книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

использовать определенные формы частиц наполнителей в соот­ ветствии с его типом. Так, например, стекло в основном приме­ няется в виде волокон, графит и M0S2 — в форме неравномер­ ных частиц, бронза — в форме сферических частиц и Т. д.

Сагалаев и Шембель [53] находят, что интенсивность линейного износа зависит от размера частиц наполнителя. Более крупные частицы прочнее удерживаются на поверхности трения, чем мелкие, так как для их вырывания требуются боль­ шие усилия.

А. М. Смирнова и др. [54] считают, что механические свойства наполненного полиэтилена в значительной степени зависят от формы частиц порошка. Так, наполнение полиэтилена порошком железа пластинчатой формы, полученного методом

12

восстановления, приводит к значительному возрастанию эла­ стичности полимера даже при больших наполнениях. Авторы считают, что наполнитель в виде частиц пластинчатой формы играет роль смазки, чем объясняется и повышенная деформируе­ мость образцов, наполненных пластинчатым железом. Испыта­ ния фрикционных свойств полиэтилена с наполнителем в виде

пластинчатого порошка показали, что коэффициент статического трения полиэтилена с наполнителем ниже, чем у^наполненного

частицы А120 з практически не влияют на величину коэффициен­ та трения ПТФЭ, в то время как частицы неравномерной формы того же наполнителя примерно в два раза' увеличивают его значение. Такое увеличение коэффициента трения авторы отно­ сят к расщеплению неравномерного А120з, который насыщает поверхность трения до состояния, когда практически имеет место трение А120 з по стали. Повышению значений коэффициента трения способствует и абразивная природа наполнителя, вследствие чего предварительно гладкая поверхность контртела

и размеры частиц могут оказать определенное воздействие [138]. Эксперименты показывают [113, 132], что обычно форма час­ тиц незначительно влияет на износные характеристики напол­ ненных полимеров, хотя она может значительно воздействовать на износ поверхности контртела. С другой стороны, форма на­ полнителя имеет значительное влияние на механические свой­ ства композиционных материалов. Так, Ланкастер [105] показывает, что уголь в виде волокон имеет определенные преимущества перед тем же наполнителем в виде частиц. Особенно это заметно в увеличении жесткости и нагрузочной способности материалов. Аналогичные сравнительные экспе­ рименты проводились Праттом [113], но в качестве наполнителя применялись бронза и стекло. Эти наполнители в виде волокон также улучшают механические характеристики по сравнению с теми же, полученными с наполнителем в виде частиц. Тем не менее форма частиц в конечном итоге оказывает небольшое

влияние на износостойкость.

§ 3. НАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Фрикционные материалы, применяемые в основном в тормо­ зах и муфтах, содержат различные наполнители для обеспече­ ния требуемых фрикционных' и износных' свойств. Наиболее

13

широко употребляемыми наполнителями являются волокна асбеста и хлопчатобумажные ткани, минеральные частицы (кальций, кварц, окись алюминия), металлические частицы (медь, латунь, цинк) и твердые смазки (графит, уголь, MoS2). Матрицей могут служить металлы, силикаты, сульфиды и т. д. или органические полимеры, которые находят все большее применение. Широкий круг полимеров был испробован в каче­ стве фрикционных материалов, но особенное распространение находит фенольная смола [131]. По типу связующего фрикцион­ ные материалы делятся на материалы на каучуковом, смоляном и комбинированном связующем [3]. Изделия на каучуковом связующем имеют относительно высокий и устойчивый коэф­ фициент трения при нагреве до 220—250° С и отличаются невысокой твердостью. Для вулканизации в эти фрикционные материалы добавляется сера. При температурах выше 250° С каучук начинает деструктировать, что снижает износостойкость фрикционного материала и уменьшает его механическую прочность.

В качестве смоляного связующего применяют термореактив­ ные (фенол-крезол-формальдегидные) смолы. Изделия на смоляной основе обладают более высокой стойкостью к сохра­ нению структуры полимера. Поэтому они имеют более высокую износостойкость, но несколько меньшее значение и меньшую стабильность коэффициента трения.

