ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УПРОЧНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ИСКРОВОГО УПРОЧНЕНИЯ, НА ИХ СМАЧИВАЕМОСТЬ ВОДОЙ
Шустер Л.Ш., Чертовских С.В., Мигранов М.Ш. (УГАТУ, г. Уфа, РФ)
Possible mechanisms of interaction of water with a surface of the preparation processed by a method of spark hardening are considered. Results of 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 настоящее время использование воды в качестве смазочного материала для пар трения в двигателях внутреннего сгорания является актуальной темой, прежде всего с точки зрения соблюдения экологии [1]. В то же время необходимость снижения массы двигателей влечёт за собой замену традиционных материалов (чугуна, стали и т.п.) деталей и конструкций на лёгкие алюминиевые сплавы. С заменой традиционных материалов деталей, в том числе и пар трения, на алюминиевые сплавы приходится решать задачу повышения износостойкости, что возможно путем применения износостойких покрытий. Одним из новых направлений в нанесении упрочняющих износостойких покрытий на алюминиевые сплавы является метод искрового упрочнения (ИУ) [2].
Целью данной работы является исследование влияния свойств поверхности заготовки из алюминиевого сплава, обработанной методом ИУ, на её смачиваемость водой.
Рассмотрим возможные механизмы взаимодействия молекул воды с поверхностью заготовки, обработанной методом ИУ. Как известно [3], молекула воды биполярная: положительный заряд сконцентрирован в районе атомов водорода, а отрицательный в районе атомов кислорода. Характер взаимодействия молекул воды с поверхностью должен определяться знаком электрических зарядов, находящихся на поверхности заготовки. Если поверхность заготовки представляет собой металл, то молекулы воды ориентируется к ней своими электроотрицательными зарядами [4], т.е. атомами кислорода. При этом между молекулами воды и молекулами поверхности возникают ван-дер-ваальсовые силы притяжения, энергия связей которых незначительна (4,18 – 8,37 кДж/моль) [4]. Если на поверхности сосредоточены электроотрицательные элементы (обычно, наблюдается у неметаллов [4]), то молекула воды должна присоединяться к такой поверхности атомами водорода. Если неметаллическая поверхность содержит атомы кислорода и азота, то между этими атомами и атомами водорода молекулы воды должны возникнуть водородные связи. Энергия водородных связей (равная 29,9 – 33,49 кДж/моль) значительно превышает энергию ван-дер-ваальсовых взаимодействий [4].
Гипотеза: получаемое упрочненное покрытие на алюминиевых сплавах методом ИУ, имея неметаллическую основу, в основном состоящую из корунда и нитридов алюминия [2], способствует возникновению (за счет водородных связей) на поверхности адсорбированной плёнки воды, поверхностное натяжение на границе твёрдой и жидкой фазы уменьшается. Капля воды, в связи с этим, должна растекаться по поверхности упрочненного образца с меньшим краевым углом смачивания Q (т.е. смачиваемость водой улучшается), чем по металлической поверхности.
Рассмотрим влияние таких характеристик поверхности заготовок из Д16Т (без покрытия и с покрытием, полученного методом ИУ), как микротвёрдость и параметр шероховатости Ra на смачиваемость заготовок водой.
Полагаем, что с увеличением микротвёрдости модифицированной поверхности увеличивается доля неметаллической фазы (корунда и нитридов алюминия) [2] и, соответственно, увеличивается количество водородных связей между молекулами воды и молекулами упрочненной методом ИУ поверхности образца из Д16Т. Поэтому увеличение микротвёрдости УС на Д16Т должно способствовать улучшению смачиваемости его водой. Микрогеометрия (шероховатость) поверхности твердого тела тоже оказывает влияние на величину Q. Как известно [5], поверхности бывают гидрофильные и гидрофобные (Q больше нуля). Учитывая то, что на упрочненной поверхности нанесённая капля воды растекается не полностью, то данную поверхность, на основании [5], можно считать гидрофобной. Тогда увеличение шероховатости должно приводить к ухудшению смачиваемости [5], т.к. жидкости «трудно» проникать в углубления шероховатой поверхности.
