автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления фрикционных углеродных материалов с помощью экспериментально-расчетных методов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

^ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА

¡2 ОСНОВЕ ГРАФИТА "НИИГРАФИТ"

оо I

На правах рукописи Экз. № №

БУРЯКОВ ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ.

Специальность - 05.17.11. " Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов."

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит".

Научный руководитель: кандидат технических наук Кулаков Валерий Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Васильев Юрий Николаевич кандидат технических наук Игнатьева Зинаида Владимировна

Ведущая организация: АО АК "Рубин".

Защита диссертации состоится " 23 " июня 1998 г.

на заседании диссертационного совета Д. 141.10.01. Государственного научно-исследовательского института

конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит", 111524, Москва, ул. Электродная, 2. Начало в 10 часов.

С диссертацией можно ознакомится в технической библиотеке "НИИграфит"

Автореферат разослан ЛсвсЛ- 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В настоящее время разрабатываются тяжело-нагруженные тормозные системы с дисками из углерод -углеродных композиционных материалов. Сложившаяся практика отработки технологии этих материалов не экономична и длительна. При отработке используется большой объем недостаточно информативных экспериментальных данных,, причем между индивидуальными характеристиками на настоящее время не определяется корреляции с эксплуатационными характеристиками тормозной системы. Получение надежной информации путем непосредственных измерений или невозможно или очень дорого. Альтернативой является проведение экспериментов на маломасштабных моделях на машинах трения. Но правила экстраполяции полученной при этих испытаниях информации на натурную тормозную систему отсутствуют.

Поэтому на сегодня актуально создание для трибологической системы математической модели, численное решение которой даст подробную и полную информацию во всей области решений. Но при том обязательном условии, что расчетные количественные результаты для конкретного углеродного материала сравнимы с результатами экспериментальных определений в промежуточных областях для этого материала.

Актуальность настоящей диссертации подтверждается и тем, что её материалы используются в контрактах НИИГрафит с Allied Signal and Landing Systems Corp. (США).

Цель работы. Разработка программного обеспечения изготовления углеродных фрикционных материалов, которое с сочетании с экспериментальными определениями индивидуальных характеристик материалов в образцах и комплексными испытаниями на маломасштабных моделях позволяет сократить объем и повысить надежность отработки. А также создание инженерной методики расчета распределения температур в элементах трибологических систем.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. На основании обоснованного механизма разрушения материалов при трении выявить особенности характерные для углерод-углеродных материалов и разработать модель этого механизма.

2. Проанализировать составляющие модели, определить метод ее решения, разработать программу расчета распределения температур во фрикционных элементах авиационных тормозов по этому методу.

3. Разработать методики определения входных данных для программы, провести тестирование программы, определить факторы влияющие на сходимость результатов, рассчитать поправочные коэффициенты.

4. На основе адекватной программы расчета распределения температур во фрикционных элементах авиационных тормозов, методик определения входных данных для этой программы, разработать систему анализа отработки технологии углерод-углеродных фрикционных материалов, провести исследования по этой системе материалов с разными технологическими параметрами.

Научная новизна.

1. Установлены физические закономерности тепловых процессов в трибологи-ческом контакте трехфазных углерод -углеродных композиционных материалов Термар. Проведена оценка функции изменения момента трения в процессе торможения на основании структурно-энергетической теории трения твердых тел, установлены зависимости изменения контактной площади от параметров микрогеометрии материала на поверхности трения, изменения упругих свойств материала и температуры под действием нагрузки в контакте при торможении. Определена работа (энергия) в контакте на разрушение материала и изменение упругих свойств материала - (0,34-0,55) 10"4 Дж. Установлено, что особенности микрогеометрии поверхности трения материала наследуются по циклам торможения.

2. Установлены структуры углерода на поверхности трения и в объеме материала толщиной до 13 цм, определено что при трении происходит совершенствование структуры углерода без значимого роста размеров кристаллитов. Предложен механизм совершенствования структуры углерода при трении.

3. Предложена модель процесса .трения углерод -углеродных материалов, учитывающая механическое взаимодействие элементов микрогеометрии поверхности

. трения материала, процессы внутрипорисгого окисления углерода, процессы совершенствования структуры углерода, процессы теплопередачи как в объеме материала, так и с поверхностей.

Практическая ценность.

На основе предложенной математической модели разработана программа расчета распределения температур во фрикционных элементах из углерод -углеродных материалов, вошедшая в состав программного обеспечения отработки материала Термар -АДФ, разработанного по техническому заданию ОАО АК "Рубин" и Allied Signal and Landing Systems Согр.(США). Результаты расчетов

позволили определить максимальную температур при эксплуатации углерод -углеродных материал Термар -АДФ в тормозной системе КТ-196 - 1330°С. Испытания на машине трения по методике предприятия АО АК "Рубин" показали надежной совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Разработана экспериментальная методика проведения испытаний на стационарное трение, которая позволила сократить срок отработки технологии изготовления материала Термар.

С использованием программы расчета, экспериментальной методики испытаний на нестационарное трение и модернизированной методики АО АК "Рубин" создан алгоритм анализа отработки материала типа Термар, который удешевляет отработку, сокращает ее объем и сроки, повышает надежность в части определения температурных параметров. Определены оптимальная температура термообработки технологии изготовления, которая обеспечивает получение лучших фрикционных характеристик материала. Данная температура включена в технологический процесс материала Термар АДФ. Определено, что использование карбонизованных волокон при формировании структуры углеродного каркаса углерод -углеродных материалов типа Термар приводит к повышению максимальной температуры при эксплуатации на 50-310°С.

Автор защищает:

Модель процессов при трибологическом контакте и программу расчета распределения температур во фрикционных элементах из углерод-углеродных материалов. Результаты обобщения экспериментальных данных и полученные зависимости для входных данных программы расчета.

