ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты экспериментального исследования износостойкости различных эпоксидных композиций в зависимости от эксплуатационных режимов металлической оснастки.

ABSTRACT

The results of an experimental study of the wear resistance of various epoxy compositions depending on the operating conditions of the metal tooling are presented.

Ключевые слова: металлическая оснастка, износостойкость, полимер-бетонные матрицы, композиция, антиадгезионные свойства.

Keywords: metal tooling, wear resistance, polymer-concrete matrices, composition, anti-adhesion properties.

Введение

Известно, что покрытия из полимерных материалов на рабочей поверхности технологической оснастки во время эксплуатации часто выходят из строя. Причинами этого является разрушение поверхности оснастки в результате изнашивания или отслаивания полимерного покрытия при многократном воздействии бетонной смеси в стадии формования. [1]

В стадии разработки таких композиций исследователями основное внимание было уделено на антиадгезионные свойства полимера с бетоном и влияние температуры и влажности бетонной смеси на адгезионную прочность самого полимера с подложкой. Влияние же основных эксплуатационных факторов, т.е. скоростно-нагрузочных режимов на изнашивание полимерных покрытий, нанесенных на рабочую поверхность технологической оснастки при температуре и влажности, практически не изучены и износостойкость в стадии разработки полимерных композиций не учитывалась. В результате этого технологические оснастки имели невысокий потенциал работоспособности и долговечности. [2]

Поэтому для создания более эффективных и работоспособных ком­позиционных полимерных материалов для покрытия рабочих поверхностой технологической оснастки, на наш взгляд, наряду с влажностью бетонной смеси и температурно-временных факторов. При этом также необходимо будет  учесть влияние давления и скорости перемещения смеси на рабочей поверхности опалубки. [3]

В связи этим проведение исследования по разработке оптимальных режимов получения износостойких композиционных полимерных материалов для покрытия на рабочей поверхности технологической оснастки в производстве железобетонных изделий является актуальной проблемой.

Объектами исследования являются два вида основного состава (ОС) связующего из 100 масс.ч. эпоксидной смолы марки ЭД-16, ГОСТ 10587-72, 12 масс.ч. отвердителя-полиэтиленалолиамина ТУ6-02-524-70, 20 масс.ч» пластификатора-дибутилфталата ГОСТ 8728-16 ОС-I и из 100 масс.ч. ЭД-16, 7 масс, ч. отвердителя-пиперидина ТУ6-09-3672-74, 20 масс.ч, алифатической низкомолеку­лярной эпоксидной смолы ТЭГ-1ИРГУ6-05-1223-89,- ОС-2. Выбор связующего на основе ЭД-16 обусловлен его технологичностью, сравнительно высокими физико-механическими свойствами и теплостойкостью и возможностью получения покрытий как при холодном, так и горячем отверждении. Для наполнения эпоксидных композиций были выбраны выпускаемые промышленностью дисперсные и волокнистые наполнители органического, неорганического, синтетического и минерального происхождения; графит зернистый и пластинчатый, углеродные волокна, сажа, железный порошок, цемент, тальк, каолин, стекловолокно, фторопласт, полиэтилен высокой плотности.

Выбор этих наполнителей для исследования обусловлен следую­щим. Графит, сажа и железный порошок улучшают тепло- и электро­физические свойства композиций, а также обеспечивают высокую адгезию к металлическим поверхностям , фторопласт и полиэтилен обладают хорошими антиадгезиоными свойствами при взаимодействии с конструкционными материалами, что важно для снижения адгезии бетона к поверхностям оснастки. Углеграфитовые и стеклянные волокна придают материалу высокую прочность и повышают их устойчивость к термомеханическим воздействиям за счет армирования. Цемент, тальк и каолин выбраны с целью сниже­ния стоимости рекомендуемых для внедрения в производство эпок­сидных композиций (для применения в оснастках). Они отличаются электромагнитными свойствами, плотностью и высокой удельной поверхностью, что позволяет изучать влияние физических модификаций на свойства эпоксидных композиций.

Такое разнообразие наполнителей по виду, структуре, свойст­вам и назначению позволяет всесторонне изучать износостой­кость эпоксидных композиций в условиях абразивной среды, что необходимо для обеспечения долговечности покрытий.

