КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ТОНКОЛИСТОВОЙ МАТЕРИАЛ

Дерлугян Ф.П.

Конструкции трущихся сопряжений транспортных систем и ком­плексов, работающих в экстремальных условиях, не всегда позво­ляют применять подшипники качения. Использование подшипни­ков скольжения связано с правильным подбором материалов для трущихся пар. Наиболее традиционным материалом при трении скольжении являются пары «сталь-бронза», а также их компози­ции и сплавы. Обязательным условием, обеспечивающим работос­пособность таких узлов, является применение материалов с разными показателями твердости. Однако это техническое решение не все­гда оправдано и имеет ряд недостатков. Такие узлы работоспособ­ны только при постоянной подачи в зону трения смазочных мате­риалов, что технически усложняет конструкцию машины и ведет к увеличению затрат на обслуживание в период эксплуатации, ухуд­шая экологическую безопасность.

Широкое внедрение в народное хозяйство полимерных матери­алов не могло не сказаться и на использовании их в трибосопряжениях. Пары трения «полимер-металл» стали широко внедряться в машинах и механизмах. Наибольший эффект получен при «хи­мическом наноконструировании» группы самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами. К преимуще­ствам таких пар трения можно отнести:

  • низкий коэффициент трения, уменьшающий энергоемкость машин;
  • восприятие значительных упругих деформаций, исключающих образование заеданий и задиров;
  • снижение веса подшипниковых узлов при значительной эко­номии цветных металлов;
  • способность гасить колебания, снижать шум, поглощать виб­рацию;
  • стойкость к действию абразивных частиц, обеспечивающая работоспособность узлов в различных средах и климатических зо­нах;
  • работоспособность в агрессивных жидкостях и газах, а так­же в водных средах и вакууме.

Главной причиной, ограничивающей применение полимеров в качестве материалов для узлов прения, является их низкая тепло­проводность (табл. 1), что затрудняет отток тепла образующегося при трении трущихся поверхностей. Особенно это сказывается при значительных нагрузках и скоростях, когда в зоне трения проис­ходит локальный разогрев полимера до температуры его размягче­ния и деструкции, которая для разных полимеров наступает в ин­тервале температур 80—250 °С.

Другим отрицательным фактором, снижающим область использования металл-полимерных узлов трения в машинах, является значительное различие в значениях их коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР), которые у полимеров на поря­док выше (см. табл. 1). Это оказывает значительное влияние на ве­личину сборочного зазора и, как следствие, на стабильность работы трибосопряжения.

Таблица 1

Теплопроводность и КЛТР металлических и полимерных материалов

Материал Коэффициент теплопро­водности,

Вт/м х К-1

Коэффициент линейного тер­мического расширения,

α х 10-6 х К-1

Сталь, чугун 46-63 11-12
Бронза 67-80 17-19
Латунь 80-100 18-22
Алюминий 210-240 22-24
Медь 370 – 400 16- 17
Баббит 30-40 23-28
Полиамид П-610 0,20-0,25 100-115

 

Эти две причины отрицательно проявляются в полимерной ком­позиции, работающей на трение, при действии следующих эксп­луатационных характеристик: температуры окружающей среды, са­мой среды, а также фактора PV (соотношение нагрузки и скорос­ти). Этот фактор значительно ограничивает возможную скорость относительного скольжения между трущимися поверхностями и воспринимаемую ими нагрузку. Для полимерных материалов ско­рости скольжения более 0,5 м/с и нагрузки выше 10 МПа явля­ются предельными. Повышение этих характеристик становится од­ной из главных задач, стоящих перед материаловедами, и ее реше­ние ведется учеными в нескольких направлениях.

Первое направление — создание новых классов термостойких по­лимеров, воспринимающих температуры, близкие к металлам. К одним из таких полимеров следует отнести полиимиды, восприни­мающие температуру до 400 °С. Однако получение и переработка таких материалов в изделия имеет ряд экономических и техноло­гических проблем.

