книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

Рис. 5. Зависимость объемного износа от пути скольжения для эпоксидной композиции с углеволокиом при нагрузке 3,8 кгс/см2 и скорости 0,54 м/сек на диаметре 25 мм

В. С. Комбаловым [27] изучалось влияние физико-механичес­ ких и антифрикционных свойств полимерных материалов на установление равновесной шероховатости поверхности стального контртела. Были проведены исследования по определению влия­ ния параметров шероховатости стальных поверхностей на нагру­ зочную способность и износ композиционного металло-фторо­ пластового материала, состоящего из стальной ленты (сталь. 08КП) с нанесенным на нее металлокерамическим слоем из. сферических частиц бронзы ОФЮ-1, в который впрессована, смесь из 75% фторопласта и 25% мелкодисперсного дисульфида молибдена. Этот материал используется в узлах, работающих, при возвратно-вращательном или поступательном движениях, с малыми скоростями и высокими удельными нагрузками, а так­ же в тех случаях, когда масло, консистентные и другие смазки, нежелательны, непрактичны или ненадежны, когда температуры; слишком высоки или низки для обычных смазок.

Для увеличения нагрузочной способности и уменьшения из­ носа композиционных материалов на основе полимеров важным: может быть выбор оптимального и исходного параметров шеро­ ховатости контртела Д.

Величину комплексного параметра шероховатости Д при.

где то — прочность молекулярного взаимодействия в зоне факти­ ческого касания; аг— параметр гистерезисных потерь; v — пара­ метр степенной аппроксимации начального участка опорной кри­ вой шероховатой поверхности; k\— коэффициент, зависящий от v; Г — параметр физико-механических свойств пары трения; рс— контурное давление. •

23-

Коэффициент k\ может быть рассчитан по формуле

где pi, Ц2 и Ei, Е2— коэффициенты Пуассона и модули упруго­

сти для первого и второго тела.

Использование формулы (2) позволяет количественно оце­ нить шероховатость поверхностей, возникающую после прира­ ботки в стационарных условиях трения, а также определить положение точки минимума на .кривой зависимости коэффициен­ та трения от степени шероховатости, оцениваемой комплексным критерием Л. После расчета комплекса Д подбирается исходный класс чистоты и вид обработки, обеспечивающие минимальный износ и величину коэффициента трения.

Чистота обрабатываемой поверхности материалов обычно оценивается средним значением выступов и впадин неровностей (система средней линии или среднеквадратическое отклонение от средней линии). Однако это полностью не определяет поверх­ ность, и следует учесть еще и способ обработки. Так, например, обточенные и отшлифованные поверхности, имеющие одинаковые значения среднеквадратического отклонения 5, по-разному дей­ ствуют на процессы трения наполненного ПТФЭ [82]. Считается, что шлифованная поверхность имеет преимущества перед обто­ ченной и при значениях 5 > 0,75 мкм износ наполненного Г1ТФЭ ^увеличивается. В качестве оптимального значения принято 5 = = 0,2—0,4 мкм.

При комнатных температурах и выше принято, что твердость ERC поверхности металлического элемента должна быть поряд­

ка 58—63 [82]. Поверхностную твердость можно уменьшить толь­ ко тогда, когда применяемые наполнители не имеют абразивных свойств. При выборе более «мягких» материалов в качестве контртела следует учесть как их фрикционные свойства, так и способность противостоять истиранию наполнителями. С этой точки зрения, например, бронза предпочтительнее алюминия. Выбор металлического элемента без учета типа наполнителей приводит к противоречивым выводам о целесообразности их применения. Так, Пратт [125] высказывается за хромирование металлической поверхности, а другие [82, 120] это предположение не поддерживают, считая улучшение фрикционных свойств ми-

24

нимальным. Это можно объяснить тем, что применяемые Прат­ том наполнители были менее абразивными.