Алгоритм анализа отработки углерод-углеродных материалов Термар. Зависимость определяющую влияние температуры на поверхности трения материала Термар на эксплуатационные характеристики.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной конференции БАМРЕ (г. Базель, 1996 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 2 научных статьях, 2 тезисах докладов и докладе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 98 наименований, 3 приложений. Работа содержит 115 страниц текста, 53 рисунка, 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Постановка задачи. В исследованиях Крагельского И.В., Чичинадзе A.B. и других авторов отмечено, что "трение и температура, по существу есть две стороны одного и того же явления".

Для авиационного тормоза, как объекта измерения температур, характерны широкий диапазон изменения температур за очень короткие промежутки времени, значительные локальные градиенты температур, недоступность критических зон для средств измерения. Эти обстоятельства не позволяют с достаточной достоверностью измерить температуру в наиболее важных участках тормоза или делают измерение температур вообще невозможным.

Различные авторы в работах, посвященных разрешению тепловых задач для авиационного тормоза исходят из общепринятых положений теории теплопроводности. Эти решения требуют постоянства входящих в расчетные соотношения коэффициентов (в частности, теплопроводности, теплоемкости, теплообмена и др.), ибо в противном случае задача не имеет решения, даже приближенного. Следует отметить, что эти достаточно приближенные решения были разработаны в то время, когда возникшая потребность в оценке теплового состояния трущихся тел правильной формы не опиралась на наличие быстродействующей вычислительной техники.

Появление в настоящее время быстродействующих интерактивных сервисных программ позволяет получать надежные данные об уровне температур в три-бологической системе с помощью расчетных методов, при тсх условиях, что: 1. используется обоснованная тепловая модель процесса трения; 2. в тепловой модели используются робастные данные экспериментальных исследований; 3. точно определена полезность расчета и она ограничена обоснованностью тепловой модели; 4. данные полученные путем численного решения совпадают с экспериментальными данными.

Анализ состояния вопроса показал, что необходимо разработать физическую модель процессов в трибологической системе из углеродных материалов и ее математическое описание, учитывающее влияние теплофизических характеристик и их температурных изменений; экспериментально исследовать процесс трения с целью проверки физических допущений, положенных в основу модели; определить эффективность сочетания расчетных и экспериментальных методов при отработке технологии изготовления углерод-углеродных фрикционных материалов.

Теоретические исследования процесса трения углеродных материалов.

Схема комплексного взаимодействия поверхностей трения углеродного материала тормоза представлена на рис. 1.

При контакте происходит механическое взаимодействие элементов микрогеометрии поверхностей трения с поглощением части кинетической энергии торможения в работу по разрушению элементов материала, препятствующих вращению фрикционных элементов. А также изменение механических свойств слоя материала на поверхности трения, элементы микрогеометрии которого воспринимают изгибные и сдвиговые упругие деформации при взаимодействии.

Оставшаяся часть энергии, в виде тепловой энергии торможения, диссипиру-ется с поверхности трения от контактирующих элементов микрогеометрии (пятен трения) в объем материала. Тепловая энергия торможения и энергия генерирующаяся в объеме за счет реакции внутрипористого окисления углерода за вычетом энергии, отводимой от объема вследствие теплопроводности по направлениям х, у и поглощенной на процессы совершенствования структуры углерода, затрачивается на рост внутренней энергии материала фрикционного элемента. Возможен механизм уменьшения внутренней энергии за счет рассеивания с нетрущихся поверхностей фрикционных элементов в окружающую среду конвективным и радиационным теплообменом и в конструкцию тормозной системы через контактирующие с поверхностями элементы тормоза ковдуктивным теплообменом.

Тепловая энергия торможения определяется, как разница между кинетической энергией торможения и энергией (работой трения), затраченной при трении на разрушение элементов микрогеометрии материала на поверхности трения и на изменение механических свойств поверхностного слоя материала.

Величина кинетической энергии определяется из уравнения (1):

нии, I - момент инерции масс тормозной системы, х - время, Р - удельная мощность трения средняя за торможение, к - коэффициент позиции, Гф - средний радиус торможения, V - скорость скольжения.

Для оценки функции изменения момента трения в процессе торможения в настоящей работе применен метод расчета, предложенный Васильевым Ю.Н. в структурно-энергетической теории трения твердых тел, исходя из допущения, что момент трения изменяется в процессе торможения по той же закономерности,

, где

- момент трения при торможе-

Пятна контакта

/Работа на разруше-/ ние элементов мик-/ рогеометрии и из-\ менение механиче-\ ских свойств по-\ верхностного слоя.

Кинетическая энергия торможения

Тепловая энергия торможения

Энергия рассеиваемая в окружающую среДУ

У \1/ \1/ \1/ \1/_

Энергия поглащаемая

за счет графитации

^ Энергия ^ <1 генерируемая за^ II счет окисления II

Энергия отводимая

от объема за счет теплопроводности по X. У

_7

СО (С02) 02

Количество, % об.

¡.Структуры гексагонального кристаллического углерода 20

2 Жесткая структура с более низким по степени графитации параметрами. 20 30 40

3.Блоки жесткой совершенной Трехмерной структуры. 15 - 20

4.Блоки графита с разной степенью совершенства кристаллической структуры. 30 20 12

¿.Фрагменты связи из квазимонокристалла графита. менее 1

6.Фрагменты структуры высокой степени графитации на поверхности углеродного волокна. 2

7.Вкрапления коротковолокнистой высокоориентированной структуры. 3

8.Разрушенные.(или дефектные) кристаллиты на поперечно расположенных жестких структурных фрагментах. менее 2

9.Вкрапления сильнографитированной структуры с переменным составом и количеством кисло-'

род содержащих функциональных групп. 2-5

поры - преобладает ячеистая структура с опорой на фрагменты углеродного волокна и поры-капиляры вдоль фрагментов углеродного волокна. около 10

Рис. 1. Механическое взаимодействие элементов микрогеометрии поверхностей трения.

что и коэффициент трения. В расчетах использовались обобщения данных: поверхностная энергия, интенсивность изнашивания углерода, коэффициент рекомбинации.

Поперечные размеры графитовых плоскостей кристаллитов оценивали на естественных сколах образцов углерод -углеродного материала Термар методом спек-.троскопии на тройном рамановском спектрометре DILON XY с микрораманов-ской приставкой на базе оптического микроскопа.

