Исследование теплофизических свойств металлокерамических спеченных фрикционных материалов на основе меди тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Киляшов Артемий Александрович

• Киляшов Артемий Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Киляшов Артемий Александрович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Состояние вопроса по исследованиям теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов

1.1 Исходные сведения о физических свойствах и особенностях эксплуатации фрикционных материалов

1.2 Обзор экспериментальных методов и приборов, предназначенных для ислледований теплофизических свойств твердых материалов

1.3 Обзор аналитических методов исследований теплофизических свойств композиционных материалов

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Материалы и методы экспериментальных исследований теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов

2.1 Исследуемые образцы и составы фрикционных материалов

2.2 Экспериментальные исследования удельной теплоемкости фрикционных материалов методом дифференциальной сканирующей калориметрии

2.2.1 Описание и основные сведения о дифференциальной сканирующей калориметрии

2.2.2 Описание дифференциального сканирующего калориметра NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix

2.2.3 Методика экспериментальных исследований удельной теплоемкости фрикционных материалов методом ДСК

2.3 Экспериментальные исследования температуропроводности фрикционных материалов методом лазерной вспышки

2.3.1 Описание и основные сведения о методе лазерной вспышки

2.3.2 Описание прибора NETZSCH LFA 457 Micro Flash

2.3.3 Методика экспериментальных исследований температуропроводности фрикционных материалов методом ЛВ

2.4 Экспериментальные исследования теплопроводности и температуропроводности фрикционных материалов методом нестационарного плоского источника теплоты (TPS)

2.4.1 Описание и основные сведения о методе нестационарного плоского источника теплоты

2.4.2 Описание анализатора термических констант Hot Disk TPS 2500S

2.4.3 Методика экспериментальных исследований теплопроводности и температуропроводности фрикционных материалов методом нестационарного источника теплоты

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов

3.1 Результаты исследований удельной теплоемкости методом дифференциальной сканирующей калориметрии

3.2 Результаты исследования температуропроводности методом лазерной вспышки

3.3 Результаты исследования теплопроводности расчетным способом

3.4 Результаты исследований теплопроводности и температуропроводности методом нестационарного плоского источника теплоты

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Аналитические исследования теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов

4.1 Исследования микроструктуры образцов спеченных фрикционных материалов

4.2 Аналитические исследования удельной теплоемкости образцов спеченных фрикционных материалов

4.3 Аналитические исследования эффективной теплопроводности спеченных оловянных бронз

4.4 Аналитические исследования эффективной теплопроводности образцов фрикционных материалов, содержащих углеродные наполнители

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Фрикционные устройства такие как тормозные системы, муфты сцепления, коробки передач, устройства передачи крутящего момента являются неотъемлемой частью современных машин авиационного, автомобильного, железнодорожного транспорта, сельскохозяйственной, строительной, тракторной техники. Для обеспечения их работы применяются фрикционные материалы.

Особенностью эксплуатации фрикционных материалов является замыкание пар трения при высоких скоростях скольжения, что сопровождается интенсивным выделением теплоты. Это приводит к мгновенному повышению температуры на контактных поверхностях, которая в высоконагруженных механизмах может достигать 1000-1200 °С, например, в тормозах самолетов. Чрезмерно высокие температуры оказывают негативное влияние на эффективность работы фрикционного узла. В результате нагрева появляется градиент температуры, наличие которого провоцирует возникновение термических напряжений и деформаций в поверхностном слое материала из-за которых он разрушается, а также изнашивается.

Сегодня в тяжелонагруженных узлах трения широко применяются спеченные фрикционные материалы, которые изготавливаются методами порошковой металлургии. Данная технология позволяет создавать изделия с гетерогенной структурой из металлических и неметаллических компонентов. Варьирование химическим составом в широких пределах позволяет создавать материалы с заданным сочетанием свойств.

Данные о теплофизических характеристиках фрикционных материалов являются необходимым звеном для прогнозирования срока их службы и

эффективности работы. Они также требуются для моделирования и анализа тепловых режимов, возникающих в процессе контактного взаимодействия фрикционных систем при заданных эксплуатационных условиях.

