шару, отриманого методом ІУ на Д16Т від параметра шорсткості Ra
Малюнок 2- Залежність крайового кута змочуванняQД16Т без покриття від параметра шорсткості Ra
Рисунок 3- Порівняння змочуваності дистильованою водою зразків з Д16Т, зміцненого методом ВП, та з Д16Т без покриття
Для визначення впливу мікротвердості поверхні змочуваність її водою використовували вихідний зразок у вигляді кільця (діаметром 67 мм, шириною 3,5 мм), виготовленого з алюмінієвого сплаву Д16Т. На цей зразок наносився УС методом ІУ серед повітря. Від кільця були відрізані зразки довжиною 1,5 см з нанесеним зміцненим покриттям та проведено вимірювання параметра шорсткості Ra та мікротвердості. Потім були обрані зразки з приблизно рівною шорсткістю (Ra = 2,9 мкм), але з різною мікротвердістю (діапазон: від 3,1 до 11,7 ГПа), та проведений експеримент щодо визначення змочуваності зразків з Д16Т з УСдистильованою водою. Досліди проводилися за температури навколишнього середовища 22° С за допомогою діапроектора «ФЕД-Етюд». Результати експерименту представлені як графіка (рис. 4).
Малюнок 4- Залежність крайового кута змочуванняQД16Т, УС дистильованою водою від мікротвердості
Як видно із рис. 4 зі збільшенням мікротвердості УС, отриманого методом ІУ на Д16Т, змочуваність дистильованою водою покращується.
- зі збільшенням шорсткості змочуваність питною та дистильованою водою алюмінієвого сплаву Д16Т з модифікованим покриттям, отриманим методом ВП, та без покриття погіршується;
- зміцнений шар, отриманий методом ВП на Д16Т, набагато краще змочується водою, ніж алюмінієвий сплав Д16Т без покртія;
- Зі збільшенням мікротвердості УС на Д16Т змочуваність його дистильованою водою покращується.
За фінансової підтримки Міносвіти Україна у формі гранту А03-3.18-470.
1. Жегалін О.І., Лупач П.Д. Зниження токсичності автомобільних двигунів. М: Транспорт. 1985.
2. Дударєва Н.Ю. Поршневе кільце з алюмінієвого сплаву ДВС. Автореферат дис... канд. техн. наук. - Уфа, 1999.
3. Зацепіна Г.М. Фізичні властивості та структура води. - М.: МДУ, 1987. - 170 с.
4. Хебда М., Чичінадзе А.В. Довідник з триботехніки. Том 1, 2. М: Машинобудування. 1989.
5. Зімон А.Д. Адгезія рідин та змочування. - М.: Хімія, 1974. - 413 с.