48 / 1 (64), 2012 The researches of influence of the cyclically modu- lated by amplitude high-frequency magnetic field on me- chanical and tribotechnical characteristics of composites with polymericfluorine matrix are carried out for the first time. Т. А. АхМеТов, оАо «БМЗ», в. П. СергИеНко, гНу «ИММС им. в. А. Белого» НАН Беларуси, И. А. ковАлевА, И. Н. рАдьковА, оАо «БМЗ» УДК 621 .74 исследоВание Влияния магнитно–импульсной обработки на физико-механические и триботехнические сВойстВа узлоВ трения Одной из важнейших прикладных проблем по- лимерного материаловедения является улучшение механических и триботехнических характеристик полимерных материалов и композитов на их осно- ве . Это относится и к композитам с фторполимер- ной матрицей, которые используются в узлах тре- ния технологического оборудования (подшипники скольжения, тормозные колодки и т . д .) . В настоя- щее время на ОАО «БМЗ» металлокорд произво- дится на канатных машинах типа ТD 2/401, TD 2/601, RI, RIR, SDT-10, SDT 2/2 + 1 и др ., которые кон- структивно содержат большое число узлов трения, в том числе тормозные колодки на устройствах размотки для предотвращения образования слаби- ны проволоки при инерционном вращении питаю- щих катушек, спадания и запутывания витков про- волоки на катушке, а также обеспечивающих бы- струю остановку катушки при обрыве проволоки или остановки машины . Постоянный рост произ- водительности оборудования предъявляет повы- шенные требования к фрикционным материалам узлов трения . Традиционные подходы, заключающиеся во введении различных наполнителей в полимерную матрицу, практически исчерпали свои возможно- сти по улучшению физико-механических и фрик- ционно-износных характеристик композитов . По- этому изыскание новых нетрадиционных спосо- бов изменения эксплуатационных свойств поли- мерных материалов является актуальной научно- технической задачей . Имеющиеся достаточно многочисленные пу- бликации позволяют рассматривать магнитное поле в качестве перспективного способа воздей- ствия на различные материалы . Наибольшее вни- мание уделяется вопросу изменения структуры и свойств железоуглеродистых сплавов в постоян- ных и переменных магнитных полях, что связано с традиционными представлениями о решающей роли ферромагнетизма в возможности трансфор- мации структуры [1–4] . Тем не менее, литератур- ные данные позволили установить возможность трансформации структуры цветных металлов [5–8] и неметаллических материалов [9] под воздействием магнитного импульсного поля (МИО) . В частно- сти, показана трансформация структуры меди и сплавов на ее основе: повышение дисперсности структуры, снижение относительного износа при испытаниях на «сухое» трение, повышение пла- стичности [10] . В настоящей работе впервые выполнены ис- следования влияния циклически модулированного по амплитуде высокочастотного магнитного поля на механические и триботехнические свойства композитов с фторполимерной матрицей . Воздей- ствие полем на тестируемые образцы композита осуществлялось на экспериментальной установке, созданной с использованием генератора высокоча- стотного тока «ВЧИ-62-5-ИГ-101» . Установка по- зволяла возбуждать локализованное в заданном объеме пространства электромагнитное поле на промышленной частоте f = 5,28 МГц с амплитуд- ными значениями магнитной и электрической со- ставляющих 835 и 17960 В/м соответственно1 . Микроструктурный анализ поверхности образ- цов позволил выявить инициируемое полем изме- нение морфологии структуры полимерной матри- цы (рис . 1, а, б), а также кристаллического напол- 1 Данные по магнитно-импульсной обработке и изменению морфологии структуры композитов предоставлены А . Г . Анисо- вич (ГНУ «ФТИ НАН Беларуси»), В . В . Ажаронок (ГНУ «Ин- ститут физики НАН Беларуси») . / 49 1 (64), 2012 нителя (рис . 2, а, б) . Одновременно наблюдалось изменение расположения частиц наполнителя в полимерной матрице . При этом в некоторых слу- чаях фиксировалось их измельчение . Предположи- тельно изменяется внутренняя структура кристал- лического наполнителя . При исследовании топографии поверхности установлено, что воздействие поля вызывает за- метное измельчение исходной композиции (табл . 1) . Т а б л и ц а 1 . Параметры шероховатости для образцов до и после МИО (боковая поверхность) Параметры шероховатости Исходное состояние После МИО два цикла МИО четыре цикла МИО Наибольшая высота профиля Rmin-max, нм 1678 600 609 Средняя шерохова- тость Ra, нм 204 72 75 Дисперсия Rq, нм 276 95 93 Увеличение количества циклов обработки МИО на топографию поверхности влияния не ока- зывает . Поверхность трения образца, обработанного магнитным полем, в значительной мере отличает- ся от исходной (рис . 3, а, б): наблюдается повыше- ние степени упорядоченности в расположении из- мельченных структурных элементов поверхности, их очертания приобретают правильную и одно- родную форму . Обнаружено изменение величины динамиче- ского модуля упругости после обработки магнит- ным полем (табл . 