В основном исследования новых составов спеченных фрикционных материалов направлены на изучение их физико-механических и трибологических свойств, но комплексные исследования их теплофизических свойств в широкой области температур до сих пор не проводились. Поэтому в настоящее время вопрос влияния компонентного состава спеченных фрикционных материалов на основе меди на их теплофизические характеристики в широкой области температур представляет собой актуальную проблему.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплофизических свойств металлокерамических спеченных фрикционных материалов на основе меди»

Цель работы

Экспериментальные и аналитические исследования комплекса теплофизических свойств спеченных фрикционных металлокерамических материалов на основе меди в широкой области температур в зависимости от их компонентного состава.

Задачи работы

1) Провести обзор и анализ современного состояния по исследованиям теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов с учетом технологий их производства.

2) Выполнить анализ экспериментальных и аналитических методов исследований теплофизических свойств твердых материалов, а также существующих приборов для измерений комплекса теплофизических характеристик исследуемых образцов.

3) Провести комплексные экспериментальные исследования физических и теплофизических свойств (плотности, удельной теплоемкости,

температуропроводности и теплопроводности) фрикционных материалов в интервале температур от минус 65 °С до 145 °С.

4) Осуществить микроскопический анализ формы, морфологии поверхности частиц исходных компонентов и структуры спеченных образцов.

5) Провести аналитические исследования теплофизических свойств изучаемых материалов.

6) Сопоставить полученные результаты экспериментальных и аналитических исследований.

Научная новизна работы

Впервые определены температурные зависимости теплофизических свойств (удельная теплоемкость, температуропроводность,

теплопроводность) спеченных фрикционных материалов на основе оловянистой бронзы в зависимости от добавления порошков графита марок ГК-1, ГЭ-1, литейного кокса, железа, титана, величины пористости, гранулометрического состава исходных порошков, а также процентного содержания олова в диапазоне температур от минус 65 °С до 145 °С.

Теоретическая и практическая значимость работы

1) Полученные в работе результаты исследований теплофизических свойств могут быть полезны специалистам в области трибологии и позволят обоснованно подходить к выбору фрикционных материалов для конкретных применений.

2) Результаты исследований могут быть использованы для проектирования и моделирования режимов работы фрикционных механизмов техники нового поколения.

3) Результаты, полученные в данном исследовании, способствуют расширению представлений о свойствах спеченных фрикционных материалов

на основе меди, а также могут быть полезны науке и технике для определения новых направлений развития и сфер их применения.

Положения, выносимые на защиту

1) Наличие в составе фрикционного материала на основе спеченной оловянистой бронзы (БрО12) углеродных порошков, независимо от их марки, приводит к увеличению удельной теплоемкости и снижению теплопроводности, температуропроводности итогового состава.

2) Увеличение пористости основы спеченного фрикционного материала на основе оловянистой бронзы (БрО12) с 10,0 % до 20,0 % приводит к снижению коэффициента теплопроводности в 1,11 раза.

3) Увеличение количества олова с 6,0 мас. % до 12,0 мас. % в составе спеченного фрикционного материала на основе меди приводит к уменьшению его теплопроводности в 1,35 раза.

4) При содержании олова 6,0 % и 12,0 %, а также пористости 10 % и 20 % в составе спеченной оловянной бронзы расхождение между значениями эффективной теплопроводности, полученными из расчета и эксперимента составляет 1,5-19,5 %.

5) Для спеченных фрикционных материалов на основе 12,0 % оловянной бронзы с углеродными наполнителями результаты расчета эффективной теплопроводности с помощью теоретических моделей дают значения в 2,0-2,5 раза выше относительно экспериментальных вне зависимости от марки углеродного наполнителя.

6) Расчетным способом по известным аналитическим методикам определена теплопроводность сплава оловянной бронзы в зависимости от с массовой доли олова по известному из эксперимента значению эффективной теплопроводности. Так вычисленная теплопроводность сплава оловянной бронзы с содержанием олова 6,0 % (БрО6) равна 54,4 Вт/(м-К). При

содержании олова в сплаве бронзы 12,0 % (БрО12) его теплопроводность находится в диапазоне от 39,7 до 42,1 Вт/(м-К).

Апробация работы

Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) 16-я Международная конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (г. Минск - 2024 г.)

2) XVII Минский международный форум по тепломассообмену (г. Минск - 2024).

3) «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Университет ИТМО - 2023).

4) XII Конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО - 2023).

5) ЬХ1Х Научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин «Научно-технические проблемы полной локализации производства и технического обслуживания стационарных газотурбинных установок в РФ» (г. Санкт-Петербург, АО «Невский Завод» - 2022).