На приборе снимались спектры с локальных участков поверхности образцов размерами от 1 мкм и определялись поперечные размеры кристаллитов, начиная с размеров La менее 1000 А. В расчете размеры кристаллитов по данным этих исследований определены 40 - 60 нм.

Площадь реального контакта определялась программой Diagram, по которой обрабатывались характеристики микрогеометрии поверхностей образцов материала Термар. В работе измерение микрогеометрии поверхностей образцов проводились на профилографе-профилометре модели 250. Радиус кривизны вершины алмазной иглы (щупа) прибора - 2 мкм.

Для углерод-углеродного материала Термар зависимость отношения площади контактной поверхности к номинальной площади поверхности трения представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость отношения площади контактной поверхности к номинальной площади поверхности трения от максимальной высоты профиля поверхности для материалов типа Термар.

~ ^ — 45

Rma №

Анализ данных расчета показывает, что изменение коэффициента трения определяет функция скорости изменения поверхностной энергии. Очевидно, что эта функция определяет и изменение момента трения в формуле (1) за время торможения. Для решения уравнений использовалась программа SODDIT, где применен метод последовательной функциональной аппроксимации. По программе проводится оценка величины коэффициента позиции, определяющего положение окружности с радиусом торможения на поверхности трения.

Часть кинетической энергии затраченная на работу по разрушению элементов микрогеометрии поверхности трения и изменение механических свойств поверхностного слоя материала определяется из уравнения (2): 5Ь(Я1

Л = (АЛ- к _ ™ )я(х,у,г) ) ще да - работа в единичном контакте, к - коэффициент подобия, Бконт - площадь поверхности контакта при трении, Бш - средний шаг неровностей профиля, §(х, у, т) - интенсивность работы в единичном контакте.

Процессы механического взаимодействия при трении моделировались на уль-трамикротвердомере, созданном на базе микротвердомера ПМТ-3 с использованием индентора и измерительного блока динамического ультратвердомера модели ДИН-50. Индентором в ультратвердомере является алмазная трехгранная игла, острие иглы пирамидальное с углом при вершине 115° и радиусом закругления 18 цм. Усилие, реализуемое на инденторе 10 - 470 сН, скорость реализации усилия 2,5 цм/сек. Программное обеспечение, математическая модель которого основана на статистическом методе Вейбула, позволяет получать информативные характеристики механических свойств материала - диаграммы деформирования в координатах "нагрузка - относительная деформация". Программа дополнена блоком анализа выхода структур материала на поверхность трения, корректирующими коэффициентами, фильтром случайных результатов и блоком статистического анализа отличия механических характеристик локальных диаграмм деформирования от диаграмм деформирования материала.

Воспроизведение процессов трения с использованием индентора, как элемента контактирующего с поверхностью трения для определения работы на разрушение элементов поверхности трения и изменение механических свойств поверхностного слоя материала, осуществлялись при соблюдении условий, определяющих физические процессы и влияние масштабного фактора: - определенное симплексами Крагельского геометрическое подобие, коэффициент подобия, иглы индентора и элементов микрогеометрии поверхности трения; - совпадением величины математического ожидания глубины внедрения индентора и аппроксимации численного значения относительного сближения линии выступов относительно средней линии профилограммы; - расчетные нагрузки в пятне контакта отличаются не более чем на 20%.

Интенсивность работы определяется величиной сближения элементов микрогеометрии поверхностей трения, для расчетов используется аппроксимация изме-

ренных численных значений для начальной части опорной кривой профиля поверхности трения.

растеризует механические свойства материала образца.

На образцах после испытаний на трение можно выделить три участка: начальный участок - вдавливание индентора в профиль поверхности образцов; участок "а" - предповерхностные слои материала с измененными при трении механическими свойствами; конечный участок - выход на деформирование основной массы материала.

Работа, затраченная на изменение макроструктуры (разрушение) материала, определялась как площадь диаграммы, ограниченная кривыми нагружения и раз-гружения; и часть этой работы - энергия, затраченная на изменение механических свойств материала - площадь ограниченная кривыми разгружения и повторного нагружения. С физической точки зрения в процессе деформирования, переход материала под индентором в измененное состояние происходит во времени, и процесс нагружения (также разгружения) в энергетическом смысле необратим. Поэтому на диаграммах повторно-статического нагружения появляется петля гистерезиса, которая характеризует энергии (работы), связанные с разрушением элементов микрогеометрии поверхности трения и изменением механических свойств материала в поверхностном слое.

Данные эксперимента реализации непрерывного вдавливания индентора при увеличивающейся нагрузке для исходных образцов на основном участке диаграммы деформирования представлены на рис. 4.

Энергия генерируемая в материале за счет внутрипористого окисления, когда по завершению цикла торможения воздух поступает к еще нагретой поверхности дисков, через пограничный слой и участвует в процессе термохимического разрушения.

Рис. 3 Диаграммы деформирования материала Гермар А.

но я! аг о.з о* 0.5 аб а? о.в 0.9 1.0 и

ОптООИШЫНЯ й*форшпфЯ, Я

Диаграммы деформирования (рис. 3.) образцов материала до испытаний на трение имеют два участка, начальный участок - вдавливание индентора в профиль поверхности образцов, основной участок диаграммы деформирования ха-

Rmax Sm цм

44,1 47

35,1 25,4

30 24

Глубина внедрения, дш

Рис. 4. Диаграмма повторно-статического нагружения материала Термар А; гистограммы расчета работ в единичном контакте на разрушение материала, и на изменение (заштрихованы) механических свойств материала; образцы групп А, Б,

В при нагружении 200 сН.

Тепло, выделяемое за счет внутрипористого окисления углерода кислородом

воздуха определяется из уравнения (3):

-С,,

•о*

■KS

т>-е

У-е„

, где ДН - теплота горения углеро-

да, Оэф. - эффективное значение коэффициента диффузии воздуха через продукты окисления, cjj - концентрация кислорода, сС0 - концентрация СО, L - толщина слоя окисления, V - эффективная скорость обратного потока, Буд. - удельная поверхность слоя окисления, к^ - предэкспонентциальный множитель, Е^ -энергия активации окисления углерода кислородом воздуха.