Второе направление — разработка на базе существующих полимеров композиционных материалов с высокими антифрикционными свойствами в широком интервале скоростей и нагрузок. Снижение коэффициента трения скольжения между металлом и полимером до значений коэффициентов трения подшипников качения, находя­щихся в пределах 0,02—0,03, значительно уменьшит температуру локального разогрева узла фения, повысив значение фактора PV.

Третье направление — введение в полимерную композицию боль­шого количества металлического наполнителя в виде порошков цветных металлов, имеющих теплопроводность на 2—3 порядка выше, чем у полимеров, с целью более интенсивного отвода теп­ла из зоны трения. Однако технологически это не всегда выполни­мо вследствие различия их плотности в 5—8 раз. При технологичес­ком процессе переработки полимера, наполненного порошком, в изделиях происходит неравномерное распределение металла по тол­щине детали. Особенно это сказывается у полимеров, имеющих длительный период твердения.

Четвертое направление — уменьшение размеров полимерных деталей, используемых в узлах трения, до толщины покрытий в 1—2 мм, что позволит, в значительной степени, устранить перечисленные недостатки и повысить скоростные и нагрузочные характеристики металл-полимерных узлов трения, т. к. снижение толщины полимера способствует отводу тепла через металлическую основу. Однако использование полимерных материалов в виде тонких покрытий, наносимых на металлическую поверхность детали методами напыления, намазывания или оплавления, зависит от их адгезии к поверхности металла. Особенно это сказывается при введении в полимерную матрицу пластификаторов и модифицирующие добавок, улучшающих триботехнические характеристики, но одновременно снижающих адгезионную связь полимера с металлом, что неизбежно приводит к отслоению покрытия и преждевременному выходу из строя узла трения. Применение тонкостенных полимерных втулок конструктивно усложняет узел трения при их креплении на металлическую подложку. Учитывая высокие антифрикционные свой­ства полимерного композита, технически неэффективно применение известных клеев и компаундов, способных удержать полимерную втулку от проворота при прении в экстремальных условиях.

Для расширения области применения полимеров в узлах трения работающих в экстремальных условиях, были проанализированы следующие варианты модифицирования композитов:

  • улучшение антифрикционных характеристик полимеров за счет введения пластификаторов, наполнителей и добавок;
  • улучшение теплофизических показателей полимерного композита
  • использование разработанного состава полимерного компози­та в виде тонколистового материала с ориентированным антифрик­ционным поверхностным слоем.

Для реализации данных вариантов модифицирования решались следующие задачи:

  • разработка и оптимизация состава полимерной самосмазывающейся композиции с заданными физико-механическими, триботехническими и теплофизическими характеристиками;
  • изучение влияния ориентации поверхностных слоев компо­зита на его триботехнические свойства и разработка научно-обосно­ванного способа ориентации полимерной матрицы на стадии формирования КПТМ, обеспечивающего его высокую работоспособность при эксплуатации в экстремальных условиях;
  • определение пределов работоспособности разработанного материала, выдача рекомендаций по практическому использовании результатов исследований.

При реализации задач первой группы нами проводилось хими­ческое модифицирование компонентного состава полимерного ком­позита. В качестве матрицы будущего материала принят полиамид П-610, обладающий относительно высокой термостойкостью и наи­лучшими антифрикционными свойствами.

Получение полимерных материалов, обладающих свойствами самосмазывания, предусматривает высокую пластификацию полимерной матрицы, изменяющую вязкость системы, увеличивающую гибкость молекул и подвижность надмолекулярных структур. Процесс пластификации состоит во введении в полимер в процессе его пере­работки, жидкостей, облегчающих переработку полимера и меняющих его свойства. Используя в качестве пластификатора смазочное вещество можно добиться образования на поверхностях трения граничных смазочных слоев между трущимися деталями, препятствующих их схватыванию. Нами в качестве пластификатора была выбрана автомо­бильная смазка № 158, изготовленная на основе авиационного масла МС—20 и обладающая рядом требуемых свойств.

