АНТИФРИКЦИОННЫЙ САМОСМАЗЫВАЮЩИЙСЯ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ АСМК-112

Дерлугян П.Д.

Создание новых образцов техники при её эксплуатации в раз­личных средах и климатических условиях в широком диапазоне скоростей, нагрузок, температур связано с разработкой узлов тре­ния, работающих в экстремальных условиях. Конструирование таких узлов становится невозможным без расширения номенклатуры материалов антифрикционного назначения. Все чаще используют полимерные материалы, постепенно вытесняющие подшипники ка­чения и традиционные цветные металлы и сплавы, предназначенные для подшипников скольжения. Использование полимеров в качестве конструкционных материалов антифрикционного назначения обус­ловлено многими факторами, в том числе возможностью образо­вывать композиты с заданными свойствами.

Однако такие характеристики полимеров как низкая теплопро­водность, нестабильный коэффициент трения, износостойкость деструкция при повышении температуры, подверженность старению и биоповреждениям, высокое водопоглощение и набухание (изме­нение линейных размеров) и ряд других ограничивают возможную область их применения в подшипниковых узлах.

Расширение сферы использования полимеров ведется в основном в двух направлениях. Одно из них – модификация свойств известных видов полимеров. Наиболее доступным и приемлемым методом модификации является, в частности, использование воз­можности введения в полимеры жидких и твердых компонентов совместное действие которых может изменять первоначальные свой­ства полимеров и тем самым получать материалы с заданными свой­ствами.

Создание материала с регулируемыми свойствами стало возможно в процессе развития и исследования эффекта самосмазываемости, по­зволившего определить ряд научных направлений и выделить группу антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов (АСПМ).

Основанием для разработки одного из направлений создания АСПМ явились исследования в области пластификации полимеров и предложенная на их базе модель «выпотевания» пластификатора из материала с образованием на поверхности пары трения полимер-металл тонких смазочных плёнок, предотвращающих схватывание, уменьшающих коэффициент трения и повышающих износостойкость трущихся пар.

Важная роль в создании АСПМ с регулируемыми свойствами наряду с пластификацией отводится наполнителям (многофункци­ональным добавкам), которые также как и пластификатор, можно вводить в полимер в процессе технологической переработки. Каждое из вводимых веществ может самостоятельно или в совокупности друг с другом придавать полимерной основе требуемые свойства. Так, введение твердых слоистых смазок, какими являются графит, дисульфид молибдена и им подобные, существенно влияет на анти­фрикционные свойства, создаваемые композиции; введение порошков металлов увеличивает теплопроводность; закись меди, реализующая избирательный перенос при трении, одновременно является хорошей биоцидной добавкой, повышающей биостойкость полимера; волокнистые наполнители увеличивают прочностные характеристики.

Таким образом, АСПМ в общем случае можно рассматривать как трехкомпонентную систему, состоящую из полимерного связующего, пластификатора и многофункциональных добавок – наполнителей.

Определенная роль при формировании материала отводится тех­нологическим приемам переработки, методам образования полиме­ров с ориентированной структурой поверхностного рабочего слоя. Материалы, получаемые по такому принципу, известны под общим названием «Маслянит». Они имеют разный компонент­ный состав, свойства, назначение, но выполнены по единой схеме.

Прежде чем приступить к разработке материала с заданными свойствами, необходимо произвести оценку работы узла трения. Работоспособность последнего характеризуется факторами, основ­ные показатели которых приведены в табл. 1.

Каждый из этих факторов оказывает на металлополимерные узлы трения существенное влияние, и поэтому рекомендуемый материал требует эксплуатационной проверки в условиях, приближенных к ре­альным (стендовые испытания), или же в парах трения самих машин (промышленные испытания). Такие испытания исключают влияние масштабного фактора, имеющего немаловажное значение при оценке истинных возможностей рекомендуемых полимерных материалов.

Методом химического наноконструирования созданы и внедре­ны в производство группы материалов «Маслянит», «НПИ», «ТАСМ», обеспечивающие надежную работу узлов трения механиз­мов в экстремальных условиях (удельные нагрузки от 0,1 до 50 МПа; скорости скольжения от 0,01 до 20 м/с; рабочие температуры от 213 до 573 К). При этом обеспечиваются стабильно низкий коэффици­ент трения (0,02-0,2) и высокая износостойкость (1-10 мкм на км пути трения) на воздухе, в воде, технических жидкостях, коррозионно-абразивных средах, в условиях ограниченной смазки и био­логического воздействия.

