книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов
..pdfчистоты. Эта идея была проверена Праттом [124] для компози ции на основе ПТФЭ. С этой целью образец с 40 об.% свинца,, который обычно обладает низкой износостойкостью, был испы тан при трении по следу, полученному после скольжения компо зиции с 35 об.% свинца + 5об.% бронзы. Результаты испытаний показывают, что хотя износ уменьшился в три-четыре раза, но
все равно |
он более чем в 12 раз больше, чем для композиций |
||
с 35 об.% |
свинца + 5 об.% бронзы. |
Это означает, что |
метал |
лический |
элемент не был полирован |
в период трения |
в паре |
с износостойким образцом, содержащим 35 об.% свинца и 5 об.% бронзы, а также то, что полировка поверхности не является определяющим фактором для повышения износостойкости наполненных систем ПТФЭ. Хотя износостойкость композиций на основе ПТФЭ невозможно объяснить по теории Харгривса и Тантама, Пратт придерживается мнения, что объяснение скрыто в химических реакциях, происходящих между поверхностями контактирующих тел. Слабое полирование поверхности контрте ла объясняется наличием двух альтернативных механизмов, которые трудно поддаются эксперименту. Первый объясняется тем, что продукты химических реакций на поверхности трения, являющиеся неизвестными веществами, обладают значитель ными свойствами смазочных материалов. Композицию этого продукта не удалось обнаружить и с помощью микрохимическо го и рентгенодифракционного анализов. Второй, более реальный механизм объясняется тем, что бронза, СиО или фосфат в ком позициях ПТФЭ химическим путем связывают тонкую пленку ПТФЭ с поверхностью контртела, что предотвращает вырывание частиц композиций контртелом.
Однако полагается, что химическая связь пленки ПТФЭ на поверхности металлического элемента является главной только на «высоких точках» поверхностных выступов, а в основном пленка держится на поверхности за счет механического ком понента, так как ПТФЭ заполняет пространства между поверх ностными неровностями. Защитное свойство пленки ПТФЭ с повышением температуры уменьшается намного быстрее при отсутствии свинца или его окисей, так как свинец и РЬО способ ствуют сохранению пленки в условиях высоких температур пу тем образования более крепкой связи между пленкой и контртелом. Хотя точный механизм образования связи неясен, но известно, что имеют место высокоэизотермические реакции между свинцом или РЬО и ПТФЭ при температурах 300—360° С.
С образованием пленки ПТФЭ на поверхности контртела долговечность композиций растет, так как адгезионная связь между молекулами ПТФЭ весьма низкая. Однако следует экспериментально определить лимитирующие значения темпе ратуры, при которых теряетсякрепкая связь между пленкой и контртелом, в результате чего композиции проявляют себя не лучше «чистого» ПТФЭ. Это могло бы иметь большую практн-
91
вескую ценность. Аналогичное исследование проводилось Брис коу, Погосяном и Тейбором [69] с композициями на основе ПВД.
В подобных композициях РЬз04 является альтернативой РЬ или РЬО и максимальная износостойкость при сухом трении
.достигается при более низких содержаниях бронзы. При более высоких скоростях скольжения и температурах требуемое -оптимальное содержание РЬ30 4 несколько ниже, чем при низких скоростях и комнатной температуре.
Интересно то, что химическая реакция между наполнителя ми и полимерами имеет место при наличии таких наполнителей, которые являются весьма эффективными в повышении износо стойкости композиций. Отсюда следует вывод, что существует •связь между химической реакцией и износостойкостью компо-
-ЗИЦИЙ.