Фрикционные материалы на комбинированном связующем (смесь каучука и смолы) обладают качествами, присущими материалам на смоляной и каучуковой основе. Соотношение между частями комбинированного связующего определяет характеристику фрикционного материала — его физико-механи­ ческие свойства, износостойкость, значение и стабильность

устойчивости материала. Увеличение количества каучука снижа­ ет твердость и увеличивает величину и стабильность коэффи­ циента трения. Применение комбинированного связующего

значением коэффициента трения. Формованные фрикционные материалы на каучуковой основе могут изготовляться как хо­ лодным, так и горячим формованием, а фрикционные материалы на смоляной и комбинированной основах — только горячим формованием [3, 117]. Применяются также и другие методы изготовления [76]. Изменением только условий полимеризации можно получить материалы с весьма различными фрикционны­ ми и износными свойствами.

Большое влияние на физико-механические, фрикционные и износные характеристики оказывают наполнители. Все компо­ ненты должны находиться в оптимальных пропорциях со

14

связующим полимером. Если полимер составляет весьма малую часть композиции, то она может оказаться недостаточно прочной, и, наоборот, большее содержание полимера может привести к снижению коэффициента трения при высоких темпе­ ратурах. Правда, в некоторых случаях незначительное содержа­ ние наполнителей, только лишь несколько объемных процентов, может привести к значительным положительным эффектам по коэффициенту трения и износу.

Среди всех наполнителей для фрикционных материалов наибольшее распространение находят асбесты, применяемые как для армирования, так и для модификации. Асбест — особенно эффективный наполнитель из-за своих способностей противо­ стоять высоким температурам и постоянно разделяться на мель­ чайшие частицы вплоть до молекулярного размера. Кроме того, он обладает высокими прочностными свойствами и сравнительно недорогой. Помимо того, что асбест увеличивает прочность фрик­

0,8) в паре с металлом. Высокое значение коэффициента трения обусловлено, видимо, способностью волокон легко разделяться, что приводит к образованию очень чистых поверхностей трения, а следовательно, и больших площадей контакта. Добавлением асбеста в вязкоупругий материал можно намного понизить температуру при трении. На фрикционные свойства асбофрикционных материалов влияют как длина и распределение асбесто­ вых волокон, так и взаимодействие между полимером и волокном. Очень большое значение имеет тип используемого асбеста. Больше всего применяется переливчатый асбест (хризотил).

При высоких температурах асбест дегидроокисляется и выше 810° С трансформируется в форстерит и кремнезем. Продукты износа в виде пыли от фрикционной накладки содержат или форстерит, или аморфный материал, который при дальнейшем нагреве дает рентгенограмму форстерита. По-видимому, поэто­ му асбест способен противостоять высоким температурам при трении.

Повышение температуры в период трения сначала приводит к разложению связующего, затем продукты разложения спо­ собствуют истиранию асбеста. Трубчатая форма кристаллов [139] открывает высокую возможность адсорбции многих газо­ вых молекул на их поверхностях, что играет большую роль в ускорении механохимических явлений. Исследование показыва­ ет, что истирание кристаллов начинается при температуре около 300° С. Таким образом, повышение температуры выше 300° С должно привести к большему изменению фрикционных характе­ ристик асбофрикционных пластмасс из-за структурного раз­ ложения асбеста. Температура разложения асбеста во мно­

15

гом зависит, от .типа и количества фрикционных модификато­

ров.

Исследование трения и износа асбофрикционных материалов на смоляном связующем с помощью рентгенодифракционного анализа показало [115], что: 1) профильная линия дифракций стремится к типу Коши с увеличением деформаций или циклов усталостного разрушения; 2) температуру структурного разло­ жения асбеста во многих случаях можно снизить путем добав­

лось в зависимости от интегральной широты.

Другая большая группа наполнителей, применяемых во фрикционных пластмассах,— минеральные частицы. В опреде­ ленных условиях коэффициент трения этих наполнителей при­ мерно пропорционален их твердости по Моосу.

Коэффициент трения композиции зависит не только от коэффициентов трения частиц и матрицы, но также от их пропор­ ций из-за сложного взаимодействия между этими двумя фазами.

Износ минералов своеобразен. Контактные поверхности твердых наполнителей становятся ровными и полированными, несмотря на то что их твердость может быть в четыре или пять раз больше, чем у противодействующей металлической поверх­ ности. Возможно, что частица наполнителя изнашивается путем излома в субмикроскопическом масштабе. И все же существует предел твердости частиц, которые могут быть использованы, так как твердые наполнители таят в себе опасность изнашивать поверхность контрэлемента.