Исходные данные для расчетов по уравнению (3) - параметры кинетики процесса окисления углерода, как-то: эффективное значение коэффициента диффузии воздуха через продукты окисления; удельная поверхность слоя окисления; энергия активации окисления углерода кислородом воздуха; предэкспонентциальный множитель, определяющий скорость реакции; эффективная скорость обратного потока СО; определены обобщением экспериментальных данных из работы Токадо Т. и Кимура Ю., в которой исследовали кинетику окисления углерод-углеродных композитов подвергнутых термической обработке при температуре 2000 °С.

Определены параметры пористой структуры: пористость по изооктану, размер, объем пор, удельная поверхность окисления. Структурные элементы углерода материала Термар А и их количественная оценка установлены A.C. Камзиным по методике, где используются возможности традиционной мессбауэровской спектроскопии с регистрацией гамма-квантов, одновременно регистрирует рентгеновское характеристическое излучение и ОЖЕ-электроны, возникающие при про-

цессах внутренней конверсии после резонансного поглощения гамма-кванта. Т.е. одновременно характеризуются структуры углерода поверхностные, приповерхностные и внутри макрообъема образцов материала.

Результаты исследований образцов углерод -углеродного материала Термар А в аналитическом систематизированном виде представлены на рис. 1.

Структуры графита углерод -углеродного материала Термар-А, сформированы в процессе изготовления трехкомпонентного материала, состоящего из графити-рованного углеродного волокна, графитов из каменноугольных среднетемпера-турного и высокотемпературного пеков.

Структуры разной степени кристаллического совершенства, как сформированные с разной термической историей, образованы из среднетемпературного пека, с вкраплениями коротковолокнистой высокоориентированной структуры, образованной в порах при пропитке и карбонизации под давлением. Часть кристаллитов защемленных в жестких структурных элементах углеродного волокна или разрушены или имеют дефекты. При пропитке и карбонизации под давлением из высокотемпературного каменноугольного пека формируются блоки жесткой совершенной трехмерной структуры, а также в тонких слоях в порах -капиллярах на поверхности углеродного волокна формируются фрагменты структуры высокой степени графитации. Углеродное волокно фрагментируется и имеет три возможных выхода фрагментов волокна на поверхность: преимущественно параллельных поверхности, нормально к поверхности и случайным (под углом к поверхности) образом. Оболочка углеродного волокна образует структуру гексагонального кристаллического углерода высокой степени совершенства. Имея исходную условно стеклоуглеродную структуру внутренние слои углеродного волокна, тем не менее за семь циклов термической обработки и одного цикла термобарической обработки формируют жесткую, с более низкой, чем оболочка, по степени совершенства, структуру. Между этими структурами имеются мостико-вые связи.

Установлено, что соотношение количества жесткой структуры углеродного волокна и структуры блоков графита из среднетемпературного пека определяет шероховатость поверхности. При соотношении структур 20:30 математическое ожидание наибольшей высоты профиля поверхности равно 44,1 цм, 30.20 - 35,1 ц.м и 40:12 - 25,4 цм.

На статистически надежном количестве профилограмм определено: особенности микрогеометрии исходных поверхностей образцов, как то: топография, -расположение впадин и выступов, величина среднего шага неровностей профиля, чередование особенностей рельефа и их количество на трассах измерений воспроизводятся с той же последовательностью и с теми же величинами среднего шага неровностей профиля на поверхности трения после испытаний, т.е. присущие данной поверхности особенности микрогеометрии наследуются по циклам торможения, (рис. 5.)

Микрогеометрия поверхности трения углерод -углеродных материалов определяется соотношением количества структур углерода волокна и матрицы средне-температурного каменноугольного пека, сформированных при изготовлении материала. И наследование микрогеометрии предполагается до тех пор, пока сохраняется соотношение количества структур; в рассматриваемом случае не менее чем в слое 13 цм. Т.е. в слое сравнимом с износом углерод -углеродного материала Термар при трении.

При трибологическом контакте поверхностей углерод-углеродных материалов происходит совершенствование структуры углерода. На образцах после испытаний на машине трения более в 3 раза увеличилось количество структур с более высокой степенью совершенства кристаллической структуры. Но сохранилось соотношение количества структур: жесткой структуры волокна и структуры блоков графита из среднетемпературного пека. В исходном состоянии в образцах диагностировались в блоках 3-4 фазы разной степени совершенства кристаллической структуры углерода. В приповерхностном объеме образцов после трения уже определялось 2-3 фазы с более высокой степенью совершенства кристаллической структуры.

В то же время, как установлено при исследованиях методами рамановской спектроскопии значимого изменения поперечных размеров кристаллитов не отмечено.

На основании работ В.Г. Нагорного предложен следующий механизм совершенствования структуры углерода.

•Начальная стадия, когда поглощаемая энергия затрачивается на увеличение регулярности расположения слоевых плоскостей, когда в результате возврата смещенных атомов возникает благоприятное условие для уменьшения относительного наклона (т.е. увеличение микротекстурированности) и сближения слоевых

плоскостей. Для того, чтобы произошло скольжение соседних плоскостей под действием 1. возникающих от нагрева при трении напряжений, 2. внешнего давления, затрачивается энергия на преодоление энергии связи между атомами углерода этих плоскостей в кристаллите. Атомные плоскости связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия. Энергия связи примерно равна 4,2 -18,2 кДж/моль. Краевые атомы-углерода в трибологическом контакте при перемещении вдоль кристаллита соединены ковалентными связями, на разрыв этих связей, согласно структурно-энергетичекой теории трения твердых тел Васильева Ю.Н., затрачивается большая часть поглощаемой энергии.

