ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В данном исследовании изучается влияние ключевых рабочих параметров (нагрузки, скорости скольжения и пути скольжения) на поведение в условиях изнашивания композиционных материалов, изготовленных из 40 % стекловолокна и полифениленсульфида (PPS) с различным процентным содержанием бентонитовой глины по весу. Основная цель работы заключалась в оценке того, как различные экспериментальные условия влияют на характеристики изнашивания. Для достижения этой цели проводили эксперименты с использованием ортогональной матрицы L9 в соответствии с методом Тагучи при трех уровнях сложности. Трибологические испытания выполняли на установке, которая реализует схему трения «стержень – диск» в соответствии со стандартами ASTM G99 с шестью образцами материалов, содержащими различные процентные доли бентонитовой глины. Результаты показывают, что износ исходного образца увеличивается с ростом приложенной средней нагрузки. В отличие от этого образцы, содержащие бентонитовую глину, демонстрируют уменьшение износа с увеличением средней нагрузки. Кроме того, увеличение содержания бентонитовой глины приводит к значительному уменьшению износа, но дальнейшее увеличение до 7 % глины приводит к заметному увеличению износа. Методы исследования. В этом исследовании изучено влияние нагрузки, скорости скольжения и весовой доли бентонитовой глины на износ и коэффициент трения (COF) композиционного материала. Композиционные образцы с различным содержанием глины были испытаны с использованием установки, реализующей схему трения «стержень – диск», а износ и коэффициент трения измерялись как зависимые параметры. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) использовалась для анализа поверхностей износа после испытаний, чтобы определить влияние независимых параметров на механизмы изнашивания и морфологию поверхности. Результаты выявили важные направления в характере трения и изнашивания при различных условиях. Сравнительный анализ дал представление об оптимизации трибологических характеристик материала путем балансировки нагрузки, скорости и содержания глины. Результаты и обсуждение. В данном исследовании изучено влияние добавления бентонитовой глины на износостойкость композитов PPS + GF (полифениленсульфид + стекловолокно). Полученные данные показывают, что износ снижается до 3 % при первоначальном увеличении процентного содержания бентонитовой глины по весу, но вновь возрастает при дальнейшем увеличении содержания глины. Отмечено, что более высокое процентное содержание бентонитовой глины по весу приводит к увеличению удельной скорости изнашивания и снижению коэффициента трения из-за проявления абразивного механизма изнашивания, вызванного агломерацией глины. Наоборот, более низкое процентное содержание бентонитовой глины по весу способствует снижению скорости изнашивания, увеличивая при этом коэффициент трения. Эта работа направлена на решение двойной задачи: оптимизации характеристик и снижения себестоимости материалов, используемых в условиях трения и износа. Обоснование актуальности исследования. Цель этого исследования – разработать органический полимерный композиционный материал, обладающий улучшенными характеристиками и конкурентоспособный с точки зрения затрат и прибыли. Одной из ключевых задач является создание такого композиционного материала с использованием бентонитовой глины – органического и легкодоступного материала, который можно приобрести по низкой цене. Это позволит производить композит по конкурентоспособной цене без ущерба для качества. Другой целью исследования является замена существующих фрикционных материалов в тормозных системах и муфтах новым разработанным композитом, что потенциально улучшит их характеристики и долговечность. Помимо этого, работа направлена на создание композиционного материала, пригодного для использования в подшипниках скольжения, особенно работающих в агрессивных средах. Такой композит должен обладать повышенной устойчивостью к химическому разрушению, обеспечивая увеличенный срок службы и надежность в тяжелых условиях эксплуатации.

1. Tribological Investigations of Hemp Reinforced NAO Brake Friction Polymer Composites with Varying Percentage of Resin Loading / M. Naidu, A. Bhosale, M. Gaikwad, S. Salunkhe, R. Cep, E. Abouel Nasr // Frontiers in Materials. – 2024. – Vol. 11. – DOI: 10.3389/fmats.2024.1348265.

2. Wear and friction analysis of brake pad material using natural hemp fibers / M. Naidu, A. Bhosale, Y. Munde, S. Salunkhe, H.M.A. Hussein // Polymers. – 2023. – Vol. 15 (1). – DOI: 10.3390/polym15010188.

3. Characterisation of interfacial properties between fibre and polymer matrix in composite materials – a critical review / S. Huang, Q. Fu, L. Yan, B. Kasal // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 13. – P. 1441–84. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.05.076.

4. High-performance polyphenylene sulfide composites with ultra-high content of glass fiber fabrics / L. Zhao, Y. Yu, H. Huang, X. Yin, J. Peng, J. Sun, L. Huang, Y. Tang, L. Wang // Composites, Part B: Engineering. – 2019. – Vol. 174. – P. 106790. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.05.001.