Таблица 1

Факторы, характеризующие работоспособность металл-полимерных узлов трения

 

Скорость относи­тельного скольже­ния, м/с	До 0,01	Рабочая среда	Воздух	Характер относительного перемещения (вид движения)	Поступательное	Вид сопряжения пары трения	Вал-втулка
	0,01-0,10		Вакуум		Вращательное		Плоскость – плоскость
	0,10-1,00		Газовые смеси		Реверсивное		Палец – сфера
	1,0-10,0		Вода		Микропереме- щения при высоких частотах (фреттинг)		Передача винт-гайка
	Св. 10,0
Удельная нагрузка. МПа	До 0,1		Технические жидкости	Режим работы	Кратковремен­ ный		Зубчатая передача
	0,1-1,0		Химически активные среды		Периодический		Фрикционна передача и др.
	1,0-10,0		Коррозион­ ные среды		Непрерывный
	10,0-30.0		Радиация и другие виды воздействия		Специальный и др.	Материал контр-тела (поверхности)	Сталь
	Свыше 30,0						Бронза
Рабочая температура узла, ºС	Ниже-50			Срок эксплуатации, лет	До 5		Чугун
	От -50 до 0	Наличие смазки	Отсутствует		От 5 до 10		Алюминиевье сплавы
	От 0 до +50		Разовая		От 10 до 15		Титановые сплавы
	Свыше 50		Периодичес­ кая		Свыше 15		Химические покрытия
	От -50 до 0		Отсутствует		Ог 5 до 10		Алюминие­ вые сплавы
	От 0 до +50		Разовая		От 10 до 15		Титановые сплавы
	Свыше 50		Периодичес- кая		Свыше 15		Химические покрытия
	От -50 до +50		Принуди­- тельная		До предельно допустимою износа		Электрохи­ мические покрытия
			и т.д.		до ремонта

 

Для оценки работоспособности антифрикционных материалов принят фактор PV, увеличение значения которого говорит о повы­шении эксплуатационных возможностей материала – его использование в более нагруженных и скоростных узлах трения. Проведен срав­нительный анализ значений PV для подшипников скольжения, изго­товленных из полиэтилена низкого давления (ГОСТ 16337-77), полиамида ПА-610 (ГОСТ 10580-73), ɛ-капроамида (ГОСТ 7850- 74) и сконструированных на их основе АСПМ. Испытания проводи­лись на машинах трения при переменных величинах скорости сколь­жения и удельной нагрузки по нижеуказанной схеме.При наименьшей скорости скольжения 0,01 м/с исследования проводили с последовательным увеличением нагрузки, начиная с 0,1 МПа до предельного значения. Предельным считалось значение, при котором полимерный образец либо катастрофически изнашивался, либо разрушался (плавился). Затем эти же испытания проводились при более высоких скоростях.

Для скоростей относительного скольжения до 0,01 м/с длительность испытания существенного влияния на величину предельно допустимого значения нагрузки не оказывала. В этом случае режим испытаний принят как «непрерывный». При скоростях выше 1 м/с были проведены дополнительные исследования в следующих двух режимах работы: «периодический» – время работы узла трения не превышало 1 ч и «кратковременный» – время работы ограничивалось 15 мин с последующей остановкой до полного восстановле­ния первоначальной температуры. Увеличение фактора PV в 2-3 раза обеспечивает работоспособность металлополимерных узлов при скоростях относительного скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 60 МПа.

Другим немаловажным показателем, определяющим преимущество АСПМ перед исходными полимерами, является улучшение антифрикционных характеристик на 25-50%. Получены данные для оценки коэффициента трения вышеуказанных полимеров и разра­ботанных на их основе самосмазывающихся композиций. Схема трения: полимерный стержень – плоскость, движение поступательное, скорость перемещения 0,01 м/с. Испытания проведены на воздухе, в воде и с применением разовой смазки. Использование последней в узлах трения с АСПМ рекомендуется для лучшей прирабатываемости полимерного материала в начальный период работы.