Большой интерес представляет применение соединений меди в качестве наполнителей для ПТФЭ или компонентов, образую щих такие соединения в результате химических реакций при
трении. Митчелл и Пратт [113] обнаружили образование фтори стой меди на поверхности трения наполненного бронзой ПТФЭ, объясняемое локальной деградацией ПТФЭ и бронзы. Однако повышение износостойкости, сопровождающееся образованием фтористой меди, они не относят к химическим воздействиям, а объясняют это увеличением контактной площади в зависимости от времени, что приводит к уменьшению температуры на поверх
ности трения. Уменьшение трения между медыо |
и ПТФЭ |
Г. В. Виноградов и др. [19] приписывают смазочному |
действию |
фтористой меди. |
|
С позиции явления избирательного переноса структурных составляющих сплавов, в частности меди из бронзы, при трении с последующим адсорбционным пластифицированием поверхно
стей трения переносимыми компонентами в условиях |
безокисли- |
||||||
тельного трения, например в глицериновой среде, |
В. А. Белый |
||||||
и др. [7] объясняют |
преимущество |
использования |
в |
качестве |
|||
наполнителей для ПТФЭ таких веществ, которые были |
бы |
спо |
|||||
собны реализовать |
принцип действия |
так называемой |
«безыз- |
||||
носной пары трения». Таким наполнителем для |
|
ПТФЭ |
они |
||||
считают закись меди, которая в восстановительной |
среде |
при |
|||||
небольшом нагреве |
легко восстанавливается |
до |
чистой |
меди. |
|||
Сравнительные свойства фторопласта-4 с 40% |
Cu20 |
относитель |
но свойств чистого фторопласта-4 и фторопласта-4 с 40% А120з
приведены в табл. 3. |
имеющая место |
|
Следует отметить, что химическая реакция, |
||
в «горячих точках» контакта поверхности трения, |
в результате |
|
чего пленка ПТФЭ химически связывается |
с |
поверхностью |
контртела, происходит также в объеме композиции |
при ее горя |
чем прессовании.
При температурах спекания ПТФЭ обнаружено [124] наличие экзотермической реакции со свинцом или его окисью. Полная
возгонка имеет место при 800° С. При более низких температурах (330—340° С) время до начала химической реакции является до статочно долгим для спекания образцов только с небольшими размерами. Однако для более крупных образцов оно может ока заться недостаточным, так как они требуют большего времени -спекания при таких температу рах. Реакция может ускоряться при наличии третьего компонен та, необходимого для повышения износостойкости композиции. На пример, бронза играет роль ка тализатора в реакции.
Композиции с РЬО имеют наи большую тенденцию к химиче ской реакции с полимерами, и нет пока удовлетворительных способов предотвращения этой реакции в период спекания изде лий больших размеров. РЬ304 об ладает меньшей готовностью
вступления в реакцию с полимером [бУ, 124J. например, с Ш'ФЗ РЬ30 4 задерживает реакцию примерно на 1 час (при 340° С), что дает возможность полного спекания более крупных изделий. Дальнейшее увеличение периода до начала реакции достигается с помощью определенных компонентов, вводимых в состав ком позиций. Весьма эффективное влияние оказывает пятиокнсь
сурьмы — 5Ьг05. |
приведена |
зависимость между |
температу |
На рис. 40 |
|||
рой спекания и |
временем |
начала реакции для |
композиции |
с 60 об.% ПТФЭ + 30 об.% РЬ30 4 + 2,5 об.% бронзы + 7,5 об.% Sb2C>5 [124]. Как видно, например, при 350° С период спекания может составлять около 12 час до начала реакции, что вполне достаточно даже для самых больших размеров изделий.
В области исследований химических изменений в период эксплуатации фрикционных [64] и антифрикционных материалов наблюдается определенный сдвиг в сторону фундаментального изучения вопроса, что будет способствовать более глубокому пониманию существующей технологии производства материалов и поэтому ее прогрессу. При этом, по-видимому, следует уделить особое внимание изучению основного полимерного материала, так как изменения в нем доминируют над неорганическими изменениями, происходящими в наполнителе. Хотя неорганиче ские изменения также могут быть важными, но их влияние по
93
сравнению с резкими изменениями в органических материалах невелико.
Методы газовой хроматографии, инфракрасной спектроскотши, термических и элементарных анализов весьма важны при исследовании органических материалов, а рентгеновские и ней тронной активации — неорганических.