5. Niu F., He R., Li J. Effects of clay and surface plasma-treated carbon fiber on wear behavior of thermoplastic POM composites // Surface and Interface Analysis. – 2018. – Vol. 50 (1). – P. 96–100. – DOI: 10.1002/sia.6342.

6. Effect of clay content on the morphological, thermo-mechanical and chemical resistance properties of propionic anhydride treated jute fiber/polyethylene/nanoclay nanocomposites / F. Md Hossen, S. Hamdan, R. Md Rahman, S. Md Islam, F.K. Liew, J.C.H. Lai, M. Md Rahman // Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. – 2016. – Vol. 90. – P. 404–411. – DOI: 10.1016/j.measurement.2016.05.006.

7. Fabrication of modified MMT/Glass/Vinylester multiscale composites and their mechanical properties / G. Mittal, V. Dhand, J.I. Ryu, K.Y. Rhee, H.-J. Kim, D.H. Jung // Journal of Nanomaterials. – 2015. – Vol. 2015 (1). – DOI: 10.1155/2015/506029.

8. Carnevale P., Rasool S., Bersee H.E.N. Fibre-matrix interfaces in carbon fibre reinforced PPS composites: damage initiation and propagation in tensile tests // Composite Interfaces. – 2014. – Vol. 21 (4). – P. 337–352. – DOI: 10.1080/15685543.2014.877288.

9. Sarkar P., Modak N., Sahoo P. Reciprocating friction and wear behavior of al particulate glass fiber reinforced epoxy composite // International Conference on Polymer Composites (ICPC-2014): Conference Paper. – Surathkal, Mangalore, India, 2014. – P. 163. – URL: https://www.researchgate.net/publication/273950830 (accessed: 10.02.2025).

10. Unal H., Sen U., Mimaroglu A. Dry sliding wear characteristics of some industrial polymers against steel counterface // Tribology International. – 2004. – Vol. 37 (9). – P. 727–732. – DOI: 10.1016/j.triboint.2004.03.002.

11. Effect of bentonite clay and polypropylene matrix on the properties of silk and glass fiber-reinforced hybrid composites / Md R.H. Mazumder, F. Numera, A. Al-Asif, M. Hasan // Journal of Thermoplastic Composite Materials. – 2021. – Vol. 34 (12). – P. 1654–1665. – DOI: 10.1177/0892705719878231.

12. Mechanical and tribological properties of PA66/PPS blend. II. Filled with PTFE / Z. Chen, X. Liu, T. Li, R. Lü // Journal of Applied Polymer Science. – 2006. – Vol. 101 (2). – P. 969–977. – DOI: 10.1002/app.22061. – DOI: 10.1002/app.22061.

13. Influence of twin-screw elements on the dispersion of nano-clay in vinyl ester polymer composites using Taguchi’s orthogonal array technique / R.G. Raj, G.G. Tanuja, C.L. Kumar, N.A.P. Nittala, M.K. Srinath, S.S. Abdullaev, D. Bandhu // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). – 2024. – Vol. 18 (5). – P. 3271–3285. – DOI: 10.1007/s12008-023-01492-5.

14. Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R.S. Application of nonlinear analysis in evaluating additive manufacturing processes for engineering design features: a study and recommendations // Communications on Applied Nonlinear Analysis. – 2024. – Vol. 31 (1s). – DOI: 10.52783/cana.v31.559.

15. Comparative analysis of drop impact resistance for different polymer-based materials used for hearing aid casing / A. Gosavi, A. Kulkarni, Y. Dama, A. Deshpande, B. Jogi // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 49. – P. 2433–2441. – DOI: 10.1016/j.matpr.2021.09.519.

16. Virpe K., Deshpande A., Kulkarni A. A review on tribological behavior of polymer composite impregnated with carbon fillers // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2311 (1). – DOI: 10.1063/5.0035408.

17. Experimental investigation of dry sliding wear behavior of jute/epoxy and jute/glass/epoxy hybrids using Taguchi approach / A. Paturkar, A. Mache, A. Deshpande, A. Kulkarni // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 23974–23983. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.10.190.

18. Satkar A.R., Mache A., Kulkarni A. Numerical investigation on perforation resistance of glass-carbon/epoxy hybrid composite laminate under ballistic impact // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59 (1). – P. 734–741. – DOI: 10.1016/j.matpr.2021.12.464.

19. Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52.

20. Kanitkar Y.M., Kulkarni A.P., Wangikar K.S. Investigation of flexural properties of glass-Kevlar hybrid composite // European Journal of Engineering and Technology Research. – 2018. – Vol. 1. – P. 25–29. – DOI: 10.24018/ejeng.2016.1.1.90.