Снижение коэффициента трения достигается за счет:

• образования на поверхностях трения граничных смазочных сло­ев, одним из компонентов которых являются металлические мыла;
• введения антифрикционных добавок;
• ориентации структуры поверхностного слоя физико-химичес­кими методами или механическим воздействием;
• термической обработки заготовок с дополнительным насыще­нием поверхностных слоев (глубина проникновения до 2 мм) смазочными составами;
• внесения конструктивных изменений в узел трения.

Улучшение антифрикционных характеристик рассматриваемых материалов связано с изменением их износостойкости при трении. АСПМ обладают повышенной износостойкостью (на 30-50 %) в сравнении с применяемым в качестве связующего полимером.

В качестве примера создания АСПМ с заданными свойствами можно отметить разработку материала для скользящих затворов высоконапорных гидростанций и гидросооружений. Согласно тех­ническим требованиям на разработку материал должен обладать рядом свойств, характеристики которых представлены в табл. 2. Помимо этого заготовки из материала по конструктивным особен­ностям затвора должны иметь линейные размеры 600х200х50 мм, обеспечить работоспособность механического оборудования гидро­технических сооружений как при работе на воздухе, так и в речной воде при удельных давлениях до 60 МПа. В отечественной практике материала, обладающего комплексом всех требуемых свойств выявить не удалось. Приступая к конструированию АСПМ с заданными свойствами, определили основу для будущей композиции.

Таблица 2

Свойства антифрикционного самосмазывающегося полимерного материалаACMК-112

 

Характеристики материала	Технические показатели
	ТЗ	Капролон	ACMK-112
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа	100	150	130
Разрушающее напряжение при растяже­нии, МПа	50	80	65
Коэффициент трения: – покоя	0,18	0,30	0,14
– движения	0,12	0,25	0,11
Износостойкость пути трения, мкм/км	1500	2000	600
Водопоглощение максимальное, %	1,0	8,0	4,0
Набухание максимальное, %	1,0	4,0	0,4
Стабильность свойств под воздействием окружающей среды, лет	7,0	5,0	10,0
Биостойкость, баллы	1,0	2,0-3,0	1,0
Обрастание в речной воде	–	Менее стоек	Более стоек

 

По физико-механическим и технологическим показателям наиболее подходящим оказался материал, получаемый анионной полимеризацией ɛ-капролактама (капролон).

Использование данной технологии переработки полимера позволяет получить крупногабаритные изделия методом свободной заливки расплава полимера в формы с последующим отверждением. Однако капролон в чистом виде обладает рядом недостатков: в первую очередь неудовлетворительными антифрикционными свойствами, высокими показателями водопоглощения и набухания в воде, не стабильностью свойств во времени (старение), подвержен обраста­нию при длительном пребывании в речной воде.

Устранить эти недостатки удалось, применив предложенный метод химического конструирования АСПМ.

После обоснования выбора пластификатора, способа его введе­ния в связующее совместно с наполнителями и добавками, опти­мизации состава, режимов переработки и термической обработки, был создан антифрикционный самосмазывающийся материал АСМК-112 (ТУ 2224-001-24191921-2004), удовлетворяющий требованиям техничес­кого задания. Материал прошел испытания на стенде-имитаторе и в производственных условиях в качестве направляющих полозьев шлюза Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина, обес­печив требуемый ресурс работы, стабильность свойств, надежность работы опорно-ходовых устройств гидросооружений. Материал ре­комендован к широкому внедрению в гидротехническом строитель­стве, в том числе на эксплуатирующихся и вновь строящихся гидроэлектростанциях.

Применение композиционных самосмазывающихся полимерных материалов

Области применения и основные характеристики АСПМ

Нет практически ни одной отрасли техники, где бы не могли применяться материалы типа «Маслянит» как в качестве материала для узлов трения, выпускаемого оборудования, приборов, машин и механизмов, так и для ремонта узлов трения, опор скольжения и замены подшипников качения на подшипники скольжения.

Кроме специальных отраслей техники эти материалы в больших объемах используются в несущих роликах ленточных конвейеров, работающих в условиях сильной запыленности на предприятиях горно-рудной промышленности, литейных цехах.