Интересные исследования проводились Гилтроу и Ланкасте­ ром [89] по изучению влияния поверхностного состояния метал­ лического элемента и типа подкрепляющих веществ на процессы грения и износа подкрепленных термореактивных смол. Изуче­ нию подвергались композиции с высоким содержанием углеволокон (больше 40 об. %), так как эти материалы обычно пока­ зывают большую износостойкость по сравнению с композиция­ ми с термопластичными матрицами [86].

торой степени графитическими и имели средний диаметр, рав­ ный 7,7 мкм. Волокна типа II, пиролизованные при 1500° С,— полностью неграфитические и имели средний диаметр 8,6 мкм. В качестве матриц были использованы термореактивные смолы (полиэфирная, эпоксидная и др.), а в качестве контртел были выбраны различные материалы с широким диапазоном поверх­ ностной твердости (58—2000) по Виккерсу и со значениями средней линии поверхностной неровности 0,1—0,2 мкм.

Результаты исследований показывают, что на величины ко­ эффициентов трения и износа для всех композиций основное влияние оказывают типы волокна и контртела. Матрица, ориен­ тация волокон относительно поверхности трения и наличие твер­ дых смазок оказывают незначительное влияние или не влияют вообще.

Композиции, содержащие волокна типа I, показывали фрик­ ционные и износные характеристики, главным образом не зави­ сящие от природы контртела. Значения коэффициента трення низкие (0,15—0,30), и на поверхности контртела образуется пе­ реносная пленка. Величины коэффициентов трения и износа композиций с волокном типа II весьма зависели от материала контртела. С материалами очень высокой поверхностной твердо­ сти коэффициент трения имел низкие значения (0,13—0,20),. образовывалась пленка переноса и износ контртела был прене­ брежимо мал. С менее твердыми материалами коэффициент трения высокий (0,4—0,47), переносная пленка не образовыва­ лась и износ контртела временами был исключительно большим.

Величина износа композиций с волокном типа I критически зависела от поверхностной неровности контртела, в то время как износ композиций с волокном типа II не зависел от неровности. При гладких поверхностях рекомендуется композиция с волок­ ном типа I, а при грубых поверхностях — композиция с волокном типа’ II. Считается, что нержавеющая сталь, содержащая более 12% Сг, Может являться хорошим контртелом для композиций с волокнами обоих типов.

Учет только одного типа наполнителя также недостаточен, так как большую роль играет и режим работы. Например, при

,25

низких температурах [93] найдено, что износ подшипниковых материалов на полимерной основе с бронзой или графитом в ка­ честве наполнителя по меди, бронзе или алюминию составляет только 1/10 часть износа при трении по стальной хромированной поверхности вала, а при комнатной температуре наблюдается противоположный эффект. Скорее всего, это объясняется усло­ вием переноса материала, а сам перенос, как известно, резко меняет характер трения и износа.

§ 2. ПЕРЕНОС МАТЕРИАЛА

Литературные данные (69, 82, 105, 122, 130, 135] свидетельст­ вуют о том, что влияние переноса материала на трение и износ полимеров имеет большое практическое значение и требует для своего полного решения всестороннего и более глубокого изу­ чения.

Известно, что образование переносной пленки на поверхно­ сти контртела играет решающую роль в процессах трения и из­ носа композиции на основе ПТФЭ [85], и это справедливо также для композиций с термореактивной смолой в качестве матрицы. Другие работы по исследованию износа подкрепленных углеволокном материалов [99] и свойств тонких пленок ламелларцых твердых смазок [100] показывают, что образование переносной пленки на поверхности контртела зависит от его типа (твердости

ихимической реактивности) и поверхностной неровности. По­ этому важно изучить роль этих' факторов в процессах трения и износа наполненных и подкрепленных полимерных материалов

иособенно влияние переносной пленки.

