книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

У ПВД, который имеет несколько боковых групп, поведение другое. При низких скоростях скольжений фрикционные и износные характеристики образцов с наполнителями и без них одина­ ковы. Однако при высоких скоростях на гладких поверхностях закаленной стали (средняя (высота неровностей 0,05 мкм) плен­ ка вызывает некоторое снижение фрикционных характеристик и очень большое снижение износа полимера. Подобное улучшение не наблюдалось на поверхностях стекла или на грубых поверх­ ностях, где полимер износился из-за действия микрорезания, а адгезионная составляющая трения была незначительной.

Полученные результаты дают основание утверждать, что главной ролью наполнителя является создание крепко прилеп­ ленной на поверхности контртела пленки полимера. На такой пленке полиэтилен даже без наполнителей превращается в срав­ нительно износостойкий материал до тех пор, пока начальная пленка постепенно не истирается на поверхности.

Получены оптимальные условия, при которых износ минима­ лен, соответствующие средней температуре около 50° С на по­ верхности контртела. При более тяжелых условиях, когда тем­ пература растет и полимер начинает размягчаться, износ быстро увеличивается. В этом отношении наполненный ПТФЭ с его бо­ лее высокой температурой размягчения должен проявить себя лучше при тяжелых условиях работы.

Наполнитель не вызывает каких-либо заметных химических деградаций в самом полимере и не меняет его механические свойства. Тот факт, что наполнитель неэффективен при трении в паре со стеклом, показывает на наличие некоторого специфи­ ческого, химического взаимодействия наполнителя с металлом при температурах, генерируемых в период процесса трения. Это ведет к образованию прочно прилепленной пленки. Также воз­ можно, что одна форма окиси свинца, которая является ламелларным материалом, создает некоторое смазывающее действие. Однако данный вопрос нуждается в более детальном изучении,, при котором следует исходить также из позиции избирательного, переноса, обеспечивающего восстановительный процесс при трении.

Несомненно, нужно проверить применение наполненного ПВД в качестве конструкционного материала в некоторых уз­ лах трения.

Глава IV

ТРЕНИЕ И ИЗНОС ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА. РОЛЬ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

§ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ВЫБОР НАПОЛНИТЕЛЕЙ

Хорошо известно, что ПТФЭ обладает весьма низкими фрик­ ционными характеристиками. С другой стороны, ПТФЭ являет­ ся полимером, имеющим наибольший износ среди кристалличе­ ских полимеров. Согласно данным [136], полученным при испытаниях различных полимеров на износ в паре со стеклом, значения износа ПТФЭ составляют порядка 10-7 см/см, в то время как для других кристаллических полимеров (полиэтилен, найлон, полипропилен)— порядка 10-9 см/см или ниже.

Аналогичные исследования проводились с ПТФЭ, ПВД и ПНД.

ПТФЭ, действительно, является исключением по своим фрик­ ционным характеристикам. Коэффициент трения обычно ниже значения 0,1 по сравнению с / = 0,2—0,6 для большинства дру­ гих полимеров (рис. 39), и сопротивление сдвигу (срезу) на поверхности раздела ниже, чем то же самое в основном мате­ риале. Однако Мейкиноон и Тейбор [110] показали, что сильная адгезия может существовать также между ПТФЭ и контртелом при экспериментах на трение, ведущая к переносу полимера даже когда трение остается низким. Так, в наших опытах после

десятикратного	повторного скольжения		по одному и тому же
следу длиной	4 см на	гладкой и чистой		поверхности стекла
при v — 1 мм/сек, Р =		1 кгс потери в	весе ПТФЭ		составили
60 мкг, в то время как для ПВД и ПНД				они были	порядка

40 мкг.