Широкое применение нашли эти материалы на предприятиях химической, машиностроительной и легкой промышленности, в сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства, где применяются ленточные транспортеры с шириной ленты до 1000 мм и скоростью движения до 2 м/с.

Обладая уникальными характеристиками при работе в водных средах материалы «Маслянит» широко внедрены в гидротехнических сооружениях, портовых и судовых механизмах. На всех высоконапорных гидростанциях России и стран СНГ используются материалы этого типа.

Являясь биологически стойкими и экологически чистыми, не которые виды «Маслянита» внедрены в пищевой и консервной промышленности.

Материалы этого типа нашли применение в узлах трения точных приборов, вибростендов, сейсмографов, в уплотнениях сервомоторов.

Термостойкие антифрикционные самосмазывающиеся материалы на полиимидной основе нашли широкое применение в авиационной, космической технике, в приборостроении, атомной энергетике, роботизированных системах в качестве элементов высокоточных зубчатых передач, подшипников скольжения и их сепараторов.

Ниже приведен перечень материалов, которые изготавливаются на производственной базе ОКТБ «Орион» и предназначаются для реализации. В настоящее время технологическое оборудование позволяет выпускать до 40 т/год композитов трибологического назначения.

Материалы и покрытия антифрикционного назначения:

• предназначены для эксплуатации в качестве подшипников скольжения, скользящих направляющих и уплотнений узлов трения машин;
• обеспечивают работоспособность в широком интервале нагрузок, скоростей, температур, в различных средах и климатически зонах;
• не требуют подачи смазки в зону трения, исключают задиры и заклинивания узлов, обеспечивают плавность и бесшумность в работе;
• снижают металлоёмкость машин, способствуют экономии цветных металлов и сплавов, смазочных материалов;
• повышают износостойкость, коррозионную стойкость режущего и штампового инструмента, улучшают качество поверхности при механической обработке труднообрабатываемых металлов и сплавов;
• технологичны при переработке, экологически чистые, стойкие к биоповреждениям.

Примеры использования композиционных самосмазывающихся материалов

1. Полозья скользящих затворов и подшипники скольжения гидросооружений из антифрикционных самосмазывающихся матери­ков ЛСМК-112(112Л). Предназначены для эксплуатации в механизмах гидротехнических сооружений в качестве скользящих накопляющих затворов водопроводных галерей, шлюзовых затворов и ворот шандоров, компенсационных втулок тяг гольсбантов створчатых ворот и плавучих рымов, подшипников скольжения насосов и т.д.

Условия эксплуатации:

• удельное давление – 60-120 МПа;
• скорость скольжения – до 2,5 м/мин.;
• температура окружающей среды – от -60 до +80 °С;
• рабочая среда: воздух, речная и морская вода.

Применяется вместо материалов ДСП-Б, Ф4К20, «Маслянит-Д». Материалы разработаны в ОКТБ «Орион» по заказу треста «Гидромонтаж» и СКБ «Ленгидросталь».

Внедрение: подшипниками и направляющими оснащается гид­ромеханическое оборудование, выпускаемое Чеховским заводом ГМО и направляемое на реконструируемые и вновь строящиеся гидро­электростанции, затворы Волжского, Камского, Волго-Балтийского, Обского бассейновых управлений водных путей, шлюзы Волго-Донского судоходного канала.

1. Подшипники скольжения и уплотнения для судовых и пор­товых механизмов из антифрикционных и самосмазывающихся ма­териалов МК. Предназначены для использования в судостроении, судоремонте, портовых и палубных механизмах, технологическом оборудовании плавсредств взамен подшипников качения, антифрик­ционных бронз, баббитов, капролона. Обладают высокой износос­тойкостью и стабильным коэффициентом трения (0,12-0,16) на воздухе без смазки, в воде, эмульсиях, масляных средах.

Применение в винтодейдвудных и рулевых устройствах обес­печивает стабильную работу и герметичность узлов в широком диапазоне температур. Позволяет свести к минимуму вибрацион­ные нагрузки и шумы, исключает выброс масляных пятен в воду.

Использование в ленточных и ковшовых транспортёрах, шнеках рыбцехов, морозильных аппаратах, насосах, элеваторах в среде мор­ской поды или повышенной влажности при нагрузках до 10 МПа, скоростях скольжения до 2 м/с обеспечивает ресурс работы подшипников узлов до 10 тыс. часов, сохраняя работоспособность до полного износа.