Введение смазки в полимер в свободном состоянии в большом количестве (до 30 %) технологически не представляется возмож­ным. Для устранения этого недостатка был использован прием предварительного адсорбирования смазки на поверхности мелкодиспер­сного твердого смазочного наполнителя, в качестве которого была использована смесь графита и дисульфида молибдена, обладающих слоистой структурой и высокими антифрикционными свойствами. Применение данного комплексного наполнителя улучшило смазочные свойства пластификатора на 40 %.

С целью получения более высоких теплофизических показателей разрабатываемого полимерного композита в состав в качестве до­бавки была введена алюминиевая пигментная пудра ПАП—1 дис­персностью 4—8 мкм. В ходе проведенных теоретических и экспе­риментальных исследований был оптимизирован количественный со­став полимерной композиции, а также предложена технологическая схема очередности и условий совмещения компонентов до получе­ния исходной шихты. Полученная шихта соответствует классу антифрикционных самосмазывающихся композиционных полимерных материалов группы «Маслянит» и может быть использована для пе­реработки в изделия известными методами литья под давлением в пресс-формы, в т.ч. с использованием автоклава. В табл. 2 пред­ставлены некоторые результаты исследования свойств «Маслянита» в сравнении с исходным полимером П—610.

Таблица 2

Свойства «Маслянита» и КПТМ в сравнении с исходным полимером П-610

Технические характеристики П-610 Маслянит КПТМ
Плотность, т/м3 1,08-1,11 1,15-1,20 1,04-1,06
Воспринимаемая рабочая нагрузка, МПа До 10 До 40 До 100
Допустимая скорость скольжения, м/с До 0,1 До 1,0 До 5,0
Максимальное значение фактора PV, МПа м/с 0,1 1,0 5,0
Коэффициент трения скольжения 0,26-0,32 0,10-0,16 0,06-0,12
Коэффициент теплопроводности, Вт/м · К 0,20-0,25 6,0-6,5 10-12
Коэффициент линейного расширения х 10-6, К-1 100-115 51-62 40-45
Водопоглощение, % 1,5-2,2 0,6-0,8 0,24

 

Результаты исследования подтвердили целесообразность применения метода химического наноконструирования композиционных материалов с заданными свойствами. Практически все показатели, влияющие на трибологические характеристики полимеров, были улучшены от 2 до 10 раз.

Наряду с автоклавным способом переработки полимерной ших­ты в изделия была использована модель механической модифика­ции расплава полимера с получением композиционного полимер­ного тонколистового материала (КПТМ). Суть метода основана на ориентации макромолекул в расплаве полимерной композиции путем приложения внешних механических напряжений и фиксировании полученной структуры в процессе кристаллизации. Существенная роль в предложенном методе отводится технологическому приему формования тонколистового материала, заключающемуся в нанесении на тканевую подложку, закрепленную на раскатной установке расплавленной полимерной композиции с последующим её прикатыванием раскатным роликом до внедрения в подложку и образования на её поверхности тонкого ориентированного антифрикционного слоя. Полученный таким способом материал состоит из волокнистой углеграфитовой ткани толщиной до 1 мм, наполовину пропитанной разработанным полимерным композитом, внедренным в расплавленном состоянии в поры ткани, и из тонкого слоя того же композита (до 1 мм), ориентированного по направлению дви­жения ролика.

Предложенный способ формирования полимерной композиции позволяет путем принудительного внедрения в поры ткани создать надежную механическую связь между ними и под воздействием внешних усилий, возникающих при перекатывании раскатного ро­лика, ориентировать макромолекулы поверхностного слоя компози­та в заданном направлении. Путем создания условий для принуди­тельного проскальзывания ролика по кристаллическому расплаву удалось подчинить регулированию степень ориентации макромолекул.

Реализация механо-химического метода модифицирования КПТМ базируется на обоснованном подборе подложки и полимерной композиции, правильной организации производства переработки пластмасс, а также на механических явлениях, протекающих при перекатывании раскатного ролика. При изучении этих явлений выдвинуто научное обоснование механическим аспектам горячего раскатывания расплава полимерной композиции, oт которых зави­сит процесс деформирования, внедрения и упрочнения полимер­ного материала.

