Влияние режима пескоструйной обработки на шероховатость поверхности фрикционных соединений

Введение. В текущей практике основное влияние на работу фрикционных болтовых соединений стальных элементов оказывают коэффициент трения соединяемых поверхностей и усилие натяжения болта. Коэффициент трения прежде всего зависит от состояния контактных поверхностей. Для увеличения коэффициента трения применяют различные конструктивные способы. Наиболее эффективным способом подготовки контактных поверхностей фрикционных соединений или соединений на болтах с контролируемым натяжением является пескоструйная обработка, воздействие которой позволяет получить наибольшее значение коэффициента трения. Большинство существующих конструктивных норм определяют, что обработка контактных поверхностей указывается в проектной документации. Дополнительно уточняется, что шероховатость контактной поверхности после обработки должна составлять не более Rz 40. Проведение замеров шероховатости обработанной поверхности на монтажной площадке увеличивает трудоемкость выполнения работ, поэтому важно понимать, какое влияние оказывают различные режимы пескоструйной обработки или отступления от предписанного режима на шероховатость поверхности, что может привести к снижению величины коэффициента трения.

Материалы и методы. Выполнено исследование влияния 5 различных режимов пескоструйной обработки кварцевым песком на шероховатость 10 стальных пластин из низколегированной стали 09Г2С. Определение шероховатости проведено на профилометре M. ERA Platinum D1 с разрешением 7 нм.

Результаты. В общей сложности осуществлены 20 замеров шероховатости поверхности с построением профилей поверхности и определение средних значений Rа и Rz. Показано, что предложенные режимы обработки создают различную шероховатость на поверхности стальных пластин. Один из режимов создает наибольшее значение шероховатости.

Выводы. Сделаны выводы о корреляции между режимом пескоструйной обработки и шероховатостью поверхности. Полученные результаты сравнивались с прочими конструктивными способами обработки контактных поверхностей.

1. Ivkovic B., Durdjanovic M., Stamenkovic D. The Influence of the contact surface roughness on the static friction coefficient // Tribology in industry. 2000. Vol. 22. Issue 3–4. Pp. 41–44.

2. Туснин А.Р., Тихонов С.М., Алехин В.Н., Беляева З.В., Кудрявцев С.В., Рыбаков В.А. и др. Проектирование металлических конструкций. Часть 1. Металлические конструкции. Материалы и основы проектирования : учебник для вузов. М. : Издательство «Перо», 2020. 468 с. EDN BQNCPS.

3. Hogan T.J., Munter S.A. Design Guide 1: Bolting in Structural Steel Connections. Australia : Australian Steel Institute, 2007.

4. Wang Y., Guan J., Zhang Y., Yang L. Experimental Research on Slip Factor in Bolted Connection with Stainless Steel // Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science). 2013. Vol. 29. Issue 5. Pp. 769–774.

5. Stranghöner N., Afzali N., de Vries P., Schedin E., Pilhagen J. Slip factors for slip-resistant connections made of stainless steel // Journal of Constructional Steel Research. 2019. Vol. 152. Pp. 235–245. DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.07.005

6. Stranghöner N., Afzali N., de Vries P., Schedin E., Pilhagen J., Cardwell S. Slip-resistant bolted connections of stainless steel // Steel Construction. 2017. Vol. 10. Issue 4. Pp. 333–343. DOI: 10.1002/stco.201710044

7. Zhang T., Bu Y., Wang Y., Chen Z., He W. Experimental Study on the Slip Behaviour of Stainless Steel High-Strength Bolted Connections with a New Surface Treatment // Materials. 2022. Vol. 15. Issue 16. P. 5672. DOI: 10.3390/ma15165672

8. Cruz А., Simões R., Alves R. Slip factor in slip resistant joints with high strength steel // Journal of Constructional Steel Research. 2012. Vol. 70. Pp. 280–288. DOI: 10.1016/j.jcsr.2011.11.001

9. Heistermann C., Veljkovic M., Simões R., Rebelo C., da Silva L.S. Design of slip resistant lap joints with long open slotted holes // Journal of Constructional Steel Research. 2013. Vol. 82. Pp. 223–233. DOI: 10.1016/j.jcsr.2012.11.012

10. Annan C.-D., Chiza A. Slip resistance of metalized–galvanized faying surfaces in steel bridge construction // Journal of Constructional Steel Research. 2014. Vol. 95. Pp. 211–219. DOI: 10.1016/j.jcsr.2013.12.008

11. Maiorana E., Zampieri P., Pellegrino C. Experimental tests on slip factor in friction joints: comparison between European and American Standards // Frattura ed Integrità Strutturale. 2017. Vol. 12. Issue 43. Pp. 205–217. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.43.16

12. Chander K.P., Vashista M., Sabiruddin K., Paul S., Bandyopadhyay P.P. Effects of grit blasting on surface properties of steel substrates // Materials & Design. 2009. Vol. 30. Issue 8. Pp. 2895–2902. DOI: 10.1016/j.matdes.2009.01.014

13. Day J., Huang X., Richards N. Examination of a grit-blasting process for thermal spraying using statistical methods // Journal of Thermal Spray Technology. 2005. Vol. 14. Issue 4. Pp. 471–479. DOI: 10.1361/105996305x76469