Основным подходом к изучению химических изменений все еще остается исследование материалов после трения или продук тов износа. Это, естественно, связано с возможными отклонения ми, но непосредственное наблюдение в процессе трения связана со многими практическими трудностями.
Глава V
ПРИМЕНЕНИЕ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ВУЗЛАХ ТРЕНИЯ
§1. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наполненные полимерные материалы имеют ряд преиму ществ при их применении в подшипниковых и других антифрик ционных узлах трения: низкий коэффициент трения и высокая износостойкость; уменьшение скачкообразного движения при медленных перемещениях; в зависимости от выбора наполните ля и основного полимера композиции можно применять в среде различных жидкостей и газов, а также при широком диапазоне температур (от —250 до +250° С); требуется минимальный уход за узлом трения и уменьшается возможность загрязнения, так как применение смазки необязательно; в особых случаях допускается относительное загрязнение и напыление; в зависи мости от выбора компонентов композиций узлы трения могут быть электропроводимымн или надежными изоляторами в электрическом или химическом отношении; до определенного значения вибрации могут быть погашены, и относительное движение может быть плавным и бесшумным.
На стадии проектирования узлов трения с применением наполненных полимерных материалов необходимо предвари тельно учесть некоторые вопросы. Например, где и когда следует применять соответствующие наполненные композиции. Здесь принимаются также во внимание конструктивные особенности узлов трения п их габаритные размеры, вид трения, условия смазки и др.
Существуют следующие четыре основные области, где наполненные полимерные материалы находят применение (чаще всего в качестве подшипников):
1. Когда жидкостная смазка является неэффективной из-за агрессивных условий среды, таких, как высокие и низкие темпе ратуры, коррозионная атмосфера и т. д.
2.Когда жидкостная смазка нежелательна из-за загрязне ния ею выпускаемой продукции и среды.
3.Когда применение жидкостной смазки связано с техниче
скими трудностями.
4. Когда доступная жидкостная смазка не обеспечивает достаточную граничную смазку, необходимую для использова ния общепринятых металлических материалов.
95
В зависимости от типа трения и условия смазки выбирается характеристика pv. Наивысшие скорости скольжения, естествен
но, желательны при гидродинамической |
или |
гидростатической |
||
смазке, а также в узлах, где обеспечивается |
трение |
качением. |
||
В указанных четырех случаях значения |
коэффициента |
трения |
||
сравнительно выше, величина износа заметно |
больше, |
а |
фрик |
|
ционное тепло является важным фактором. |
Последний |
усили |
вается еще и тем, что большинство материалов на полимерной основе имеют низкую теплопроводность по сравнению с. металлами, что препятствует рассеиванию фрикционного теп
ла. Поэтому антифрикционные материалы для |
сухого трения |
||||||
проявляют себя лучше |
при |
скоростях |
скольжений |
ниже чем |
|||
10 м/сек {11, 105, 116]. |
|
|
материалов, |
удовлетворяю |
|||
Из большого числа полимерных |
|||||||
щих |
экономическим |
или |
эксплуатационным |
требованиям, |
|||
только |
некоторые целесообразны |
для |
применения |
в качестве |
антифрикционных (подшипниковых) материалов и они приве дены в табл. 14 {105] с указанием наиболее употребляемых наполнителей и подкрепляющих веществ. Их типичные свойства приведены в табл. 15.