В нашем случае горячему деформированию подвержены два ма­териала, имеющие разные физико-механические свойства, строе­ние и находящиеся в различных агрегатных состояниях. Процесс раскатывания следует разделить на три этапа. На первом этапе рас­плавленная полимерная композиция распределяется по поверхнос­ти тканевой подложки. На втором этапе распределенная пластмасса уплотняется и подготавливается к внедрению в поры тканевой подложки. Для этой цели зазор между раскатным роликом и тка­невой подложкой уменьшается. При деформации расплава обьем его уменьшается, а плотность увеличивается, т.е. происходит упрочне­ние материала. Третий этап заключается в насыщении пор подлож­ки упрочненным расплавом и в формировании антифрикционного ориентированного по ходу движения ролика слоя. Данный этап сопровождается повышением сопротивления проникновению распла­ва в подложку, что связано с вытеснением воздуха из пор ткани и преодолением сил трения между расплавом и нитями тканевой подложки, а также с внутренним трением в самом расплаве. По своей физико-механической природе насыщение пор подложки расплавом полимерного композита сопоставимо с процессом уплот­нения материала под действием нагрузки.

В ходе проведенных исследований была практически определена механическая модель взаимодействия раскатного ролика с деформи­рованным расплавом полимерной композиции. Определена зависимость глубины внедрения раскатного ролика в расплав от удельной нагрузки (табл. 3).

До деформации, соответствующей 2 % (погружение ролика до 0,02 мм), наблюдается линейная зависимость, присущая упругом телу. Дальнейшему деформированию до 55 % сопутствует изменение объема сжимаемого расплава, присущее второму этапу раскатывания. При деформации расплава в пределах 0,52—0,70 мм происходит проникновение расплава в поры ткани, что соответствует третьему этапу раскатывания. При дальнейшем сжатии слоя запол­нение пор завершается, и расплав начинает вести себя как упругое тело.

Таблица 3

Зависимость глубины внедрения раскатного ролика в расплав от удельной нагрузки

Глубина погружения раскатного ролика, мм 0,01 0,02 0,18 0.52 0,67 0,70 0,72
Давление Р·10-4,
н/мм2
0,24 0,55 1,46 2,40 3,00 4,04 6,36

 

Методами РФА и ТГА исследовали влияние технологии получения КПТМ методом горячей раскатки на наличие ориентации молекул в поверхностном слое по сравнению с материалом того же компонентного состава, полученного литьем в пресс-форму (материал типа «Маслянит»). Результаты исследований, представленые в табл. 4, подтверждают наличие ориентации в образцах КПТМ.

Таблица 4

Характеристики полимерных материалов, полученных по разной технологии

Характеристика материалов «Маслянит» КПТМ
Соотношение интегральной интенсивности пика 2,20-2,30 0,52-0,60
рентгеновского рассеяния
Площадь рефлексов 19,6-20,0 49,2-66,4
Площадь аморфного гало 167,4-170,0 228,4-309,6
Степень кристалличности 12-13 18-22
Температура потери массы, ºС:
-5 % 280 305
-50% 460 480

 

Влияние направления ориентации макромолекул поверхностного слоя КПТМ на триботехнические характеристики исследовали на возвратно-поступательной машине трения. В результате испытаний установлено, что ориентация материала, происходящая при его рас­катке, приводит к снижению коэффициента трения на 20—25 %, по сравнению с неориентированными образцами, причем направление ориентации практически не влияет на его значения. Ориентация приводит также к снижению скорости изнашивания. Износостой­кость КПТМ возрастает на 25—60 % при совпадении ориентации с направлением скольжения в сравнении с блочным материалом.

Исследование триботехнических характеристик проводили в широком интервале скоростей (от 0,02 до 10 м/с) и нагрузок (от I до 100 МПа). Для сравнения работоспособности кроме КПТМ испытаниям подвергались образцы из «Маслянита» и полиамида П-610. Результаты исследований сведены в табл. 2. КПТМ ока­зался работоспособным во всем интервале скоростей и нагрузок, тогда как область допустимых скоростей скольжения для других ма­териалов ограничена 1 м/с.