Для подтверждения данных гипотез были проведены эксперименты по определению влияния параметра шероховатости Ra сплава Д16Т (без покрытия и с УС), микротвёрдости упрочнённого слоя на их смачиваемость водой. На пять исходных образцов из алюминиевого сплава Д16Т диаметром 32 мм и толщиной 4 мм (разная шероховатость поверхностей плоских сторон (Ra в пределах от 0,07 до 0,70 мкм, замерена на профилометре 170622) достигалась обработкой образцов наждачной бумагой различной зернистости) был нанесён УС методом ИУ в виде точек диаметром 5 - 7 мм. Параметр шероховатости Ra УС на сплаве Д16Т также замерялся на профилометре (диапазон Ra: от 0,34 до 0,80 мкм). Затем определялась смачиваемость этих материалов питьевой и дистиллированной водой. Опыты проводились при температуре окружающей среды 22° С с использованием диапроектора «ФЭД-Этюд». Перед нанесением капли жидкости поверхность образца каждый раз обезжиривалась при помощи ацетона и просушивалась в течение 20 секунд. Предварительно выждав 10-20 секунд (пока капля растечется), образец ставился на платформу между линзами, и очертания капли проектировались через диапроектор на вертикальную поверхность и фиксировались на листе бумаги. Замерялся краевой угол смачивания. Результаты эксперимента представлены ниже в виде графиков (рис. 1, 2, 3).
Из графиков видно, что с увеличением Ra смачиваемость питьевой и дистиллированной водой ухудшается, т.к. Q увеличивается. Из рис. 3 видно, что Q, получаемые при нанесении капли воды на поверхность Д16Т с УС, полученным методом ИУ, меньше, чем на Д16Т без покрытия (т.е. Д16Т с УС лучше смачивается водой, чем сплав алюминия Д16Т без покрытия). Это подтверждает гипотезу об образовании водородных связей между атомами водорода молекул воды и кислородом, которым насыщена поверхность.
Рисунок 1- Зависимость краевого угла смачивания Q упрочнённого слоя, полученного методом ИУ на Д16Т от параметра шероховатости Ra
Рисунок 2- Зависимость краевого угла смачивания Q Д16Т без покрытия от параметра шероховатости Ra
Рисунок 3- Сравнение смачиваемости дистиллированной водой образцов из Д16Т, упрочненного методом ИУ, и из Д16Т без покрытия
Для определения влияния микротвердости поверхности на смачиваемость ее водой использовали исходный образец в виде кольца (диаметром 67 мм, шириной 3,5 мм), изготовленного из алюминиевого сплава Д16Т. На этот образец наносился УС методом ИУ в среде воздуха. От кольца были отрезаны образцы длиной 1,5 см с нанесённым упрочнённым покрытием и проведены замеры параметра шероховатости Ra и микротвёрдости. Затем были выбраны образцы с приблизительно равной шероховатостью (Ra = 2,9 мкм), но с разной микротвёрдостью (диапазон: от 3,1 до 11,7 ГПа), и проведен эксперимент по определению смачиваемости образцов из Д16Т с УС дистиллированной водой. Опыты проводились при температуре окружающей среды 22° С при помощи диапроектора «ФЭД-Этюд». Результаты эксперимента представлены в виде графика (рис. 4).
Рисунок 4- Зависимость краевого угла смачивания Q Д16Т, УС дистиллированной водой от микротвёрдости
Как видно из рис. 4, с увеличением микротвёрдости УС, полученного методом ИУ на Д16Т, смачиваемость дистиллированной водой улучшается.
Выводы:
- с увеличением шероховатости смачиваемость питьевой и дистиллированной водой алюминиевого сплава Д16Т с модифицированным покрытием, полученным методом ИУ, и без покрытия ухудшается;
- упрочнённый слой, полученный методом ИУ на Д16Т, намного лучше смачивается водой, чем алюминиевый сплав Д16Т без покртия;
- с увеличением микротвёрдости УС на Д16Т смачиваемость его дистиллированной водой улучшается.
При финансовой поддержке Минобразования РФ в форме гранта А03-3.18-470.
Литература
1. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт. 1985.
2. Дударева Н.Ю. Поршневое кольцо из алюминиевого сплава для ДВС. Автореферат дис.… канд. техн. наук. – Уфа, 1999.
3. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. – М.: МГУ, 1987. - 170 с.
4. Хебда М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехнике. Том 1, 2. М.: Машиностроение. 1989.
5. Зимон А.Д. Адгезия жидкостей и смачивание. – М.: Химия, 1974. – 413 с.