6) Научно-техническая конференция с международным участием "Техника низких температур в условиях новой парадигмы энергетического перехода" (Университет ИТМО - 2022).

7) X Международная Научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Университет ИТМО - 2021).

8) VI Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Университет ИТМО - 2021).

9) Х Конгресс молодых ученых (Университет ИТМО - 2021).

10) Научно-техническая конференция с международным участием «Трансформации низкотемпературных энергосистем в контексте экологического глобализма» (Университет ИТМО - 2021).

Достоверность научных достижений

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается: использованием известных методов исследований теплофизических свойств; применением поверенных и аттестованных приборов для проведения экспериментальных исследований; результатами градуировки используемых приборов на эталонных образцах; повторяемостью и воспроизводимостью результатов исследований с рекомендованной достоверностью для теплофизических измерений; применением современных методик сбора и обработки информации, полученных в ходе экспериментальных исследований; математической обработкой результатов экспериментальных исследований с использованием современных компьютерных программ.

Внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены на предприятии ООО «ЦТТ "Энергоэффективность. Биотехнологии. Инновации"» в рамках выполнения НИОКР по изготовлению опытного образца автоматизированного прибора для измерений теплофизических характеристик композиционных материалов.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс Университета ИТМО при подготовке магистров по направлению подготовки 16.04.03 "Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения" в лекционные материалы и практические занятия дисциплин «Теплофизические свойства веществ» и «Физика низких температур».

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 работах, из которых 2 работы индексируются в международных базах данных Scopus и Web of Science, 1 работа в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 работы в изданиях, индексируемых в базах данных РИНЦ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, списка иллюстративного материала и приложений. Основная часть работы изложена на 276 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков и 8 таблиц. Список использованной литературы содержит 171 наименование.

Содержание работы

Введение

Обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов исследования, описаны научные положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность полученных результатов. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Глава 1

Узлы трения играют важную роль во многих отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая техника, сельское хозяйство, железнодорожный транспорт и др. От эффективности этих механизмов во многом зависит надежность, срок службы и безопасность

машин. К таким механизмам относятся подшипники, устройства передачи крутящего момента, различные передаточные механизмы, муфты сцепления, тормозные системы и др. В процессе эксплуатации они подвергаются различным нагрузкам и воздействиям, таким как механические, тепловые, химические, что приводит к их износу и потере работоспособности.

Применение новых материалов и технологий позволяет улучшить характеристики узлов трения и повысить их долговечность. Это способствует повышению надёжности, срока службы и безотказность, снижения вредного воздействия на окружающую среду, а также снижению затрат на обслуживание и ремонт оборудования.

В связи с тем, что в процессе фрикционного взаимодействия происходит выделение теплоты и материалы могут испытывать различные тепловые нагрузки. В зоне контакта при торможении температура материала может достигать 1000 °С на поверхности и 500-600 °С - в его объеме.

В настоящее время широкую популярность обрели порошковые спеченные фрикционные материалы. Их изготовление осуществляется с помощью высокопроизводительной технологии порошковой металлургии. Получаемые спеканием порошков металлокерамические фрикционные композиционные материалы включают в себя металлы и неметаллы, которые существенно различаются по своим свойствам. Каждому компоненту в его составе приписывается свое функциональное назначение. Металлические компоненты служат для придания высокой прочности и теплопроводности, а неметаллические - для придания фрикционных свойств.

Влияние добавок на свойства порошковых изделий носит сложный характер. В зависимости от марок, гранулометрического состава исходных порошков теплофизические свойства могут меняться в широких пределах, к тому же играет роль их зависимость от температуры. Таким образом, исследование теплофизических свойств эксплуатируемых и вновь созданных материалов является актуальной проблемой современной техники.

К основному перечню теплофизических характеристик (ТФХ) веществ относятся следующие: теплопроводность X, температуропроводность а, удельная с и объемная теплоемкости ср, тепловая активность е. В общем случае теплофизические свойства тел могут изменяться в широких пределах в зависимости от температуры, давления, агрегатного состояния вещества, его структуры и ряда других факторов.

Теплофизическими измерениями принято называть обширный раздел теплофизики, занимающейся измерениями теплопроводности X, теплоемкости с, температуропроводности а веществ. Вплотную к нему примыкают тепловые измерения, включающие в себя калориметрию и теплометрию. В совокупности они опираются на термометрию как на фундамент, без которого невозможно экспериментальное изучение ни одного теплового явления.