Применение взамен крупногабаритных (до 800 мм) конических роликоподшипников и эластомерных уплотнений в грейферных снарядах Е-1100 производств MitsubisiNagasaki(Japan), в узах трения ковшей ёмкостью 9,3 и 17,5 м ³ позволило увеличить межремонтный период эксплуатации, снизить затраты на ремонт, исключить применение смазочных материалов и остродефицитных запасных частей импортного производства.

Внедрено: на судостроительных верфях и заводах Нижнего Новгорода, Туапсе, Мурманска, Северодвинска, Калининграда, Лазаревки, Жилаговска, Усть-Донецка.

1. Детали машин из термостойких антифрикционных самосмазывающихся материалов на основе полиимидов. Особенности исходного полимера – полиимида – предопределили область применения деталей из этих материалов. Высокая термостойкость, радиационная стойкость, работоспособность в вакууме, сложных газовых смесях, агрессивных жидкостях, большинстве органических растворителях позволили применять их в космической и авиационной технике, атомной энергетике, химической промышленности в качестве подшипников скольжения уплотнительных сёдел, сепараторов, подшипников качения, тепло- и электроизоляторов и др. узлах.

Высокие прочностные и триботехнические характеристики стабильность геометрических параметров в широком диапазоне температур позволили получить высокопрочные зубчатые передачи преимущественно для приборостроения, в т. ч. аппаратуры бортовых спутниковых систем по программам «Венера», «Марс», «Луна».

Усовершенствовав технологию переработки полиимидов, пластифицируя и вводя в них многофункциональные добавки, удалось получить группу материалов с заданными свойствами, резко расширившими возможную область применения.

1. Высоконагруженные подшипники скольжения. Представляют собой металлический корпус, облицованный антифрикционным полимерным композитом, армированным волокнистым каркасом, предназначены для эксплуатации в подвижных сопряжениях машин и механизмов.

Условия эксплуатации:

• рабочая удельная нагрузка – до 200 МПа;
• скорость относительного скольжения – 0,1 м/с;
• интервал рабочих температур – от -60 до +150 °С.

Внедрены в тяжелонагруженных узлах трения подъемно-транс­портного и металлургического оборудования Новокраматорского машиностроительного завода. Возможен вариант применения кор­пуса из углепластика с антифрикционным рабочим слоем. Подшип­ники обеспечивают высокую нагрузочную способность, износостой­кость, низкий коэффициент трения при работе как в гидравличес­ких жидкостях, так и всухую.

Эксплуатируются в качестве направляющих втулок элементов гидроцилиндров, в т.ч. втулок штока гидравлических ножниц на Белорусском металлургическом заводе. Вкладыши сферических опор скольжения, не требующие подачи смазки, исключающие заедания и задиры, внедрены в опорных пятниковых узлах миксеров-чугуновозов Новокраматорского машиностроительного завода.

1. Несущий ролик ленточного транспортёра с подшипниками скольжения из антифрикционных самосмазывающихся полимерных композиционных материалов. Выполняется в металлическом или резиновом корпусе. Предназначен взамен роликов с подшипниками качения для работы в условиях сильной запылённости или повы­шенной влажности воздуха.

Условия эксплуатации:

• скорость транспортирования – до 2 м/с;
• погонная нагрузка на ленту конвейера – 60 кг/м.

Преимущества от применения: в процессе длительной эксплуа­тации (до 5000 ч) не требуется периодическая подача смазки, эко­номятся дорогостоящие материалы, высоколегированные стали, сокращается простой конвейеров, связанный с их техническим обслуживанием и ремонтом, исключены аварийные ситуации вследствие заклинивания металлических подшипников качения, снижа­лся уровень шума при работе.

Возможная область применения горнорудная, горнодобывающая, металлургическая, химическая, судостроительная, лёгкая и пищевая промышленности, машиностроение, сельское хозяйство.

Внедрение – разработки внедрены в ПО «Ростовнеруд», ОПО Ворошиловграднерудпром», ОПО «Винницнерудпром», Щедокском гипсовом комбинате, Камском автозаводе, Калининградском управлении тралового флота.