После выбора класса материалов (например, композиции на основе ПТФЭ) по необходимым свойствам дальнейший подбор производится уже в данной группе композиций. Это достаточно сложно, так как неизвестен самый лучший материал для какоголибо частного обстоятельства. Тем не менее достаточно объективный выбор можно провести, имея в виду следующие данные: условия трения (сухое или граничное); максимальные значения скорости и нагрузки; химическое сопротивление (опас-
Та б л ица 14
Полимерная |
Макснмальтая допускаемая температура,°С |
основа |
|
Наполнители |
Полимерная |
и подкрепляющие |
основа |
вещества |
|
Максимальная допускаемая . |
температура, °С |
Наполнители и подкрепляющие
вещества
I. Термопласты |
|
|
|
II. Термореак |
|
|
|
пвд |
80 |
Асбест, стекло, |
тивные смолы |
200 |
MoS2, |
графит, |
|
Ацеталь |
125 |
уголь, |
ткане |
Эпоксиды |
|||
Полиамид (най |
130 |
вые |
волокна, |
Полиэфиры |
130 |
ПТФЭ |
в виде |
лон 6,66) |
|
слюда, окиси |
Фенолы |
200 |
частиц илифиб- |
||
280 |
(улучшают ме |
риллов |
(умень |
||||
ПТФЭ |
ханические |
Силиконы |
300 |
шают трение) |
|||
Окись полифе |
200 |
свойства) |
|
|
|
|
|
нилена |
300 |
|
|
|
|
|
|
Полиимид (Ро- |
|
|
|
|
|
|
|
lyimide) |
|
|
|
|
|
|
|
96
Т а б л и ц а 15
Материал
Ацеталь Подкрепленный стеклом ацеталь
Эпоксид Подкрепленный стеклом эпоксид
Предел проч ности при растяжении, кгс/см3 |
Модуль упру гости, И)3 кгс/см2 |
700 |
30 |
900 |
60 |
700 |
20 |
1700 |
20 |
Температура теплонскаже принил кгс/см2,18°С |
ь . |
Sa |
|
|
и |
|
•SsJb |
|
•9* я1? |
|
Я 3 1 |
100 |
8 |
150 |
3,5 |
140 |
9 |
230 |
3,5 |
Удельная ударная вязкость, кге* см/см2
240
12
4
50
ность контакта материала с кислотами); допустимые значения коэффициента трения и величины износа, а также диапазон их изменения и т. д.
Однако, располагая данными об условиях и режимах работы пар трения, конструктору на стадии проектирования необхо димо иметь достаточную информацию о фрикционном поведе нии материалов и всех их характеристик. Этому может помочь специальный паспорт материала или картотека всех проведен ных трибометрических и других опытов. Для наиболее полной оценки трибометрических и других характеристик материалов на полимерной основе необходимо создать единую трибометри ческую систему материалов. В этом направлении в настоящее время наблюдается определенный прогресс. Так, например, на основе исследований Института механики металлополимерных систем АН БССР и Национального центра научных исследова ний Франции создается микротрибометр, предназначенный для изучения фрикционной деформативности полимерных мате риалов [6].
Создание единой трибометрической системы материалов на полимерной основе связывается с разработкой основных
(коэффициент трения, износ, |
топография, прирабатываемость |
||
и т. д.), дополнительных (в зависимости |
от |
ожидаемых обоб |
|
щенных условий эксплуатации |
специальные |
параметры — тем |
|
пература, среда, облучение |
и т. д.) |
и |
вспомогательных |
(физико-механические свойства, фактическая площадь контакта
ит. д.) показателей для внесения в паспорт материала, опреде лением градации нагрузочно-скоростных и других условий эксперимента, методов его обработки, конструкции трибометров
иматериальной техники и т. д. [6].
Для рационального решения вопросов выбора пары трения, лучших условий эксплуатации, управления и контроля процесса трения в ходе эксперимента, оперативной обработки полученных данных весьма целесообразно использовать методы теории
1/44 А. к. Погосян |
97 |
подобия, моделирования и вероятностно-статистического анали за с применением ЭВМ. Все эти вопросы подробно рассмотрены
в§ 4 настоящей главы.