40 35 30

группу

А 20

15 10 5

о

Н, цм 45 40 35 30

группа 25

Б 20

15 10 5 0

группа В

5ш=47 цм количество определений 34

после испытаний

8т=44 цм количество определений 32

600 750 Ь, ЦМ

исходная

1050 1200 1350 1500

8гп=32 цм количество определений 41

Рис. 5. Профило-граммы и параметры микрогеометрии поверхностей трения образцов материала Термар А до и после 10 циклов торможения.

8гп=30 цм количество определений 40

150 300 450

600 750 1_, ЦМ

1050 1200 1350 1500

150 300 450 600 750 Ь, цм

900 1050 1200 1350 1500

•Первая стадия, когда энергия поглощается на относительный азимутальный разворот слоевых плоскостей. Величина этой энергии определена около 6 кДж/моль.

«Вторая стадия, как продолжение начальной стадии в объеме материала. Высокая энергия активации второй стадии, оцениваемая примерно 440 кДж/моль, соответствует энергии самодиффузии атомов углерода путем движения вакансий.

Изложенный выше механизм хорошо согласуется с результатами ресурсных испытаний на трение, когда параметры системы на начальном этапе испытаний воспроизводятся и в конце испытаний, т.е. количество ковалентных связей атомов, преодолеваемых при перемещении поверхностей, по количеству значимо не меняются.

Энергия поглощаемая на совершенствование структуры углерода определяется из уравнения (4):

Ь, N) * > гДе есв - энергия связи атомов, а - длина

слоя в контакте, Ц - размер кристаллитов, у - число атомов, значение среднеквадратичных амплитуд колебания которых больше 7,8 10~2 нм, N - число Аво-гадро, Ек„„ - энергия самодиффузии атомов, я - степень упорядоченности струк-

2ехр(-0,016(Г-800»

>р > 10~12ГГ-800У

туры углерода, ' - кинетический параметр процесса

совершенствования структуры углерода, Еф. - энергия активации этого процесса.

Энергия отводимая за счет теплопроводности в направлениях х, у, энергия рассеиваемая в окружающей среде, изменение внутренней энергии материала определяется из уравнения (5):

Аи+ £х + Ег + Е^ = ср^ат - X, £ - + V А. А 5 где; Чрас . плот,

ность теплового потока рассеваемого в окружающую среду, с - теплоемкость материала, - плотность материала, Х.х, Ху - коэффициент теплопроводности материала соответственно по координатам х, у, Бтр - площадь поверхности трения элементарного объема, Бх - площадь поверхности элементарного объема по X, Бу - площадь поверхности элементарного объема по У, Брас - площадь поверхности элементарного объема с которой происходит рассеивание.

Рассеивание энергии в окружающую среду в зависимости от конкретного варианта происходит по следующим механизмам теплообмена:

конвективному за счет конвекции окружающего воздуха qpacк =а • Б • ( Т - Токр); радиационному за счет излучения с поверхности Чраср= е • о • Б • ( Т* - ); смешанному, за счет конвекция и излучения %асс=а • Б • (Т - Токр)+е • а • в • ( 1* - т',* У,

2 Лм*Л

кондуктивному за счет контакта с деталями конструкции Чрасксн= + ^ 8 (Т -ТМ„)А

Система уравнений (1), (2), (3), (4), (5) является математической моделью тепловых процессов в триболошческой системе из углеродных материалов.

Методики экспериментальных исследований.

Объекты исследований - образцы, вырезанные из дисков материала Термар-А опытной партии.

Сырьем для изготовления материала Термар-А является графитированное углеродное волокно марки ВПР-19С и среднетемпературный каменноугольный пек марки А, Углеродный каркас изготавливался методом аэроосаждения смеси рубленого волокна и порошка пека в соотношении 3:2. После "теплого" при температуре 200 °С прессования и фиксированного обжига углерод-углеродный каркас уплотнялся за 4 цикла пропитки пеком и карбонизации при температуре 730+40 оС Дальнейшее уплотнение проводилось пропиткой высокотемпературным пеком марки Г и карбонизацией под давлением около 100 МПа при температуре не менее 720 °С. Заключшельная термообработка проведена в вакууме при температуре 2100 135 °С.

Для апробации анализа отработки технологии была изготовлена партия материала Термар Б. Сырьем для изготовления опытной партии было карбонизован-ное из полиакрилннтрила углеродное волокно, температура карбонизации которого была 900±3° °С. В технологию изготовления материала Термар Б были внесены следующие изменения: температуры заключительной термообработки для партий' дисков материала была задана 1200±25оС, 1600'30 °С, 2000±35оС, 2400±4° °С.

По методикам НИИграфит определены механические и теплофизические характеристики материала. Гарантированный уровень характеристик материала Термар А определен методом робастного оценивания по программе разработанной в составе настоящей работы; представлен в табл. 1.

Температурные зависимости. Установка для определения зависимости температуры на поверхности трения от скорости скольжения фрикционных элементов создана на базе токарного станка модели 10611, на котором ступенчато изме-

няется число оборотов шпинделя от 500 до 3000 об/мин. Нормальное давление торможения создается с помощью гидравлического копира марки 5АГ4822Н и измеряется стрелочным манометром. На расстоянии 1мм, Змм, 5мм от поверхности трения на образце крепятся малоинерционные ХА термопарные датчики (проводник диаметром 0,1 мм). Запись сигналов с термопарных датчиков производится на быстродействующем самописце Н 327-5. Испытания проводятся при удельном давлении 5,8 кг/см2 с отклонением за время испытания - 0,4 кг/см2 при стационарной для данного цикла испытаний скорости скольжения заданной числом оборотов шпинделя станка. Ряд скоростей скольжения циклов в данных исследованиях 3,32м/с, 6,65 м/с, 8,31 м/с, 9,97 м/с.

Таблица 1.

Гарантированный уровень механических и теплофизических характеристик

материала Термар А.

Характеристика, X X X гар.