1. Упорные подшипники скольжения и резьбовые втулки из ан­тифрикционных композитных полимерных материалов в узлах трения запорной трубопроводной арматуры. Подшипники скольжения предназначены для замены упорных подшипников качения 8109, 8110, 8112, 8205, 8207, 8208 и др. в узлах трения клиновых задвижек и сильфонных клапанов с диаметром условного проход D_у40, 50, 65, 80, 100 и 150. Резьбовые втулки используются при замене втулок с трапецеидальными резьбами14x3, 18x4, 20x4 22x5,26x5.

Характеристики материала:

• состав – композиционный полимерный материал на основе полиамидов;
• плотность – 1,0-1,23 г/см3;
• разрушающее напряжение при сжатии в интервале темпер* тур от -40 до +150 ‘С – 70-150 МПа;
• коэффициент линейного теплового расширения – 2,4-9,0-10‘:
• коэффициент трения скольжения – 0,08-0,15.

Внедрены на арматурных завода в городах: Санкт-Петербург, Кролевец, Юго-Камск, Курган, Чехов и др.

1. Подшипники скольжения, скользящие направляющие и уплотнения для узлов трения машин и механизмов. Изготавливаются из антифрикционных самосмазывающихся полимерных композиционных материалов взамен подшипников качения и подшипников скольжения из цветных металлов.

Апробированы и внедрены в узлах трения:

• скользящих направляющих транспортно-перегрузочных устройств;
• аксиально-поршневых насосов серии РИАС, циркуляционных насосов, насосов-дозаторов, погружных насосов;
• конусных дробилок;
• прессов СМ512, СМ516 по производству силикатных материалов;
• роботов-манипуляторов М10П.62.01.И М20П.40.01;
• редуктора мини-трактора «Луч» (мотоблока МБ-5040);
• полиспастов тросовых литейных машин;
• гидроцилиндров разгрузчиков сыпучих материалов У15 УРБО;
• гидроцилиндров землеройных, дорожных и строительных машин в качестве защитных колец;
• шнековых транспортёров, винтовых конвейеров;
• подъемного механизма рентгеновских аппаратов типа 12Ф7;
• упаковочной линии по производству химволокна;
• карданных шарниров автомобилей;
• дверей автомобилей (в петлях);
• опор дистанционного привода управления механизмом пере­ключения передач автомобиля КамАЗ;
• измерительных приборов и бытовой техники;
• стапельной дорожки для припуска и спуска судов;
• конвейерных и поточных линий.

Применение самосмазывающихся подшипников повышает надежность и долговечность узлов трения, снижает эксплуатационные пираты, расход смазочных материалов, металлоемкость конструкций, исключает заедания и задиры трущихся поверхностей, обес­печивает плавность и бесшумность в работе в условиях повышен­ий вибрации и ударных нагрузок. Подшипниковые узлы сохраняют работоспособность в условиях попадания влаги, абразива в интервале рабочих температур от -50 до +120 °С.

Основные технические характеристики материалов подшипников:

• плотность – 1,1-1,2 г/см ³ ;
• разрушающее напряжение при сжатии – 80-130 МПа;
• коэффициент трения в зависимости от условий эксплуатации – 0.08-0,16.

1. Термостойкие твердые смазочные покрытия. Предназначены для узлов трения машин и механизмов, работающих на воздyxe, в вакууме, инертных и агрессивных средах или условиях фреттинг-коррозии.

Покрытия могут быть использованы в качестве антифрикцион­ных, защитных, антикоррозийных в приборостроении, авиационной и космической технике, химической промышленности.

Внедрены на ряде предприятий, в т. ч. НПО «Машиностроение», Синоде им. Хруничева, ПО «Стрела», РНИИП НПО «Космическое Приборостроение», НПО «Вакууммашприбор».

В заключение отметим, что методом химического наноконструирования разработана большая группа АСПМ, известных под названием «Маслянит», «НПИ», «ТАСМ», обеспечивающих работоспособность узлов трения в экстремальных условиях взамен традиционно применяемых подшипников скольжения из цветных металлов. Они находят широкое применение в различных отраслях техники, в том числе в машиностроении, химической и горнорудной про­мышленности, мелиорации и гидротехническом строительстве.