Причины высокого износа ПТФЭ нуждаются в более деталь­ ном объяснении. Электромикроскопия структуры ПТФЭ [74] показывала его полосчатость, что является значительным кон­ трастом со сферолитной структурой других кристаллических полимеров. Этим, вероятно, также можно объяснить причины высокого изнашивания ПТФЭ. В работе [110] обсуждался вопрос трения и переноса ПТФЭ на основании полосчатой структуры. Однако не были обнаружены прослойка в поверхности трения ПТФЭ и перенесенные на поверхность контртела кусочки поли­ мера.

Штейн [134] изучал поверхность трения с помощью электрон­ ной микроскопии после скольжения образца из закаленной ста-

77

Рис. 39. Зависимость динами­ ческого коэффициента трепня от числа проходов при повтор­ ном скольжении по одному и тому же следу на поверхности гладкого и чистого стекла

1 — ПТФЭ; 2 — ПВД; 3 — ПНД

(скорость скольжения 1 мм/сек, на­ грузка 1 кге; ориентация образцов менялась после каждого десятого прохода)

/г7.	2ff	J0
&0СЛ0	/7/70Х0&00

ли по ПТФЭ и находил, что при этом имело место образование тонких, высокоориентированных пленок.

Адгезия и перенос ПТФЭ к металлам в условиях ультравысокого вакуума были изучены [121] с помощью эмиссионной спектроскопии (AES). Перенос имел место как при статическом контакте под нагрузкой, так и при скользящем контакте. Перенос, образованный после статического контакта, был независимым от химического строения контртела. Электронно-индуцирован­ ная адсорбция фтора в переносном слое ПТФЭ показывает, что фтор не вступал в химическую реакцию с металлом. Коэффи­ циент трения также не зависел от химического состава металли­ ческого контртела. Однако при скольжении ПТФЭ по поверхнос­ тям мягких металлов, таких, как алюминий, происходило накоп­ ление металлических частиц износа, которые, внедряясь в ПТФЭ, сначала удаляют первоначальную пленку переноса ПТФЭ, а затем и истирают металлическую поверхность.

Исследования морфологических структур в волокнах ПТФЭ были проведены в работе [96], где показано, что волокна были составлены из микроволокон или фибриллов.

Почти во всех указанных выше работах не была измерена интенсивность изнашивания и не были обнаружены деформация и разрушение полосчатой структуры в процессе износа. Поэтому желательно провести (морфологические исследования по опре­ делению механизма износа ПТФЭ.

В [136] экспериментально изучено влияние термообработки, скорости скольжения, и температуры на фрикционные и износные характеристики ПТФЭ. На основании результатов экспери­ ментов и исследования поверхности трения с помощью электрон­ ной микроскопии утверждается, что интенсивность износа в большой степени зависит от структуры полимера, в то время как коэффициент трения является почти независимым. Из тем-

78

нературной зависимости сдвигового фактора энергия активации проскальзывания между кристаллическими пластинками была оценена примерно 7 ккал/мол. Как результат легкого скольже­ ния кристаллических пластинок имеет место разрушение полос­ чатой структуры без какого-либо теплового размягчения поверх­

ности скольжения полимера, и образуется пленка переноса

о

толщиной примерно 300 А на поверхности металлического эле­ мента пары трения. Так как эта пленка легко истирается с по­ верхности, то ПТФЭ показывает высокую интенсивность износа, особенно при тяжелых условиях трения.

С этой позиции очевидно, что путем увеличения адгезии меж­ ду переносной пленкой и контртелом без нарушения гладкого молекулярного профиля ПТФЭ можно повысить его износостой­ кость с сохранением низкого трения даже при высоких скорос­ тях и нагрузках. Этого можно добиться использованием опреде­ ленных наполнителей с учетом достаточно высокой температуры размягчения ПТФЭ. Наполнители также обеспечивают увеличе­ ние механической прочности и теплопроводности ПТФЭ.