Исследование теплофизических характеристик материалов, проводимых по двум критериям: коэффициенту линейного термического расширения (КЛТР) и коэффициенту теплопроводности (КТ), — показали, что химическое модифицирование компонентного состава полиамидной композиции позволило в 28 раз повысить ее теп­лопроводность и 1,9 раз снизить КЛТР в сравнении с базовым по­лимером. Раскатка же композита до тонколистового материала с од­новременной ориентацией его поверхностного слоя позволила улучшить теплофизические показатели соответственно в 50 и 2,7 раз.

Основные технические характеристики КПТМ подтвердили воз­можность применения его для облицовки поверхностей трения вкла­дышей подшипника, опор скольжения, скользящих направляющих, шарниров и других узлов трения, работающих без смазки в паре с металлом. Особенностью его применения в вышеуказанных узлах является способ крепления к металлической подложке. Использование известных способов механического крепления не представ­ляется возможным вследствие малой толщины материала (1,2-1,7 мм). Учитывая наличие в КПТМ тканевой подложки в виде углеграфитовой ткани, нами был предложен способ его крепления в виде клеевого соединения ткани с металлом. Предложенный метод по­зволил производить облицовку трущихся поверхностей с помощью эпоксидных компаундов.

КПТМ был опробован в узлах трения аксиально-поршневых на­сосов серии РНАС, взамен применяемой ранее металлофторопластовой ленты. Данным тонколистовым материалом посредством кле­евого соединения был облицован качающий корпус насоса. Контртелом (цапфой) для КПТМ служила крышка приводного вала насоса. Скорость относительного скольжения между трущимися деталями не превышала 1,0 м/с, а воспринимаемая подшипниковым узлом удельная нагрузка — 10 МПа (фактор PV=10). Коэффициент трения при работе узла в среде минерального масла составил 0,03—0,05, а средний износ КПТМ на 1 км пути трения не превысил 0,2 мкм.

В настоящее время продолжаются испытания КПТМ и в других узлах трения машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях.

На основании проведенных исследований можно сделать следу­ющие выводы:

  1. Показана целесообразность расширения области применения полимерных материалов с целью обеспечения повышения работоспособности трибосистем в экстремальных условиях.
  2. Предложен метод механо-химического конструирования подшипников скольжения с применением вкладышей из композиционного полимерного тонколистового материала, обладающего заданными техническими характеристиками.
  3. Посредством метода химического наномодифицирования оптимизирован качественный и количественный состав КПТМ, включающий высокопластифицированное полимерное связующее, антифрикционные и износостойкие твердосмазочные наполнители и порошкообразную металлическую добавку для улучшения теплофизических характеристик создаваемого материала.
  4. Предложен технологический прием, включающий порядок и условия смешения исходных компонентов разрабатываемого материала, позволяющий придать композиту эффект самосмазывания.
  5. Применен комплексный твердосмазочный наполнитель, состоящий из смеси графита и дисульфида молибдена и обеспечивающий КПТМ высокие антифрикционные характеристики и износостойкость в широком интервале скоростей, нагрузок и изменения условий окружающей среды.
  6. Разработан механический способ формования полимерной композиции путем раскатки расплава исходной шихты на тканевую подложку, служащую с одной стороны армирующим элементом тонколистового материала, а с другой – основанием для футеровки дан­ным материалом металлических поверхностей трибосопряжений.
  7. Получено подтверждение гипотезы о незначительной анизот­ропии сил трения для ориентированных полимерных композитов. Доказано, что ориентация поверхностного рабочего слоя КПТМ приводит к снижению коэффициента трения и скорости изнашивания независимо от направления скольжения.
  8. Предложенный метод создания КПТМ позволил создать ан­тифрикционный самосмазывающийся материал и рекомендовать его для эксплуатации в узлах трения, работающих в экстремальных условиях при скоростях скольжения до 5,0 м/с и величин нагрузок до 100 МПа. Допустимое значение PV—3—5 МПа·м/с. Значе­ние коэффициента трения при этом находится в пределах 0,06—0,12. Этому во многом способствовало улучшение теплофизических свойств КПТМ по сравнению с исходным полимером.

 

Leave A Comment

Вы не можете скопировать содержимое этой страницы