Часто используются также и металлические наполнители. Они оказывают влияние не только на значения коэффициента трения антифрикционного материала, но некоторые из них и очищают поверхность трения контрэлемента, не допуская обра­ зования пленок переноса связующего или окисей, которые могут повлиять на величину коэффициента трения f, являясь в то же время термоизоляторами, что приводит к большому нагреву материалов. Этот эффект аналогичен воздействию абразивных частиц.

Применение порошкообразных металлических наполнителей создает более благоприятные условия для протекания темпера­ турных процессов в объеме фрикционного материала, так как приводит к более быстрому отводу тепла благодаря их высокой теплопроводности. Чем мельче частицы металла, тем больше суммарная площадь зон фактического контакта металлического наполнителя с поверхностью трения металлического элемента трущейся пары и тем ниже температура в зоне контакта. Кроме того, чем мельце частицы металлического наполнителя, тем выше способность фрикционного материала к упругому деформирова­ нию на поверхности трения и тем выше его износостойкость.

16

Часто во фрикционные материалы добавляют мелкую латунную или медную стружку толщиной около 0,1 мм и площадью 1—2 мм2.

Применение стружки связано с тем явлением, что катящиеся продукты износа, попадая между поверхностями трения, умень­ шают силу трения, а заклинивающиеся частицы увеличивают силу трения. Введение металлической стружки обусловливает заклинивание продуктов износа, а следовательно, увеличение коэффициента трения. Кроме того, металлическая стружка из материалов с высокой теплопроводностью способствует выравниванию температур по поверхности трения, так как стружка переносит тепло от более нагретых мест к менее нагретым.

Однако неравномерность распределения стружки в массе фрикционного материала приводит к тому, что в разные периоды своей работы трущаяся поверхность фрикционного материала имеет различный состав и, следовательно, различные значения износоустойчивости и коэффициента трения. Введение в состав фрикционного материала металлических добавок изменяет процесс трения.

Коэффициент трения f металлов во фрикционной композиции

вычисляется по формуле [131]

f = т/ЯВ • ctgij),

где т — сопротивление срезу (сдвигу) металла; НВ— твердость

металла; ctg ф — мера загрязнения поверхностей скольжения. Микроскопические исследования показали, что металличе­

ские частицы являлись пластичными в период скольжения и вели себя так же, как и основной материал. Однако эти частицы могут нагреваться до высоких температур при трении, и как т:, так и НВ зависят от температуры, скорости скольжения

и упрочения частиц, которое в свою очередь также зависит от температуры. Все это приводит к осложнению определения соотношения т/НВ. Кроме того, параметр ctgij) также непо­

стоянен — на него оказывают влияние пленки переноса, окисле­ ния и т. д. Следовательно, невозможно точно предсказать значение коэффициента трения f металлических частиц.

В некоторые изделия с целью уменьшения задиров поверх­ ности трения вводят твердые смазки. При этом, уменьшая скорость изнашивания, твердые смазочные вещества снижают коэффициент трения фрикционных материалов и тем самым увеличивают нормальную нагрузку. Проблема поэтому состоит обычно в определении оптимальной нагрузки, при которой существенно уменьшается скорость изнашивания с незначитель­ ным уменьшением коэффициента трения. С экономической точки зрения наибольшее применение получил графит.

Глава II

ВОЗДЕЙСТВИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА

При скольжении по металлу наполнители играют большую роль в процессах трения и износа путем модификации топогра­ фии поверхности металлического элемента как результат переноса полимерного материала, истирания или коррозии. В отдельных случаях значительна их роль в химической моди­ фикации, пластификации и т. д. Они могут являться также поверхностно-активными веществами.

При скольжении по шероховатой металлической поверхности металлические выступы проникают в более мягкий полимер, что вызывает пластические деформации, ведущие к сдвигу (срезу) или к микрорезанию. А при трении по гладким металлическим поверхностям износ является следствием повторных контактов поверхностных неровностей, ведущих к локальным усталостным разрушениям в микромасштабе [30]. В этом случае величина износа зависит не только от прочности а0 и коэффициента дина­ мической выносливости t, но и от радиуса единичной неровно­ сти R [105]:

такими, как найлон и ацеталь, значения t получались порядка 7,

а предельную прочность на растяжение с помощью наполнителей удалось повысить не более чем в два-три раза. Таким образом, если добавкой в эти материалы удастся в период трения увели­ чить средние радиусы поверхностных неровностей в три-четыре раза, то уменьшение величины износа в связи с этим будет зна­ чительнее, чем при повышении прочности. В работе [105] указано, что композиции, подкрепленные волокнистыми материалами, могут значительно изменить средний радиус кривизны поверх­ ностных неровностей (до 15 раз).