Известно [7, 40, 82, 124, 132], что наиболее распространен­ ными наполнителями для ПТФЭ являются: мелкодисперсные порошки или волокна твердых смазок (уголь, графит, двусер­ нистый молибден), мелкодисперсные порошки и волокна неко­ торых неметаллических материалов (стекло, асбест, различные типы керамических материалов, включая слюды и др.), порошки и частицы металлов, сплавов и (металлических окисей (бронза, серебро, медь, свинец, окиси алюминия, меди, свинца, калий и др.). Правда, асбест, имеющий много полезных свойств, в на­ стоящее время не рекомендуется в качестве наполнителя для ПТФЭ, так как он меняет свое поведение неожиданно и различ­ ным образом при спекании композиции. В табл. 1 приведены наиболее часто применяемые крупнейшей английской фирмой ICI наполнители для ПТФЭ.

Результаты испытаний [40] показали, что введенные во фторо- пласт-4 наполнители резко снижают интенсивность износа при трении по стали без смазки. Наиболее высокой износостойко­ стью отличались композиции со стружкой антифрикционных бронз в качестве наполнителя. Причиной такого значительного влияния наполнителей на износостойкость фторопласта-4 яв­ ляется, по мнению авторов, изменение механических свойств и теплопроводности фторопласта с введением наполнителей. Ме­

ханические	и антифрикционные характеристики образцов		из
фторопласта-4 с наполнителями		(схема трения: сфера — кольце­
вой образец;	ртч —75 кгс/см2;	v = 0,21 м/сек) при трении	по

стали ШХ9 без смазки приведены в табл. 7, где в первой строке показаны данные для фторопласта-4 из блока, в последующих — для фторопласта-4 из суспензии 4Д с соответствующим напол­ нителем.

79

Т абл и ц а	7
	О'	“
	\П	частицРазмер наполнителя,N	Удельныйвес образца,г/см3
Наполнитель	Содержание,о<
			2,1
Свинец	40	100—200	4,04
(порошок)	30	<0,5	3,86
Серебро
(порошок)	30	2 -5	2,11
Нитрид бора
(порошок)	30	3-10	2,11
Графит
(порошок)	30		3,55
Бронза ОФЮ-1		_
(стружка)			3,42
Бронза 6-12
(стружка)

Твердость,

кгс/мм2

по Роквеллу	но Бринеллю
3,3	4,4
4,0	5,8
4,1	8,8
5,0	9,4
4,9	7,2
3,7	8,6
4,5	8,8

5		р>*	К ~
X		л	8 s
а		о	* S
			з =L*
		и
охСкоростьлa 65°С,до95с ^секград	Коэффициент трения	а	Интенсивность установив1(при работырежиме мм3/км
		2
		«
		3
		£
		О)
		«о
		О
		О
0,38	0,235	38,0	50,3
0,76	0,285	4,2	0,33
0,84	0,34	1.17	0,086
0,84	0,19	1,04	0,056
1,03	0,275	0,69	0,041
1.0	0,17	0,34	0,017
0,8	0,235	0,35	0,015

По другим данным [26, 53] для фторопластовых -композиций не наблюдается прямой связи износостойкости с механической прочностью, а именно: при незначительном изменении механи­ ческих свойств износостойкость возрастает в сотни и тысячи раз (табл. 8). Это объясняется тем, что в присутствии наполнителей на поверхности трения образуется ориентированная пленка из фторопласта-4, хорошо удерживаемая на поверхности наполни­ теля и способная к многократному деформированию без раз­ рушения.

Т абл и ц а 8

				Интенсив­
Наполнитель		Содержа­	Удельное	ность ли­	Коэффи­
			давление,	нейного'	циент
		ние, об. %	кгс/см2	износа, X	трепня
				XI О—9
Свинец (порошок до 71 мкм)			50	1985	0,19
		15	38	0,56	0,15
Бронза БрОФЮ-1 (стружка)		20	75	1.2	0,15
Бронза БрОФЮ-1 (стружка)	\	20			0,13
Графит С-1 (до 4 мкм)	1	20	75	0,77
Свинец (до 71 мкм)	J	10
П р и м е-I а н и е. Схема трешя: вал — ллоскнй образец; v = 0,3				м сех.

80