Одним из существенных достижений в области теплофизических измерений является теория регулярного теплового режима, основы которой заложил известный советский теплофизик Г.М. Кондратьев. Теория регулярного режима возникла и развивалась из требований практики начиная с 1928 г. и была завершена к 50-м годам прошлого столетия. На начальном этапе она была использована для создания нового класса нестационарных методов изучения ТФХ вблизи комнатной температуры. Разработанные на ее базе теплоизмерительные установки отличались простотой, доступностью и относительным быстродействием, поэтому широко стали использоваться в различных теплотехнических лабораториях.

В 60-70-е годы прошлого века Е.С. Платунов, В.П. Курепин, С.Е. Буравой разработали аналитическую нелинейную теорию измерений ТФХ в режиме монотонного нагрева-охлаждения и осуществили широкое практическое внедрение этих методов, которые впоследствии стали называться динамическими (скоростными) методами.

Композиционные материалы представляют собой сложные многофазные гетерогенные структуры, теплопроводность которых зависит от множества факторов. Одной из важных тепловых характеристик таких

материалов является эффективная теплопроводность Хэф. Она может быть определена экспериментальными, аналитическими и численными методами. Однако для использования аналитических зависимостей необходимо иметь данные о свойствах исходных компонент матрицы и наполнителя, их объемной концентрации, а также о типе образуемой ими структуры - дисперсная, волокнистая, взаимопроникающие компоненты и др.

Анализ известных теоретических зависимостей прогнозирования эффективной проводимости гетерогенных структур показывает, что существующие модели являются сильно упрощенными моделями реальных сред. Многие из них не учитывают размер частиц наполнителя, их пространственную ориентацию и межфазное тепловое сопротивление, что отражается на точности даваемых ими результатов. Те модели, которые учитывают упомянутые факторы, требуют большего объема исходных данных для расчета, что усложняет их применимость.

До сих пор не существует универсальных моделей, которые могли бы точно описать свойства широкого круга гетерогенных материалов. Тем не менее известные на сегодняшний день аналитические методики расчета могут использоваться для приближенной оценки эффективных переносных свойств композитных материалов в зависимости от их компонентного состава.

Глава 2

В главе представлены составы исследуемых материалов и методики экспериментальных исследований.

Для исследований теплофизических свойств образцы фрикционных материалов изготовлены методом порошковой металлургии. В качестве исходных порошков были использованы: порошок меди ПМС-1 со средним размером частиц 80 мкм; олова марки ПО-1 со средним размером частиц 30 мкм; графит элементный марки ГЭ-1 с размером частиц 70-110 мкм; графит карандашный марки ГК-1 со средним размером частиц 7-10 мкм; кокс литейный со средним размером частиц 60 мкм; железа марки ПЖРВ 3.200;

свинца марки ПС-1; титана марки Т1111-7. Полученные составы образцов фрикционных материалов приведены в таблице 1. Смесь исходных порошков прессовалась в специальной технологической оснастке, позволяющей получить образцы в форме дисков диаметрами 25,4 мм (образцы 1-6) и 35,0 мм (образцы 7-11), толщинами 2,5 мм и 15,0 мм, соответственно Плотность образцов определена методом гидростатического взвешивания их при погружении в дистиллированную воду.

Таблица 1 - Составы исследуемых фрикционных материалов

№ образца Плотность кг/м3 Обозначение состава Состав фрикционного материала

1 7106 БрО12 88,0 мас. % - Медь (основа); 12,0 мас. % - Олово.

2 6179 БрО12 + (ГЭ-1) 70,0 об. % - БрО12 (основа); 30,0 об. % - Графит элементный марки ГЭ-1 (70-110 мкм).

3 6080 БрО12 + (ГК-1) 70,0 об. % - БрО12 (основа); 30,0 об. % - Графит карандашный марки ГК-1 (7-10 мкм).

4 5144 БрО12 + (Кокс) 70,0 об. % - БрО12 (основа); 30,0 об. % - Порошок кокса литейного (< 63 мкм).

70,0 мас. % - Медь (основа); 9,0 мас. % - Олово;

5 6429 МК-5 9,0 мас. % - Свинец; 4,0 мас. % - Железо; 7,0 мас. % - Графит.