2), что обусловлено, вероятно, повышением молекулярной (сегментальной) под- вижности макроцепей полимерного компонента, сопровождающейся изменением межмолекулярно- го и межфазного взаимодействия . Данное предпо- ложение частично подтверждается незначитель- ным снижением твердости (на 10–12%) полимер- ных композиций, что может являться следствием аморфизации кристаллических областей связую- щего и наполнителя . Т а б л и ц а 2 . Результаты определения динамического модуля упругости и коэффициента потерь исходного (Ф-1) и модифицированного магнитным полем (Ф-1 М) композиционного материала Материал Нагрузка, Па Частота, Гц Динамический модуль упругости ед, Па Коэффициент потерь h Твердость НВ Ф-1 2,21E+05 227 8,15E+ 08 0,060 60–62 Ф-1М 2,21E+05 208 6,84E+ 08 0,059 56–57 П р и м е ч а н и е: Ф-1 – исходный композиционный ма- териал . Ф-1М – композиционный материал, модифицирован- ный МИО . Величины коэффициента трения и температу- ры поверхности в зоне фрикционного контакта у образцов, подверженных воздействию поля, су- а б Рис . 1 . Металлографическое изображение ненаполненного фторполимера: а, б – до и после обработки МИО соответственно . х400 а б Рис . 2 . Металлографическое изображение наполненного фторполимера: а, б – до и после обработки МИО соответственно . х800 50 / 1 (64), 2012 щественно не отличались в сравнении с соответ- ствующими данными до обработки . Однако интен- сивность изнашивания поверхности композицион- ного материала в результате модифицирования магнитным полем снижается почти в 2 раза при нагрузке 2 МПа и на 20% при нагрузке 4 МПа (табл . 3) . Снижение интенсивности изнашивания пред- ставляется важным практическим результатом мо- дифицирования надмолекулярных структур ком- позита высокочастотным магнитным полем . Эф- фект, вероятно, связан с тем, что частичное разру- шение крупных кристаллических образований как в структуре наполнителя, так и связующего, а так- же измельчение структурных элементов, сопро- вождающееся «размораживанием сегментальной подвижности макромолекул, создает благоприят- ные условия как для усиления межфазного взаи- модействия на границе раздела связующее – на- полнитель, так и способствует образованию более подвижного и устойчивого к разрушению слоя на поверхности трения полимерного образца . Тормозные колодки из композиционных мате- риалов на фторполимерной основе, модифициро- ванных МИО с целью увеличения износостойкости, предполагается испытать на канатных машинах при производстве металлокорда . Материал тормозного элемента канатной машины должен обеспечивать стабильные показатели величины усилия натяжения металлокордной нити, приемлемый температур- ный баланс пары трения, допускаемый по санитар- ным нормам уровень шума производственных по- мещений, а также достаточно высокое сопротив- ление износу в условиях «сухого» трения и соот- ветственно требуемый ресурс эксплуатации изделия . Следует отметить необходимость дальнейшего и углубленного изучения механизмов структурных изменений, происходящих при предлагаемом спо- собе модифицирования композитов на фторполи- мерной основе . а б Рис . 3 . Топография поверхности трения: а – исходная; б – модифицированная МИО Т а б л и ц а 3 . Зависимость коэффициента трения (f), температуры фрикционного контакта (Тфр) и интенсивности изнашивания от нагрузки для исходной и модифицированной композиций Мате риал Нагрузка р, МПа Коэффи циент трения f Температура фрикционного контакта Тфр, °С Интенсив ность изнашива- ния, Ih ⋅10–9 Примечание Ф-1 2 0,52 149 4,627 ρ .= 2,09 г/см3 4 0,27 152 5,305 Ф-1М 2 0,50 149 2,537 ρ .= 2,09 г/см3 4 0,28 164 4,263 П р и м е ч а н и е: Ф-1 – исходный композиционный материал . Ф-1М – композиционный материал, модифицированный МИО . Литература 1 . А с к и н а з и Б . М . Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой . Л .: Машиностроение, 1977 . 2 . С т е п а н о в В . Г ., Ш а в р о в И . А . Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов . Л .: Машино- строение, 1975 . 3 . Б е л ы й И . В ., Ф е р т и к С . М ., Х и м е н к о Л . Т . Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов . Харь- ков: Вища шк ., 1977 . 4 . Г а р к у н о в Д . Н ., С у р а н о в Г . И ., К о п т я е в а Г . Б . О природе повышения износостойкости деталей и инстру- мента магнитной обработкой // Трение и износ . 1982 . № 2 . / 51 1 (64), 2012 5 . А н и с о в и ч А . Г ., М а р у к о в и ч Е . И ., А б р а м е н к о Т . Н . Изменение теплового состояния диамагнитных ме- таллов под воздействием магнитного поля // Металлы . Изв . РАН . 2003 . № 6 . С . 108–110 . 6 . А н и с о в и ч А . Г ., Т о ф п е н е ц Р . Л ., М а р у к о в и ч Е . И . Причины повышения пластических свойств сплавов металлов при импульсных воздействиях // Проблемы машиностроения и надежности машин . 2004 . № 2 . С . 26–30 . 7 . А н и с о в и ч А . Г ., Р у м я н ц е в а И . Н ., У р б а н Т . П ., А ж а р о н о к В . В . Трансформация структуры литых ме- таллов в магнитном поле // Литье и металлургия . 2008 . № 3 (спецвыпуск) . С . 250–255 . 8 . A n i s o v i c h H . G . Method of nonthermal changing the structure of nonferromagnetic metals and nonmetallic phases // Мате- риалы совместного Корейско-Евразийского семинара . Сеул . Ноябрь 2008 г . С . 166–171 . 9 . А ж а р о н о к В . В ., Ф и л а т о в а И . И ., В о щ у л а И . В ., Д о л г у н о в и ч В . А . и др . Изменение оптических свойств бумаги под влиянием магнитной составляющей высокочастотного электромагнитного поля // Журнал прикладной спек- троскопии . 2007 . Т .74 . № 4 . С . 421–426 . 10 . А н и с о в и ч А . Г . Закономерности процессов структурообразования и термодинамический аспект организации структуры металлов при нестационарных энергетических воздействиях: Дис . … д-р физ .-мат . наук . Минск, 2005 .