Пулей и Тейбор [122] экспериментально изучали трение и перенос некоторых полимеров, скользящих по гладким и чистым поверхностям. Для ПТФЭ и ПВД при низких скоростях сколь­ жения по гладкой поверхности стекла или полированного метал­ ла обнаружено значительное различие между значениями стати­ ческого и кинетического коэффициентов трения. Статический коэффициент был порядка / = 0,2, и трение сопровождалось пе­ реносом частиц полимера с толщиной в несколько сот ангстрем. Это явление авторы считают «нормальным» и объясняют свой­ ствами основы полимерного материала. Однако, как только скольжение начинается и полимерный образец принимает пред­ почтительную ориентацию, коэффициент трения падает (f < ОД) и материал переносится или в виде исключительно тонкой плен­ ки (ПТФЭ), или дискретных полосок толщиной менее чем 10 нм (ПВД). Такое поведение полимеров считается не зависящим от степени их кристаллизации «ли кристаллического строения, и низкие значения коэффициентов трения, а также небольшой пе­ ренос объясняются только гладкостью молекулярных профилей.

Перенос материала от полимера к металлической поверхно­ сти обычно происходит в результате адгезионного взаимодейст-

26

вия на площадях контакта полимера, где прочность сцепления поверхностного слоя с основным материалом снижается повтор­

ным циклическим нагружением. Прочность адгезионного шва мо­ жет также увеличиваться за счет механического взаимодействия с поверхностными дефектами (трещины, раковины и др.) контртела. Для ненаполненных полимеров перенос может оказать, двоякое воздействие на процессы износа в зависимости от топо­ графии поверхности. Одним из путей оценки влияния переноса, по Ланкастеру (101, 105], является сравнение величины износа при сухом трении, полученной в период повторных скольжений, по одному и тому же следу на металлической поверхности, с ве­ личиной износа при смазке, измеряемой в период единичного скольжения по металлической поверхности при одинаковой на­ чальной шероховатости поверхности. В первом случае величина установившегося износа зависит от развития переносной пленки, тогда как во втором заметного переноса нет. Экспериментальные результаты показали, что перенос вызывает увеличение износа хрупких полимеров и уменьшение износа более пластичных по­ лимеров. Предполагается, что перенесенные от пластичных мате­ риалов частицы легко деформируются в период повторных на­ гружений и сглаживают первоначальную металлическую поверхность. Тем самым уменьшаются локальные давления на местах поверхностных выступов и снижается величина износа. Для наполненных полимеров перенос возможен как от наполни­ теля и полимера отдельно, так и от обоих одновременно. Твер­ дые смазки (M0S2 и др.), применяемые в качестве наполнителей,, легко переносятся на металлическую поверхность и тем самым уменьшают значения коэффициента трения. То же наблюдается при трении ПТФЭ, подкрепленного углеволокном. Здесь пере­ носная пленка — высокоуглеродистая из-за деградации волокон [85]. С другой стороны, при трении ПТФЭ, подкрепленного стек­ ловолокном, пленка переноса содержит в основном полимерную составляющую композиции.

В условиях трения наполненного стеклом ПТФЭ по поверх­ ности серебра при высоком вакууме [73] наблюдался перенос се­ ребра на поверхность композиции, а не наоборот. Это фактически привело к трению пары металл — металл с увеличением значе­ ний коэффициента трения, следовательно, к увеличению величин износа из-за расщепления поверхности полимерного материала.

Таким образом, определенные наполнители и полимеры мо­ гут быть при трении перенесены на поверхность металлического элемента или наоборот, и создавшаяся пленка переноса может в дальнейшем замедлить перенос (износ) полимерной компози­ ции или другого полимерного материала. Это во многом зависит от адгезионной способности пленки и ее выносливости. Напри­ мер, окиси меди и свинца в качестве наполнителей для ПВД [69, 71] способствуют более прочной адгезии между переносной пленкой и металлической поверхностью. На рис. 6 и 7 показаны

27

гРис. 8. Зависимости коэффи. циента трения и износа от продолжительности сколь­

жения ПВД по поверхности

40предварительной пленки, об­ разованной после трения наполненного ПВД по стали в течение 15 мин (начальная

Рис. 9. Зависимости коэффи­ «-Оциента трения и поверхно­ о стной температуры от про­

00 должительности скольжения.

Рис. 10. Эффект влияния влаги на долговечность-

пленки