Технология получения покрытий на поверхности образцов-подно­жек осуществлялась следующим образом; предварительно подготавли­валась композиция, которая наносилась на предварительно очищен­ную и обезжиренную поверхность образцов при помощи шпателя.

Композицию на основе эпоксидного олигомера готовили следую­щим образом; необходимое количество эпоксидной смолы нагревали до 373-393 К для удаления воздушных пузырьков из массы полимера, затем при температуре 333 К при тщательном перемешивании добав­ляли пластификатор дибутилфталат. После этого вводили обезжирен­ный и высушенный наполнитель. Непосредственно перед употреблением небольшими порциями при комнатной температуре вводили отвердитель полиэтиленлолиамин или пиперидин. Приготовленная таким обра­зом композиция наносилась на поверхность образцов. После нанесе­ния композицию с полиэтиленполиамином отверждали при температуре 383 К (100⁰С) в течение одного часа. А композицию с пиперидином отверж­дали при температуре 363 К (90⁰С) в течение 6 час.

В настоящее время существует ряд методов для изучения изнаши­вания полимерных материалов. Изнашивание - сложный процесс разрушения поверхности материалов и сопровождается отде­лением из него микро или макрочастиц при многократном или одно­актном взаимодействии.

Специально проведенные нами исследования по изучению харак­тера и закономерностей разрушения поверхности форм с полимерными покрытиями показали, что разрушение поверхности покрытий различно в зависи­мости от технологического процесса формования. Например, для форм немедленной распалубки имеет место как абразивное, так и усталост­ное разрушение поверхности.  В более жестких режимах формования, как пропариванием или обогревом, происходит коррозионно-механическое разрушение поверхности. Этот вид изнашивания поверхности становится переобладающим при снижении теплостойкости материала покрытия, т.е. в основном у термопластичных полимеров. Покрытия из термореактивных полимеров в основном разрушаются вследствие абразивного воздействия или из-за низкой усталостной прочности.

Для определения абразивной износостойкости материалов нами использован дисковый трибометр.

Результат исследования и их анализ

Для исследования в качестве основных эксплуатационных режимов были выбраны давление на поддон и скорость перемещения растворов в процессе формования изделий.

С целью разработки эффективных износостойких композиционных материалов были выбраны эпоксидные композиции на основе ОС-1, как более износостойкие, наполненные 25 об.ч. полиэтилена, графита, талька, железного порошка и стекловолокна. При этом вместо абразивного полотна в качестве контртела были использованы покрытия из бетонных растворов на поверхности стального диска. Испытания проводились в пределах давления 0,02-0,15 МПа и скорости 0,5-2 м/с в присутствии цемент- ного молока (25% раствор портландцемента марки 500 в воде) и без него, т.е. во влажной и сухой среде.

Из представленых  на рис.1-2. данных видно, что с увеличе­нием давления интенсивность изнашивания эпоксидных композиций увеличивается независимо от скорости скольжения как во влажной среде, так и в сухой. При этом следует отметить, что величина интенсивности изнашивания с изменением среды и условий взаимо­действия трущихся тел существенно изменяется. Например, с увели­чением давления от 0,05 до 0,15 МПа интенсивность изнашивания изменяется почти на два порядка и составляет во влажной среде 3ˑ10^-7 - 8ˑ10^-7 и в сухой 6ˑ10^-7 - 5ˑ10^-6, в зависимости от вида композиций. Эти показатели примерно на 1,5-2 порядка ниже по сравнению с интенсивностью изнашивания (0,15ˑ10^-6 - 1,0ˑ10^-6) компо­зиций по абразивному полотну в жестких условиях при равных давлениях (0,1 МПа) и скорости (0,5 м/с), что объясняется изменением условий взаимодействия композиций с абра­зивной поверхностью в лучшую сторону за счет применения упруго­эластичного устройства в установке и присутствием цементного молока, благоприятно способствующего отводу тепла из контактной зоны. Кроме того, надо также отметить, что покрытия из бетонного раствора имеют меньшую твердость и более пологие радиусы вершин неровностей по сравнению с неровностями абразивно­го полотна, которые в конечном счете существенное влияние оказы­вают на снижение фактического давления при контакте полимера с абразивами. В результате снижается объем микрорезания и, соот­ветственно, интенсивность изнашивания композиций.