6 5564 БрО12+ ГЭ-1 + 35,0-36,0 об. % - БрО12 (основа); 30,0 об. % - Железо;

Бе 34,0-35,0 об. % - Графит элементный марки ГЭ-1 (70-110 мкм).

7 - БрО12 (П 10 %) 88,0 мас. % - Медь (основа); 12,0 мас. % - Олово; Пористость П 10,0 %.

8 - БрО12 (П 20 %) 88,0 мас. % - Медь (основа); 12,0 мас. % - Олово; Пористость П 20,0 %.

9 - БрО6 88,0 мас. % - Медь (основа); 6,0 мас. % - Олово; Пористостью П 10,0 %.

10 - БрО12 + Бе 70,0 мас. % - БрО12 (основа); 30,0 мас. % - Железо; Пористость П 10,0 %.

11 - БрО12 + Т 70,0 мас. % - БрО12 (основа); 30,0 мас. % - Титан; Пористость П 10,0 %.

Экспериментальные исследования удельной теплоемкости образцов 1-6 (таблица 1) выполнены методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Методика экспериментальных измерений удельной теплоемкости исследуемых фрикционных материалов на калориметре DSC 204 F1 Phoenix включала в себя 4 этапа:

1) Задание температурной программы измерений. В настоящей работе исследуемые образцы нагревались и охлаждались со скоростью 10 К/мин в интервале температур от минус 60 °С до 145 °С в режиме монотонного изменения температуры. Газообразный азот N2 использовался в качестве защитного и продувочного газа при расходах 50 мл/мин и 20 мл/мин, соответственно;

2) Холостой опыт - определение базовой линии (коррекция);

3) Калибровка по эталонному образцу;

4) Измерение исследуемого образца фрикционных материалов.

Экспериментальные исследования температуропроводности образцов

1-6 (таблица 1) выполнены методом лазерной вспышки. Для исследования температуропроводности фрикционных материалов использовались образцы в форме дисков диаметром d = 25,4 мм, толщиной h = 2,5 мм. Измерения температуропроводности на приборе LFA 457 проводились на образцах составов 1-6.

Методика измерения коэффициента температуропроводности на установке LFA 457 Micro Flash включала в себя следующую последовательность:

1) В соответствии с заданным температурным диапазоном от минус 60 °С до 140 °С задавалась температурная программа для измерения коэффициента температуропроводности фрикционных материалов.

2) Задавалась скорость нагрева/охлаждения образцов. В данном эксперименте её величина составляла 2 К/мин. В качестве продувочного газа применялся газообразный азот N2 с расходом 100 мл/мин.

3) Задавались геометрические параметры образцов: диаметр, толщина.

4) Перед началом испытаний на образцы наносился тонкий слой графита для повышения степени черноты его поверхностей.

5) Задавался температурный шаг диапазона исследований. В данном эксперименте температурный шаг между измерениями составлял 10 °С в интервале от минус 60 °С до 20 °С и 20 °С в интервале от 20 °С до 140 °С. На каждом температурном шаге выполнялось термостатирование образца и не менее трех измерений коэффициента температуропроводности.

6) Для повышения надежности результатов измерений ход выполнения эксперимента контролировался с помощью эталонного образца, в качестве которого использовалось чистое железо. На каждом температурном шаге выполнялось измерение температуропроводности эталона.

Экспериментальные исследования теплопроводности и температуропроводности образцов 7-11 (таблица 1) выполнены методом нестационарного плоского источника теплоты (TPS) с помощью анализатора теплофизических констант Hot Disk TPS 2500S. Методика измерений теплопроводности и температуропроводности методом TPS состояла из следующих этапов:

1) Подготовка образцов. Для экспериментальных исследований теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов были использованы образцы в форме цилиндров диаметром d = 35,0 мм и толщиной h = 15,0 мм.

2) Выбор датчика. В данных исследованиях использовался датчик горячего диска Kapton 5501 F1 с радиусом 6,403 мм.

3) Тепловая мощность и время измерения. После проведения ряда предварительных опытов для основных измерений в зависимости от состава образцов и температуры испытания была установлена мощность нагревателя в диапазоне 0,6-1,9 Вт, а время измерения - от 2 до 3 сек.

4) Составление программы эксперимента. В соответствии с заданными требованиями составлялась температурная программа испытаний образцов. В

данном исследовании исследуемый диапазон температуры составил 20-100 °С с шагом 20 °С.