Следовательно, при этих обстоятельствах эффект на вели­ чину износа путем модификации топографии поверхности контр­ тела будет намного превышать всякие эффекты, полученные при изменении механических свойств с помощью наполнителей.

18

Согласно Ланкастеру, существует несколько путей, по кото­ рым полимерные композиции могут видоизменять поверхность металлического контртела в .период скольжения (рис. 2).

Нельзя, конечно, утверждать, что модификация поверхност­ ного состояния металлического элемента наполнителями пред­ ставляется единственной причиной различий фрикционных и износных свойств полимерных композиций. Например, при простейшем объяснении механизма усталостного износа подра­ зумевается, что композиция является однородной и внешняя нагрузка распределяется между наполнителем и основным мате­ риалом пропорционально. Такое утверждение в процессах тре­ ния не всегда может быть корректным. Углеволокна в полиме­ рах главным образом служат для восприятия внешней нагрузки [103], и следовательно, фрикционные и износные характеристики этих материалов особенно не зависят от типа полимерной осно­ вы. В доказательство этому можно привести пример подобного явления, имеющего место при трении подкрепленных стеклом термопластов [137].

В композициях на основе ПТФЭ иногда ПТФЭ покрывает тонкой пленкой частицы наполнителя, выступающие на поверх­ ность трения, н тем самым с помощью смазывающего действия снижает значения коэффициента трения [85]. В случае примене­ ния металлических наполнителей существует возможность их частичного переноса на поверхность контртела и адгезионного взаимодействия между этими перенесенными и оставшимися час­ тицами наполнителя. Некоторые из этих процессов взаимодей-

Рнс. 2. Возможные изменения поверхности контртела в период скольжения и их влияние на износ полимера

и это приводит к химической реакции между ПТФЭ и свинцом. Бронза также выступает в роли катализатора в этой реакции, что способствует прилипанию переносного слоя ПТФЭ к поверх­ ности металлического элемента пары трения.

Механизмы модификации поверхности металлического эле­ мента (перенос материала, истирание и коррозия) являются определяющими для процессов трения и износа наполненных полимеров как при сухом трении, так и при наличии жидкостей, которые обычно не считаются смазывающими веществами,— таких, как вода или водяные растворы. Влияние же общеприня­ тых углеводородных или синтетических смазок на трение и из­ нос полимеров может быть также значительным.

§1. вли ян и е ПОВЕРХНОСТНОГО состояния

НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС

Фрикционные и износные характеристики полимеров опреде­ ляются не только физико-механическими свойствами, но и в до­ статочно большой степени условиями испытания, природой и состоянием поверхности трения, а также средой.

Одной из основных расчетных характеристик при трении и износе является фактическая площадь контакта, формирующая­ ся на микронеровностях поверхности. Важнейший показатель — шероховатость — одна из немногих характеристик поверхности, допускающая непосредственный учет при расчете параметров трения и износа.

В предложенной И. В. Крагельским молекулярно-механиче­ ской теории трения [30] показано, что фактическая площадь кон­ такта должна расти с увеличением класса шероховатости по­ верхности. Этот вывод подтверждается в ряде работ, и экспери­ ментально найдено, что коэффициент трения шероховатых по­ верхностей ниже коэффициента трения гладких в полтора-два раза.

На площадь контакта и силу трения очень сильно влияет мо­ дуль упругости полимера, что может быть легко изменено введе­ нием наполнителей. Наполнители, меняя механические, а следо­ вательно, и фрикционные свойства полимеров, в процессе тре­ ния воздействуют и на топографию поверхности. Тем самым в период скольжения постоянно меняется соотношение между адгезионной и деформационной составляющими силы трения. На практике процессы трения и износа полимерных композиций по твердым гладким поверхностям — наиболее распространен­ ные, но изучены они, особенно в теоретическом плане, совершен­ но недостаточно.

20