Рисунок 1. Зависимость интенсивности изнашивания эпоксидных композиций на основе ОС-1 по бетону от давления при различных наполнителях: 1-ПЭВП; 2-тальк; 3-без наполнителя; 4-графит; 5-железный порошок; 6-стекловолокно

Рисунок 2. Зависимость интенсивности изнашивания эпоксидных композиций на основе ОС-1 по бетону в присутствии влажной среды от давления при различных наполните­лях: 1-ПЭВП; 2-тальк: 3-без наполнителя; 4-графит­; 5-железный порошок; 6-стекловолокно

Далее рассмотрим влияние скорости скольжения на интенсивность изнашивания по сухому бетону и при влажной среде.

Увеличение интенсивности изнашивания композиций с ростом давления связано с увеличением объема микрорезания, что согласуется с данными работы.

На рисунке 4 и 5 приведены зависимости интенсивности изнашивания эпоксидных композиций  ОС-1 по сухому бетону в присутствии влажной среды и скорости скольжения соответственно.

Рисунок .3. Зависимость интенсивности изнашивания эпоксидных композиций на основе ОС-1 по бетону от скорости скольжения при различных наполнителях: 1-ПЭВП; 2-тальк; 3-без наполнителя; 4-графит; 5-железный порошок; 6-стекловолокно

Рисунок 4. Зависимость интенсивности изнашивания эпоксидных композиций на основе ОС-1 по бетону в присутствии влажной среды от скорости скольжения при различных наполнителях: 1-ПЭВП; 2-тальк, 3-без наполнителя, 4-графит, 5-железный порошок; 6-стекловолокно

Известно, что с увеличением скорости скольжения возрастает температура, которая приводит к существенным изменениям триботехнических характеристик полимерных материалов, снижая их механические и прочностные свой­ства. В условиях абразивного трения с увеличением температуры в контактной зоне должна увеличиваться и интенсивность изнашива­ния вследствие снижения твердости, что и наблюдается в наших исследованиях.

Аналогичные результаты наблюдаются в наших исследованиях (рис 4 и 5) Это отчетливо видно из сравнения результатов иссле­дований по износостойкости композиций в зависимости от скорости скажения, особенно наполненных полиэтиленом и железным порошком, сильно отличающи­мися по коэффициенту теплопроводности. Очевидно, по этой причине снижается интенсивность изнашивания компо­зиций, наполненных полиэтиленом, по сравнению с другими компози­циями и она практически мало зависит от скорости во влажной среде.

Таким образом, результаты исследования показывают, что интенсивность изнашивания эпоксидных композиций существенно зависит от условий эксплуатации технологической оснастки и форм и может быть определена механическими и тепло­физическими свойствами применяемого в оснастках материала.

При этом относительная абразивная износостойкость эпоксидных композиций в условиях жесткого и упруго-эластичного взаимодействия их с абразивами по характеру одинакова, а по величине отличается.

Заключение

Отмечено, что с увеличением давления интенсивность абразивного изнашивания эпоксидных композиций увеличивается независимо от условий взаимодействия трущихся тел и от вида материала, а с увеличением скорости растет в меньшей степени, особенно во влажной среде.

Установлено, что результаты проведенных исследований позволяют нам выбрать наиболее эффективные материалы для применения в формах с учетом их условий эксплуатации, что важно для повышения эффективности работы форм и прогнозирования их долговечности в процессе эксплуатации.

Установлено, что рабочие поверхности полимерной оснастки в процессе эксплуатации подвергаются воздействию значе­ний давления (0,05-0,15 и 0,02-0,05 МПа) и скорости (3-4 и 0,5­,6 м/с), разным по величине и по характеру действия в зависимос­ти от стадии технологического процесса формования изделий.

Список литературы:

1. Батяновский Э.И. Технология производства железобетонных изделий. Учебное пособие. Минск. «Высшая школа». 2019., 316 с.
2. Курочкин М.П. Прогрессивные технологии производства бетонных и железобетонных изделий. Вісник ПДАБА. №2 – 3 лютий– березень 2016., С. 92-96.
3. Думанский М.О., Александров В.М., Сытин В.И. Измерение твердости металлов и сплавов. – Архангельск, 2013. -18с