книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

чистоты. 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

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

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

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

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

вается еще и тем, что большинство материалов на полимерной основе имеют низкую теплопроводность по сравнению с. металлами, что препятствует рассеиванию фрикционного теп­

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-

96

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

(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

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

С. Б. Ратнеру [51], введение твердых наполнителей, обладающих

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,

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

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.

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-

может быть применен в тяжелонагруженных узлах трения.

100