Предел прочности, МПа при сжатии при изгибе 155,8 99,0 98,7 71,1

Модуль упругости при сжатии, ГПа 2,85 2,09

Коэффициент ± теплопроводности, Вт/м К I I 38,7 86,2 41,3 97,2

Измерение модуля упругости материала Термар А проводились на установке 1п81гоп со специальными захватами из углеродного композита. Образец материала Термар А многократно нагружался и разгружался в диапазоне температур 20 -2000 "С; при этом записывалась диаграмма деформирования. Нагружения проводились начиная с 20 °С до нагрузки, равной около 20 кг (что составляло, примерно, 50% от значения при котором происходит разрушение), затем разгружали образец, нагревали его до температуры 800 °С, выдерживали в течение 10-15 мин., после чего нагружали до той же нагрузки и разгружали, записывая диаграмму, затем нагревали до 900 "С. Циклы «нагружение-разгружение», начиная с 900 °С, проводили через 100 "С.

Другие температурные зависимости определялись по методикам НИИграфита.

Определение фрикционных характеристик материала Термар А проводились на машине трения ИМ-58 по методике ОАО АК "Рубин" (табл. 2.).

Для решения задач: моделирования нестационарных процессов трения с реальными значениями удельного давления торможения, скорости скольжения об-

разцов; тестирования программы расчета распределения температур во фрикционных элементах из углеродных материалов, разработана установка на основе механического блока машины трения УМТ-1.

Таблица 2.

Параметры испытания материала Термар А на машине трения ИМ-58.

Образец Давление удельное кг/см2 Количество оборотов, об/мин. Момент инерции масс, кг м2 Количество циклов торможения

диаметр, мм высота, мм

внеш. внутрен.

74 53 14 7,6 6000 0,505 15

режим КТ-196 5,8 7800 0,181 15

Управление испытаниями на установке, осуществляется микропроцессорным регулятором на однокристальной ЭВМ ПРОТЕРМ-ЮО, для которого предложен алгоритм управления испытаний и программа реализации условий нестационарного трения - двух параметрического интегрального закона управления:

'' , где Р/, - скорости вращения вала в / , (¡+1) интервал времени соответственно, М/ - момент трения в / интервал времени, I - момент инерции масс, / - время.

момент трения

Рис. 6. Принципиальная схема управления испытаниями.

Записанные на диаграммах сигналы с трех термопар, тахогенератора, момен-тоизмерителя за один цикл торможения, изменение сигналов по циклам торможений задавались в файл программы расчета.

Обобщение экспериментальных данных и температурные зависимости.

Зависимость отношения площади контактной поверхности к номинальной площади поверхности трения от максимальной высоты профиля выступов на поверхности - рис. 2. - уравнение в программу 5кон/8о = 6,6 10"2- 6 11тах10"4.

Коэффициента позиции - в табл. 3. приведены результаты функциональной аппроксимации для величин среднего шага неровностей профиля поверхности трения.

Рис. 7. Зависимость температуры материала от скорости скольжения при фрикционных испытаниях, а - расчетная в точке на расстоянии 1 мм от поверхности трения;

б, в, г - в точке на расстоянии 1, 3, 5 мм от поверхности трения; ■ - на расстоянии 1 мм от поверхности трения при испытаниях на установке УМТ-1; • - на расстоянии 5 мм от поверхности трения при испытаниях на машине трения ИМ-58.

Таблица 3.

Величина среднего шага неровностей профиля, цм 47 32 24

Коэффициент позиции 1,27 1,48 1,65

Перечень параметров микрогеометрии поверхности трения - средний радиус кривизны вершин неровностей, наибольшая высота профиля, среднее арифметическое отклонение профиля поверхности от средней линии профиля, относительное сближение (уровень) линии выступов относительно средней линии про-филограммы.

Рис. 8. Изменение модуля упругости материала Термар А от температуры. Уравнение в программу: Ет/Е„= 1,0+4,2х 1<НТ-1,56* Ю-'Т2

Изменение свойств материала при механическом взаимодействии поверхностей трения - рис.3 - уравнение в программу Еп= 2,2 + 5,9 Eir1.

В программе расчета оба последних уравнения решаются совместно методом взвешенных невязок, оперативный материал метода в изложении программы SODDIT.

Параметры входных данных для расчета энергии генерируемой за счет внутри-пористого окисления, уравнение 3, определения энергии, массопотери, движения и характеристик пористой структуры, химической кинетики в программе решаются на основании алгоритма SIMPLER модифицированного для скорости реакции окисления, т.е. в программу введены предположения о поле скоростей при реперных температурах, затем в программе рассчитываются коэффициенты

Температура испытаний, ®С

уравнений массопотери. В следующем шаге определяются дискретные аналоги для других функций, представленных во входных данных в виде зависимостей. И т.д. расчеты повторяются до получения сходимости величины скорости окисления при рассчитанной температуре с данными Токадо Т., Кимура Ю. В программе расчета использован для вычислений коэффициентов эффективный способ из программы CONTA.

Характеристики материала - прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, коэффициент теплопроводности - во входных данных используются гарантированные уровни характеристик материала, полученные методом робастного оценивания характеристик материала в образцах.

Изменение коэффициента теплопроводности от температуры - уравнение в

программу: напр. X ALr/ALM = + , напр Y ¿11,7^ = 0,38+0,64/™'.

Изменение теплоемкости материала типа Термар от температуры - уравнение в

с = 1,43 X 10' +0,36 х Г- 7,3 программу г

Энергия активации процесса совершенствования структуры углерода (по данным В.Г. Нагорного) 440 кДж/моль, степени графитации - 0,7 (по данным Кулаком ВВ> „ _ ^...ё

- -- ^ Ж

Длина слоя в контакте в программе рассчитывается по формуле Sном

На рис. 9. приведена схема расчета для тормозной системы KT-196.

19

Обод колеса 18,9 \

Неподвижный вал

s

X

Ar

5

1. Поверхность трения.

2,5. Поверхности, с которых тепло рассеивается за счет радиационного и конвективного теплообменов.

3. Поверхность, с которой тепло за счет теплопереноса передается контактирующим с ней материалом направляющей.

4. Адиабатическая поверхность.

2

4

Рис. 9. Схема тормоза КТ-196 и схема расчета для второго вращающегося диска.