5) Обработка результатов эксперимента.

Глава 3

В настоящей главе приведены результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов на основе меди в диапазоне температур от минус 60 °С до 145 °С.

На рисунке 1 представлены зависимости удельной теплоемкости образцов 1-6 (таблица 1) от температуры, полученные методом дифференциальной сканирующей калориметрии.

500

460

440

420

У

ц

^

К С1

'400

360

340

320

• / у 1А

Л' А" П

. 1 У + 4

п А 4 ♦ А

ч 0 Г1

Л Д д4 л' ,п<

Д кА' ..... *•* >•<

А' л ос ..... •'

81 ¡8' Iе

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

°С

• 1 - (Бр012) Ш2 - (Бр012 + ГЭ-1) АЗ - (Бр012+ГК-1)

♦ 4 - (БрСМ2+кокс) 05 - (МК-5) Д6 - (Бр012 + ГЭ-1+Ее)

Рисунок 1 - Температурные зависимости удельной теплоемкости с (?)

образцов 1-6

Изображенный на рисунке 1 график показывает, что удельная теплоемкость образцов фрикционных материалов на основе оловянистой

бронзы (12,0 мас. % Sn) при росте их температуры находится в диапазоне от 327,6 до 495,4 Дж/(кгК).

Наличие в составе фрикционного материала графитсодержащих порошков, независимо от их марки, ведет к увеличению удельной теплоемкости в среднем до 22,0 % относительно основы - спеченной бронзы с содержанием олова 12,0 мас. %. Максимальное значение удельной теплоемкости достигается в случае добавления в состав фрикционного материала порошков 30,0 об. % графита и 35,0 об. % железа. Зависимость удельной теплоемкости от температуры c (t) образцов 2-6 является более выраженной по сравнению с образцом 1 (БрО12).

В результате обработки экспериментальных данных, полученных методом ДСК, по итогу трехкратных измерений в режимах нагрева и охлаждения, расширенная неопределенность измерений удельной теплоемкости составила менее 5,5 %.

Коэффициенты температуропроводности образцов 1 -6 (таблица 1) были измерены методом лазерной вспышки на приборе Netzsch LFA 457 Micro Flash в интервале температур от минус 60 °С до 140 °С. Результаты эксперимента в виде графических зависимостей представлены на рисунке 2.

Как показал эксперимент, наиболее высоким коэффициентом температуропроводности в интервале от 20 °C до 140 °C обладает образец 1 - чистая спеченная бронза (БрО12). В интервале температур от минус 60 °С до 0 °С наиболее высокую температуропроводность имеет образец 6 (БрО12+ГЭ-1+Fe) содержащий железо и графит. Для этих 2-х образцов наблюдается самая резкая зависимость a (t). При наличии в составе фрикционного материала порошка литейного кокса (образец 4) температуропроводность принимает самое наименьшее значение.

Присутствие в составе материала порошков кристаллических графитов ГЭ-1 и ГК-1 (образцы 2 и 3, соответственно) приводит к примерно одинаковому значению температуропроводности и к практически отсутствию её зависимости от температуры.

• •

д • •

Л д д Д • д д * . •

В А < • " г * I ж 5 1 ! л л ж А А

■ ПШиииипц » « _ по а @ п □ □ □ _О О ^ п ^ ~ Д

о О и и и о о 6 г 3 2

* ♦ 1

_1 ♦_ ♦ . , ♦ 1 ♦ 1 ; ► |

•

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

I, °С

• 1 - (Бр012) П2 - (Бр012 + ГЭ-1) АЗ - (Бр012+ГК-1)

4 - (Бр012+кокс) О5 - (МК-5) Д6 - (Бр012 + ГЭ-1+Ре)

Рисунок 2 - Температурные зависимости температуропроводности а (?)

образцов 1-6

Экспериментальные данные на рисунке 2 указывают на то, что наличие железа в бронзовой основе (образец 6) приводит к снижению температуропроводности фрикционного материала с ростом температуры.

В ходе обработки экспериментальных данных измерений температуропроводности методом лазерной вспышки была рассчитана расширенная неопределённость измерений, величина которой не превышает 5,0 %.