Внастоящее время, к сожалению, эксплуатационник не всегда имеет под рукой упомянутые выше картотеки при выборе конкретной композиции из класса антифрикционных материалов. Поэтому ему необходимо зачастую самостоятельно разобраться в тонкостях применения того или иного наполни теля для одной и той же матрицы, исходя из конкретных условий эксплуатации с учетом того, что действие наполнителей
на механические и термические свойства |
полимеров |
связано |
с влиянием на фрикционные и износные |
показатели. |
Так, по |
С. Б. Ратнеру [51], введение твердых наполнителей, обладающих
меньшим |
коэффициентом |
линейного |
термического расшире |
|||||
ния а, чем |
полимер, приводит к уменьшению а |
полимерной |
||||||
композиции, |
что должно |
приводить |
к повышению |
прочности, |
||||
долговечности и износостойкости согласно |
формулам |
|
||||||
/ = |
|
Vo—yfpK |
|
|
|
|
|
О) |
|
R T |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/тп = k + na, |
|
|
|
|
|
(2) |
||
где /о ~ |
р |
(р — номинальное |
нормальное давление); |
U0 — |
||||
энергия |
активации процесса |
разрушения; |
у — структурно-чув |
|||||
ствительная |
константа; f — коэффициент |
трения; рк ~ |
р 1/3 — |
|||||
контактное |
давление; R — универсальная |
газовая |
постоянная; |
Т — абсолютная температура тела; Тп— температура «полюса»; /г и п — постоянные.
Рассматривая влияние наполнителей на прочностные свой ства термопластов при выборе конструкционных материалов для изделий, работающих в различных условиях, рекомендуется [51] различать их по адгезионной способности, так как при низких температурах, когда полимер хрупок, предпочтительны композиции со слабо адгезионным наполнителем (мел, тальк, каолин), и наоборот, при повышенных температурах, когда полимер эластичен, предпочтительны композиции с сильно адгезионным наполнителем (например, сажа).
Таким образом, при введении наполнителей изменяется проч ность, долговечность и износостойкость термопластов из-за изменения у и а. При введении сажи в термопласты, например,
величина |
у уменьшается |
лишь при высокоэластическомсо |
|||||
стоянии. |
Напротив, |
в |
стеклообразном |
состоянии |
сильная |
||
адгезионность сажи |
играет |
отрицательную |
роль, |
приводя |
|||
к охрупчиванию материала, |
поскольку |
оно |
препятствует |
перераспределению напряжений. Добавление стеклянного во локна увеличивает несущую способность полимера, но оно может также увеличить значения коэффициента трения и таким
3 8
образом понизить допускаемую скорость скольжения И наобо рот, введение твердых смазок может привести как к уменьшению несущей способности материала, так и к снижению значений коэффициента трения и фрикционного тепла, что позволяет увеличить допускаемую скорость скольжения. Каждый тип композиционного антифрикционного материала на полимерной основе поэтому будет иметь характерную кривую, связывающую максимально допускаемую скорость скольжения v с максималь но допустимым давлением на фрикционную пару р. Такие оптимальные взаимосвязи общей характеристики pv сравнитель
но легче получить в лабораторных условиях, но они имеют меньшую практическую ценность, чем значения pv, граничащие
с ожидаемым низким износом. Получение эксплуатационником данных такого рода представляется сложным делом. Задача научно-исследовательских центров, занимающихся проблемами создания новых композиционных антифрикционных материалов на полимерной основе,— составить соответствующие справоч ные материалы по выбору композиций и конструированию от дельных узлов трения (например, подшипниковых). Опыт та кого рода практикуется в Англии. Королевским обществом аэронавтики Великобритании сделана попытка [79] обобщения опубликованных данных по pv, на основании чего произведен
выбор результатов для различных полимерных композиций. В качестве эталонного значения выбрана скорость изнашивания
порядка 25 |
мкм |
за |
100 |
час |
непрерывной |
работы |
опорного |
||||
подшипника |
в паре |
со стальным |
валом |
при нереверсивном |
|||||||
нагружении. |
Определен также диапазон значении pv |
||||||||||
(0,175— 17,5 |
кгс/см2*м/сек), при котором доступен широкий |
||||||||||
выбор |
материалов |
(табл. |
16) |
[67, |
79, |
116]. |
Однако |
данные |
|||
в табл. |
16 носят общий информационный характер и многие из |
||||||||||
них нельзя |
непосредственно |
использовать |
для |
проектных |
|||||||
целей. |
основании |
данных, |
приведенных в табл. |
16, |
а также |
||||||
На |
опыта других исследований [59, 69, 82, 105, 124] можно сделать следующие выводы:
1. Наполненный ПТФЭ имеет высокие прочностные, противо. вибрационные, антифрикционные и противоизносные показатели при сухом трении и по характеристике pv обладает абсолютным
преимуществом по сравнению с другими материалами. Его целесообразно применять в тяжелонагруженных и ответствен ных узлах трения машин и механизмов. Себестоимость изделии из наполненного ПТФЭ можно снизить за счет улучшения методов их изготовления.