Программа расчета температур. На основании тепловой модели, разработана программа для персонального компьютера, которая, с использованием входных данных, производит численные расчеты распределения температур во фрикционных элементах из углеродных материалов в каждый момент времени эксплуатации (испытаний).

Логическая структура программы расчета температур представлена на рис. 10.

Ввод данных с дисплея

TOS]—" - -

Рис. 10. Логическая структура программы расчета температур

TNS - основная программа, осуществляющая диалог с пользователем передает полученные данные в агрегат данных ISH, вызывает подпрограмму BRK и подпрограмму STAT.

BRK - подпрограмма осуществляющая схему расчёта, вызывает функции RADIO, KONV, TEPL, INS, GRAF, FRIC, OXY и подпрограмму VISUAL;

STAT - подпрограмма, производящая статистическую обработку исходных данных.

ISH - агрегат данных, который хранит, исходные данные, их изменение, и получаемое в результате расчета распределение температур в каждый момент времени.

VISUAL - подпрограмма, которая получая данные из агрегата ISH, осуществляет графический вывод на экран диаграммы распределения температуры в диске, а также выводит эти значения в ввде матрицы в файл результатов.

RADIO - функция вычисляющая радиационный тепловой поток;

KONV - функция вычисляющая конвективный тепловой поток;

TEPL - функция вычисляющая кондуктивный тепловой поток;

INS - функция вычисляющая внутреннюю энергию элемента;

FRIC - функция вычисляющая тепловой поток на поверхности трения;

GRAF - функция вычисляющая поглощение энергии на изменение структуры материала;

OXY - функция вычисляющая энергию генерируемую за счет внутрипористого окисления материала.

Ддя обеспечения надежности расчетов по программе было проведено тестирование ее по интегральному показателю из анализа характера отклонений расчетных значений температуры для данных условий испытаний на трение от измеренных значений температуры при испытаниях по этим же условиям на машине трения УМТ-1. Факторным признаком влияющим на адекватность модели, как показывают исследования, расчеты и обобщение экспериментальных данных, является микрогеометрия поверхности трения.

Наличие связи расположения скопления точек отношения разницы измеренной и расчетной к расчетной температуре с факторными признаком - параметром микрогеометрии поверхности трения, наибольшей высотой профиля, по-

результагов - Связь по управлекию

в файл и на

дисплей .......Связь по данным

зволяет произвести корректировку модели. В программе расчета распределения температур во фрикционных элементах из углеродных материалов корректирующая зависимость введена в фильтр выходных данных в виде уравнения:

ДТ= Лп» • 740 3 - 2.4-740 2 где д-р _ корректирующий параметр температуры.

Алгоритм анализа отработки технологии: 1. Проводится анализ технологии изготовления материала.

Начальные условия оценки качества исполнения технологии: соответствие приемных характеристик сырья - углеродного волокна и каменноугольного пека - нормативным требованиям, единства сроков изготовления материала и оборудования, квалификация технологического персонала, обоснованные методы контроля технологии изготовления, отсутствие отклонений от требований технологического процесса.

Исследования настоящей работы, позволяют установить определяющие факторы технологии, как-то: условия формирования углеродного каркаса; параметры процесса пиролиза каменноугольного пека температура, время выдержки, давление; количество циклов уплотнения и температура термообработки циклов, 1. по изменению наследуемых при трении параметров микрогеометрии поверхности трения образцов материала, 2. по экспериментальным и расчетным зависимостям с использованием определенных репрезентативных параметров микрогеометрии, 3. по уровню физико-механических свойств материала.

2. Производится расчет температуры по программе расчета распределения температур во фрикционных элементах из углеродных материалов для условий испытаний на машине трения УМТ-1.

3. На машине трения УМТ-1, производятся испытания на образцах. Проводится сравнение расчетных и измеренных температур, проверяется действенность корректирующих поправок в фильтре программы.

4. Производится расчет температуры по программе для условий испытаний на машине трения ИМ-58.

5. По методике АО АК "Рубин" с учетом рекомендаций настоящей работы проводятся, испытания с определением температуры, подтверждающие расчетные данные.

6. По программе расчета распределения температур во фрикционных элементах из углеродных материалов определяется распределение температур в диске тормозной системы.

Оптимизация температуры термообработки материала Термар.

!п, Рис. 11. Зависимости от температуры термообработки при изготовлении:

1. плотности, с!^ □ пористости, П •

2. предела прочности при сжатии, <3-1 □

модуля упругости, Ех ДО4* коэффициента теплопроводности при комнатной температуре, /-20 в напр. х® , в напр. уО

3. высоты максимального профиля .

4. температуры испытаний (на расстоянии 1 мм от поверхности трения) и расчетной температуры на машине трения УМТ-1.

5. износа при испытаниях О, коэффициента трения □ , расчетной максимальной температуры * на поверхности трения в тормозной системе КТ-196.

Представленные на рис. 11. в соответствии с алгоритмом анализа отработки технологии результаты позволяют установить оптимальную температуру термообработки при изготовлении - 2170 °С.

При термообработке с этой температурой в материале полностью заканчивается формирование пористости и пористой структуры, прочностных свойств и структуры углерод-углеродного материала Что подтверждается результатами измерения параметра микрогеометрии: область изменения высоты максимально-

1404 1Й00 1 800 2009 3200

Температура термообработки, "С

го профиля при температуре термообработки около 2200 °С стабилизируется на уровне 22-29 мкм и далее значимо не меняется. Температуры испытаний на машине трения УМТ-1 и расчетная при совпадении для материала с температурой термообработки более 2200 °С снижаются незначительно, но очень резко возрастает износ материала. Коэффициент трения при параметрах испытания на машине трения УМТ-1 устанавливается в пределах от 0,54 до 0,67. Анализ результатов, представленных на рис. 11 очевидно определяет бесперспективность использования в качестве сырья для углеродного каркаса неграфитированного волокна.

Температура и эксплуатационные характеристики тормозной системы КТ-196.