Для нахождения коэффициента теплопроводности фрикционных материалов 1-6 (таблица 1) использовалось соотношение

Я = а • с • р, (1)

где X - коэффициент теплопроводности, а - коэффициент температуропроводности, с - удельная теплоемкость, р - плотность.

В качестве входящих в уравнение величин были приняты результаты измерения удельной теплоемкости, полученные методом ДСК, температуропроводности, полученные методом лазерной вспышки и плотности, приведенные в таблице 1 . Результаты расчета коэффициента

теплопроводности образцов 1-6 в зависимости от температуры обобщены на рисунке 3.

•

• • • •

1 л Л • • • • • > ? д д д 1111

Ф • ' I А ' А © ( 1 5 Е к, А * А А А А 3 § 8 0 9 о 0 Ё а В £

о

• III

♦ " . ♦ | ♦ | '

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

I, °С

• 1 - (Бр012) □2-{Бр012 + ГЭ-1) АЗ - (Бр012+ГК-1)

4 - (БрО 12+кокс) 05 - (МК-5) Дб - (Бр012 - ГЭ-1+Ре)

Рисунок 3 - Температурные зависимости теплопроводности X (?)

образцов 1-6

Самой высокой теплопроводностью при температуре от минус 10 °С до 140 °С обладает образец 1 - спеченная бронза (БрО12).

Наименьшую величину теплопроводности имеет состав образца 4 (БрО12 + кокс), в котором содержится порошок литейного кокса - 7,6 Вт/(мК) и 12,1 Вт/(мК) при минус 60 °С и 140 °С, соответственно. Такое значение коэффициента теплопроводности обусловлено тем фактом, что литейный кокс имеет аморфное строение. Напротив, структура порошков графита марок ГЭ-1 и ГК-1 является кристаллической, в связи с чем теплопроводность образцов 2 (БрО12 + ГЭ-1) и 3 (БрО12+ГК-1) имеет более высокую величину.

Стоит отметить, что значения теплопроводности составов 2, 3, 5, 6 находятся довольно близко друг к другу на графике (рисунок 3). Однако в области температур от минус 60 °С до минус 20 °С теплопроводность

образца 6 принимает более высокое значение, чем образца 1. Такой результат можно объяснить тем, что в области температур ниже минус 10 °С образец 6 имеет более высокую температуропроводность, чем образец 1.

Теплопроводность образцов 2 и 6 с добавками к медной основе только графита, а также графита вместе с железом, соответственно, имеет различные значения. В области температур близкой к минус 60 °С теплопроводность образца 6 выше, чем у состава 2 на 24,6 % и практически становится одинаковой при температуре близкой к 100 °С.

В ходе обработки экспериментальных данных теплопроводности, полученных расчетным методом, расширенная неопределённость измерений составила менее 10,5 %.

На рисунке 4 представлены результаты экспериментальных исследований теплопроводности образцов спеченной оловянистой бронзы БрО12 (образцы 7 и 8) с различной пористостью, а также образца 9 (БрО6) с содержанием олова 6,0 мас. %, полученные методом нестационарного плоского источника теплоты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Киляшов Артемий Александрович, 2024 год

Литература

1. Попов В. М. теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.., Энергия, 1971, 216 с.

2. Бессонный Е. А. Теория и методы измерения теплового контактного сопротивления в биметаллических теплообменных трубах: специальность 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Бессонный Евгений Анатольевич, Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. - Санкт-Петербург. 2005 - 16 с. Текст: непосредственный.

3. Баранов И. В. Теория, методы и средства комплексного исследования теплофизических свойств в режиме разогрева-охтаждения: специальность 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Баранов Игорь Владимирович ; ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - Санкт-Петербург. 2007. - 334 с. - Библиогр.: с. 220 - 304. - Текст : непосредственный.

(10)

(11)

Выводы

Выполнены измерения теплофизических характеристик фрикционных материалов на основе бронзы с 12% олова и добавлением 30 об.% углеродсодержащей добавки в виде порошка графита марки ГК-1 фракцией 7-10 мкм и порошка кокса литейного фракциейменее 63 мкм. В результате пожжены температурные зависимости удельной теплоёмкости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температуропроводности указанных материалов в диапазоне от 20 °С до 100 °С.

Литература

1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия // М., «Металлургия». 1980. 496 с.

2. Watson E.S., O'neill M.J.. Justin J. & Brenner N. A Differential Scanning Calorimeterfor Quantitative Differential Thermal Analysis // Analytical Chemistry. 1964. № 36(7). p. 12331238.