2. Сотканные ПТФЭ антифрикционные материалы прояв ляют себя лучше при сравнительно низких скоростях скольже ний. Они предпочтительны при вибрирующих нагрузках, но требуют высокую соосность в случаях применения в качестве подшипников скольжения.
1/ 24* А . К . П огосян |
99 |
Т а б л и ц а |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М ен а п о л н ен мыз поли м еры |
|
|
|
Показатель |
|
|
|
|
н а й л о н |
а ц е т а л ь |
ПОЛИНМИД |
ф ен о л |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Максимальная нагрузка на номиналь |
105 |
105 |
700 |
280 |
||||||
ную площадь при нулевой скорости |
|
|
|
|
||||||
скольжения, кгс/см2 |
|
|
|
|
28 |
|
|
|
||
Модуль |
упругости |
при |
сжатии, |
28 |
— |
— |
||||
103 кгс/см2 |
|
|
|
|
|
1—2 |
1 -2,5 |
|
|
|
Максимальная |
скорость |
скольжения, |
5 |
5 |
||||||
м/сек |
|
|
|
|
|
|
0,35 |
0,35 |
|
0,07 |
Максимальное значение p v для скоро |
0 , 2 0 |
|||||||||
сти изнашивания 2,5-10~4 мм/час, |
|
|
|
|
||||||
кгс/см2 -м/сёк |
|
|
|
|
|
0,1—0,4 |
0,1—0,4 |
|
|
|
Коэффициент трения |
|
|
|
|
0,1—0,3 |
0,9—1,1 |
||||
Показатель износа (потери объема |
в |
35 |
35 |
100 |
170-1350 |
|||||
см3 за 1 час при нагрузке |
1 кгс и ско |
|
|
|
|
|||||
рости скольжения 1 м/сек), 10~6 см3- |
|
|
|
|
||||||
•сек/м-кгс-час |
|
|
|
|
|
205 |
150 |
320 |
|
|
Критическая температура |
на |
поверх |
150-205 |
|||||||
ности трения, °С |
|
|
|
|
90—120 |
|
— |
|
||
Максимальная |
температура |
окру |
ПО |
--- |
||||||
жающей среды, °С |
|
|
|
|
6 |
|
8 |
— |
||
Удельная теплопроводность, |
|
|
6 |
|||||||
10-4 кал/см-сек-град |
|
|
|
|
10 |
8—9 |
5 |
5 |
||
Коэффициент |
термического расшире |
|||||||||
ния, 10~5 за °С |
|
|
|
|
1,2 |
1.4 |
1,4 |
|
||
Плотность, г/см3 |
|
|
|
|
1,4 |
|||||
Индекс себестоимости основного ма |
1 . 4 |
1 |
15 |
— |
||||||
териала |
|
|
|
|
|
|
4 - 6 |
1 -8 |
|
|
Индекс |
себестоимости |
сфабрикован |
|
|
||||||
ного подшипника длиной 2,54 см |
и |
|
|
|
|
|||||
диаметром 2,54 см |
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Пропитанные ПТФЭ металлические антифрикционные материалы обладают высокой износостойкостью и максимально допустимым значением характеристики pv. Но существуют
определенные трудности при получении достаточно крепко связанного с металлом слоя полимера.
4. Наполненный окисями свинца и меди ПВД при опреде ленных условиях трения [69] показывает подобные с ПТФЭ-ком-
лозициями антифрикционные свойства. Однако, обладая |
более |
низким значением температуры размягчения (~ 1 0 0 ° С), |
он не |
может быть применен в тяжелонагруженных узлах трения.
100