Температура,°С рнс п Расчетные изменения

1400

температур дисков из углерод-углеродного материала Термар А при торможении в тормозной системы КТ-196.

максимальная температура на поверхности трения

средняя температура на поверхности трения

средняя температура в объеме диска

Время, с

Коэффициент №нос, тртия цщ

И01ЫПЮЖ на

им^е

1500

Температура, иС

Рис. 13. Зависимость эксплуатационных характеристик углерод-углеродного материала Термар от максимальной температуры на поверхности трения. • - износ, х , - коэффициент трения.

Представленная на рис. 13. зависимость эксплуатационных характеристик углерод -углеродного материала Термар - износа и коэффициента трения от максимальной температуры на поверхности трения. При возрастании максимальной температуры на поверхности трения от 1330°С до 1500°С износ материала Термар увеличивается в два раза, при дальнейшем возрастании максимальной температуры износ "катастрофически" увеличивается.

Коэффициент трения углерод -углеродного материала Термар формируется на уровне, определяемом условиями испытаний и значимо от температуры в "пятне контакта" не зависит. Т.е. коэффициент трения для материала Термар при воспроизводимых условиях испытания устанавливается на уровне и за весь цикл испытаний воспроизводится на этом уровне, при условии наследуемого соответствия структуры углерода на поверхностях трения.

ВЫВОДЫ.

С помощью комплекса методов исследованы процессы в трибологическом контакте углерод -углеродного композиционного материала Термар.

1. Впервые найдены: зависимость температуры материала от скорости скольжения элементов тормозной системы в интервале от 3 м/с до 22 м/с. Показано, что при эксплуатационных условиях температура возрастает в среднем на 12°С при повышении на 1 м/с скорости скольжения;

зависимость площади контактной поверхности материала от параметров микрогеометрии поверхности контакта. Показано, что при изменении величины максимальной высоты профиля поверхности трения от 45 цм до 24 цм площадь контактной поверхности возрастает с 3,8% до 5 % от номинальной площади фрикционного элемента.

2. Обобщены данные, результаты исследований и расчетов, на основании которых предложено математическое описание процессов внутрипористого окисления при трении (уравнение 3.).

3. Установлено: микрогеометрия поверхности трения углерод -углеродных материалов определяется соотношением количества структур углерода углеродного волокна и матрицы среднетемпературного каменноугольного пека;

топография профиля поверхности трения наследуется в циклах торможения. При трибологическом контакте происходит совершенствование структуры углерода. Предложены механизм упорядочения структуры углерода при трибологическом контакте и математическое описание процессов со-

вершенствования структуры углерода в материале при трении (уравнение 4.). Установлены длинна слоя углерода в контакте, обобщены данные исследований, определен кинетический параметр процесса совершенствования углерода при трибологическом контакте. Установлены количественные параметры структуры углерода материала Термар.

Найдена зависимость изменения модуля упругости материала от температуры, при росте температуры до 1400°С модуль упругости возрастает в 1,3 раза.

1. Предложена модель процесса трения углерод-углеродных материалов, (уравнения 1 - 5). В модели тепловая энергия трения найдена как разница кинетической энергии торможения и суммы работы (энергии) разрушения и изменения механических свойств материала в отдельном контакте. Приходная часть энергии пополняется за счет внутрипористого окисления углерода. Расходные статьи: энергия отводимая за счет теплопроводности в объем материала, энергия рассеиваемая в окружающую среду, изменение температуры, а также энергия расходуемая на совершенствование структуры углерода. Установлена адекватность модели процесса трения и ее математического описания в результате выполненных экспериментальных исследований процессов нестационарного трения.

2. Разработана экспериментальная методика испытаний в режиме нестационарного трения на маломасштабных образцах материалов Термар для подтверждения расчетных результатов данными эксперимента.

3. Предложен алгоритм анализа отработки углерод -углеродных материалов Термар, состоящий из оценки факторных признаков технологии, как-то: условия формирования углеродного каркаса, условия пиролиза каменноугольного пека, термической истории технологии - по показателям параметров микрогеометрии поверхности трения материала и уровню физико-механических характеристик; и на следующих этапах анализа - проведение расчетов по программе и подтверждение результатов расчета экспериментальными методами.

4. Определено: величина максимальной температуры на поверхности трения определяет износ материала Термар, при возрастании температуры от 1330°С до 1500°С износ материала увеличивается в два раза, и возрастает с большей скоростью при дальнейшем росте температуры;

коэффициент трения материала Термар формируется на уровне, определяемом условиями эксплуатации, и значимо ог максимальной температуры на поверхности трения не зависит.

1. Установлено: использование сырья - углеродного волокна с температурой получения ниже 2400°С в технологии изготовления углерод -углеродного материала типа Термар, повышает эксплуатационную температуру материала при трении на 50 -310°С;

лерод -углеродных материалов Термар - 2170°С, которая обеспечивает получение материала с оптимальными эксплуатационными характеристиками.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1.Буряков И.Н. Исследование процессов графитации в углерод -углеродных материалах при трибологическом контакте. // Труды II международной научной конференции "Математические методы в химии и технологиях". - Владимир, 1998. -с. 311-313.

2.Буряков И.Н., Кулаков В.В. Работа разрушения поверхностей трения углерод -углеродных материалов типа Термар.// Материаловедение. - 1998. - Принято к публикации.

3.Буряков И.Н., Кулаков В.В., Шипков С.Н. Экспериментальный метод получения нестационарного трения на трибологическом комплексе УМТ-1.// Заводская лаборатория. - 1998. - Принято к публикации.

4.Кулаков В.В., Кенигфест A.M., Буряков И.Н. Моделирование распределения температурного поля углерод -углеродных композиционных фрикционных материалов при эксплуатации.// Международной конференция "Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии": Тез. докл. - Киев, 1997. - с. 234-235.

5.Bouriakov 1. Improvement of carbon-carbon friction material by computer modeling.// 17th International SAMPE Europe Conference - Basel, Swtzerland, 1996.-p. 34-39.

температура термообработки в технологии изготовления уг-