3. Parker W.J., Jenkins R..T., Butler C.P. & Abbott G.L. Flash method of detemiiniiigthermal diffusivity, heat capacity, and thermal conductivity // Journal of applied physics. 1961. №32 (9). p. 1679-1684.

4. He Y. Rapid thermal conductivity measurement with a hot disk sensor: Part 1. Theoretical considerations // Thermochimica Acta. 2005. № 436 (1-2). p. 122-129.

УДК 536.2.081.7

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛ ОКЕРАМИЧЕ С КИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОЛОВЯННСТОЙ БРОНЗЫ С ДОБАВЛЕНИЕМ ПОРОШКОВ ГРАФИТА ГК 1 И ЛИТЕЙНОГО КОКСА

A.B. Асяч1, A.A. Кнляшов1, В.А. Крылов1, A.B. Лешок' Научный руководитель — д.тл., профессор ИВ. Баранов1

1 - Университет ИТМО 2 — Институт: порошковой металлургии имени академика ОБ, Романа

Введение

Развитие современного машиностроения сопровождается постоянным повышением требований к эксплуатационным показателям узлов и агрегатов технических изделий, Для удовлетворенна возрастающих потребностей создаются новые типы материалов и совершенствуются технологии их изготовления. Одной из передовых технологий является порошковая металлургия, с помощью которой имеется возможность создавать различные материалы с необходимыми свойствами. Такие изделия из-за своих уникальных параметров широко используются в разных сферах машиностроения [1],

Для работы в условиях трения со смазкой применяются фрикционные порошковые материалы на основе оловянистой бронзы. Они обладают высокой износостойкостью и теплопроводностью, Создание новой техники невозможно без наличия информации о их тепло физических характеристиках, таких как удельная теплоемкость., коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, Таким образом, сведения о тепловых свойствахматериалов являются необходимым звеном в процессе проектирования техники отвечающей современным требованиям промышленности.

Основная часть

Улучшение свойств материалов возможно путем использования добавок различного состава. В настоящей работе исследованы теплофизические характеристики фрикционных материалов на основе бронзы с 12% олова с добавлением 30 об.% углерод содержащей добавки в виде порошка графита марки ГК-1 фракцией 7-10 мкм (состав 1) и порошка кокса литейного фракцией менее 63 мкм (состав 2) в температурном диапазоне -от20сСдо100сС.

Измерения теплофизичесхих характеристик осуществлялись двумя различными путями.

В первом случае удельная теплоемкость образцов измерялась методом дифференциальной сканирующей калориметрии [2] на установке фирмы Netzscli (Германия) DSC 204 Phoenix Fl: коэффициент температуропроводности измерялся методом лазерной вспышки [3] на установке LFA 457 Microflash (Netzteil. Германия): плотность образцов — методом гидростатического взвешивания: коэффициент теплопроводности получен расчетным способом.

Во втором случае измерения теплофизических характеристик выполнялись методом плоского источника тепла [4] на анализаторе термических констант «Hot Disk TPS 2500S» (Швецця), Данный метод позволяет получить по результатам одного измерения значения объемной теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности образца.

Выводы

Выполнены измерения тепло физических характеристик фрикционных материалов на основе бронзы с 12% олова и добавлением 30 об,% углеродсо держа щей добавки в виде порошка графита марки ГК-1 фракцией 7-10 мкы и порошка кокса литейного фракциеймепее 63 мкм. Б результате получены температурные зависимости удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температуропроводности указанных материалов в диапазоне от 20 °С до 100 °С.

Литератора

1. Кипарисов С.С., Jin йен сон Г.А, Порошковая металлургия М.. «Металлургия». 1980. 496 с.

2. Watson E.S., O'neill M.J., Justin J. Sz Brenner N. A Differential Scanning Calorimeter for Quantitative Differential Thermal Analysis // Analytical Chemistry. 1964. № 36(7), p. 12331238.

3. Parker W.J.. Jenkins R.J., Butler CP. & Abbott G.L, Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity7, and thermal conductivity Journal of applied physics. 1961. №32 (9). p. 1679-1684.

4. He Y. Rapid tliemial conductivity measurement with a hot disk sensor: Part 1. Theoretical considerations i Tbermochimica Acta. 2005. № 436 (1-2). p. 122-129.