14. Varacalle D.J., Guillen D.P., Deason D.M., Rhodaberger W., Sampson E. Effect of grit-blasting on substrate roughness and coating adhesion // Journal of Thermal Spray Technology. 2006. Vol. 15. Issue 3. Pp. 348–355. DOI: 10.1361/105996306x124347

15. Mohammadi Z., Ziaei-Moayyed A., Sheikh-Mehdi Mesgar A. Grit blasting of Ti–6Al–4V alloy: optimization and its effect on adhesion strength of plasma-sprayed hydroxyapatite coatings // Journal of Materials Processing Technology. 2007. Vol. 194. Issue 1–3. Pp. 15–23. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.03.119

16. Rudawska A., Danczak I., Maller M., Valasek P. The effect of sandblasting on surface properties for adhesion // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2016. Vol. 70. Pp. 176–190. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2016.06.010

17. Khan A.A., Al Kheraif A.A., Alhijji S.M., Matinlinna J.P. Effect of grit-blasting air pressure on adhesion strength of resin to titanium // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2016. Vol. 65. Pp. 41–46. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2015.11.003

18. Li J., Li Y., Huang M., Xiang Y., Liao Y. Improvement of aluminum lithium alloy adhesion performance based on sandblasting techniques // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2018. Vol. 84. Pp. 307–316. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2018.04.007

19. Caravaca C., Flamant Q., Anglada M., Gremillard L., Chevalier J. Impact of sandblasting on the mechanical properties and aging resistance of alumina and zirconia based ceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2018. Vol. 38. Issue 3. Pp. 915–925. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.10.050

20. Okada M., Taketa H., Torii Y, Irie M., Matsumoto T. Optimal sandblasting conditions for conventional-type yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals // Dental Materials. 2019. Vol. 35. Issue 1. Pp. 169–175. DOI: 10.1016/j.dental.2018.11.009

21. Wang H., Zhu R., Lu Y., Xiao G., He K., Yuan Y. et al. Effect of sandblasting intensity on microstructures and properties of pure titanium micro-arc oxidation coatings in an optimized composite technique // Applied Surface Science. 2014. Vol. 292. Pp. 204–212. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.11.115

22. Multigner M., Frutos E., Gonzalez-Carrasco J., Jimenez J., Marn P., Ibanez J. Influence of the sandblasting on the subsurface microstructure of 316LVM stainless steel: implications on the magnetic and mechanical properties // Materials Science and Engineering: C. 2009. Vol. 29. Issue 4. Pp. 1357–1360. DOI: 10.1016/j.msec.2008.11.002

23. Li X., Ye J., Zhang H., Feng T., Chen J., Hu X. Sandblasting induced stress release and enhanced adhesion strength of diamond films deposited on austenite stainless steel // Applied Surface Science. 2017. Vol. 412. Pp. 366–373. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.03.214

24. Ho B., Tsoi J., Liu D., Lung C.Y. K., Wong H., Matinlinna J.P. Effects of sandblasting distance and angles on resin cement bonding to zirconia and titanium // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2015. Vol. 62. Pp. 25–31. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2015.06.009

25. Sorrentino L., Polini W., Bellini C., Parodo G. Surface treatment of CFRP: influence on single lap joint performances // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2018. Vol. 85. Pp. 225–233. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2018.06.008

26. Watanabe I., Kurtz K., Kabcenell J., Okabe T. Effect of sandblasting and silicoating on bond strength of polymer-glass composite to cast titanium // The Journal of Prosthetic Dentistry. 1999. Vol. 82. Issue 4. Pp. 462–467. DOI: 10.1016/s0022-3913(99)70035-1

27. Vasilkin A., Akhmetzyanov R., Zubkov G., Vasil-kin I. Experimental determination of the tightening coefficient of bolts according to the DIN standard // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 389. P. 01080. DOI: 10.1051/e3sconf/202338901080

28. Василькин А.А., Зубков Г.В., Прокаев С.А., Василькин И.А. Размер площадки трения фрикционного болтового соединения // Строительство: наука и образование. 2024. Т. 14. № 1. С. 61–72. DOI: 10.22227/2305-5502.2024.1.4. EDN NAXLLQ.

29. Poorna Chander K., Vashista M., Sabiruddin K., Paul S., Bandyopadhyay P.P. Effects of grit blasting on surface properties of steel substrates // Materials & Design. 2009. Vol. 30. Issue 8. Pp. 2895–2902. DOI: 10.1016/j.matdes.2009.01.014

30. Bechikh A., Klinkova O., Maalej Y., Tawfiq I., Nasri R. Sandblasting parameter variation effect on galvanized steel surface chemical composition, roughness and free energy // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2020. Vol. 102. P. 102653. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2020.102653

31. Momber A.W., Wong Y.C., Budidharm E. Hydrodynamic profiling and grit blasting of low-carbon steel surfaces // Tribology International. 2002. Vol. 35. Issue 4. Pp. 271–281. DOI: 10.1016/s0301-679x(02)00009-9

32. Чесноков А.С. Сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. М. : Стройиздат, 1974. 120 с.