книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

повторных контактов. При ускоренных испытаниях на машинах

переносную пленку при ускоренных испытаниях на износ, чем при натурных испытаниях узлов трения. В связи с этим часто величины износа в реальных узлах трения превышают значения, полученные путем прогнозирования по результатам ускоренных лабораторных испытаний. Однако не исключена возможность противоположного эффекта. Так, когерентные переносные плен­ ки от подкрепленного углеволокном ПТФЭ на стальных поверх­ ностях образовались только тогда, когда номинальное напряже­ ние было ниже 7 кгс/см2 [86]. Поэтому значения износа в под­ шипниках скольжения из таких материалов иногда могут быть заметно ниже, чем значения износа, полученные при испытаниях па установках типа палец — диск.

О степени влияния образованной пленки [105] на величину износа можно судить и по рис. 10. Здесь показана зависимость объемного износа композиции эпоксид — углеволокно от време­ ни при трении по поверхности нержавеющей стали. В начальный период скольжения на стальной поверхности образуется пленка переноса и скорость изнашивания постепенно уменьшается до лимитированного значения, как только первоначальная топогра­ фия контртела заменяется топографией переносной пленки. Ана­ лизы пленки показывают, что она содержит деградированное углеволокно совместно со смолой. В точке А в зону трения до­

бавляется вода. В течение незначительного времени пленка пе­ реноса удаляется от поверхности, первоначальная топография восстанавливается и величина износа увеличивается примерно в 500 раз. Эффекты такого рода, по-видимому, имеют место вез­ де при влажных условиях работы, и материалы, предназначен­ ные для сухого трения, изнашиваются гораздо быстрее.

Большие возможности по созданию металлополимерных ма­ териалов с высокой нагрузочной способностью и износостойко­ стью открываются благодаря эффекту избирательного переноса при трении, открытому И. В. Крагельским и Д. Н. Гаркуновым [20, 25, 31].

Способы применения избирательного переноса достаточно разнообразны, что дает возможность широкого их использова­ ния не только в узлах трения бронза — сталь, но и в узлах пласт­

ществ в долях процентов или полимеры, исключающие возникно­ вение пленок окислов на поверхности трущихся тел. Тогда сво­ бодная металлическая поверхность, вступая в электрохимическое взаимодействие со смазкой, образует тонкую пленку металла, которая наделена свойствами уменьшать трение и износ.

31

Представляется весьма эффективным использование избира­ тельного переноса для сухих пар трения с применением полиме­ ров с наполнителями в виде металлических частиц при трении по стали. Хорошие результаты в этом направлении получены В. А. Белым с сотрудниками [7, 12]. По их мнению, подходящим наполнителем для полимеров может служить закись меди, ко­ торая в восстановительной среде при небольшом нагреве легко восстанавливается до чистой меди. Восстанавливаемая глицери­ ном медь образует активный слой, резко снижающий трение и износ сочленения. По мере нарастания износа полимера проис­ ходит обогащение поверхности частицами меди, которые в ко­ нечном счете образуют несущую «сервовитую» пленку.

В табл. 3 приведены результаты сравнительных изиосиых ис­ пытаний композиционных материалов на основе полимеров при

Из табл. 3 видно, что наполнение фторопласта-4 закисью ме­ ди позволило снизить износ без смазки в три раза, а при смазке глицерином — почти в 100 раз в сравнении с композицией фторо- пласт-4 + 40 вес. % А120з (последний считается известным эф­ фективным наполнителем фторопласта-4). При сухом трении износ композиции поликапроамид + 40 вес. % Си20 был в шесть раз меньше износа образцов из чистого поликапроамида. А при смазке глицерином износ поликапроамида с Си20 снижался бо­ лее чем в 120 раз в сравнении с износом чистого поликапроамйда при одинаковых условиях испытаний.

Результаты фрикционных испытаний прй трении без и со смазкой глицерином показали, что наиболее низким коэффици­ ентом трения без смазки обладает композиция фторопласт-4 + + 40 вес. % Си20 , а величина коэффициента трения в глицери­ новой среде монотонно снижается по Мере формирования медной

32

можно реализовать эффект избирательного переноса в металло­ полимерных парах трения. Совмещение металлов с полимерами создает многообразные формы сочетания компонентов, обеспе­ чивающих безызносность трущихся пар. Одним из эффективных путей является пластификация металлонаполненных полимеров смазочными средами, в которых реализуется избирательный пе­ ренос [9].

Представляется перспективным использование явления изби­ рательного переноса также и во фрикционных парах трения для решения проблемы повышения износостойкости поверхностей при трении без смазки. Осуществление избирательного перено­ са во фрикционных парах встречает ряд трудностей: нагревание поверхностей до 350—600° С и более, недопустимость снижения коэффициента трения и др. В состав многих фрикционных мате­ риалов вводят латунную проволоку или стружку, бронзу, медный порошок и другие наполнители, при наличии которых наблю­ дается явление избирательного переноса. Правда, образование пленок иногда приводит к резкому снижению коэффициента трения.

Из пленкообразующих серосодержащих соединений в соста­ ве фрикционной композиционной пластмассы были опробованы сернистое железо (FeS) и сернистая медь (Cu2S) [21]. В первом случае наблюдалось взаимодействие металла с сернистым же­ лезом пластмассы по уравнению

при этом на поверхности трения металла образуется противоза­ дирная сульфидная пленка и выделяется атомарное железо.

При трении пластмассы, содержащей сульфид меди, имело место взаимодействие по уравнению

Последний материал авторами считается наиболее подходя­ щим для осуществления явления избирательного переноса. Ими же исследовано еще и образование электрических зарядов при трении фрикционных материалов по металлу, а также вместе с механо- и термохимическими процессами их влияние на форми­ рование пленок, взаимный перенос, изнашивание и фрикцион­ ные свойства поверхностей. Показано, что повышение износо­ стойкости фрикционной пары достигается путем снижения элек­ тросопротивления полимерного материала. Повышение значений коэффициента трения примерно в два раза получено при пропус­ кании электрического тока от внешнего источника через поверх­ ность трения пары электропроводящий полимер — металл.

И другие факторы оказывают влияние на перенос материа­

[49] было сделано предположение, что ответственным за возник­ новение этого аномального процесса схватывания является во­ дород. Гидрогенизация поверхности трения происходит в ре­ зультате разложения углеводородных смазок или материала одного из элементов узла трения. Выделение водорода при тре­ нии пластмассы было установлено с помощью масс-спектромет­ ра [32].

Проявление восстанавливающего действия водорода при су­ хом трении пластмассы со сталью было обнаружено В. А. Белым и Б. И. Купчиновым при испытании образцов из полиамида с закисью меди в качестве наполнителя. В процессе трения пласт­ массы со сталыо происходило восстановление закиси меди до меди. Поставщиком водорода здесь являлись полярные группы, находящиеся в полиамиде как в связанном, так и в свободном состояниях.

Перенос металла имеет место в узлах трения чугун — пласт­ масса, применяемых в тормозных колесах самолетов [20]. Одна

лодку. Срок службы тормозных колодок из пластмассы-22 весь­ ма мал.

Для количественного определения переноса металла на пластмассу в зависимости от ее состава и режимов трения в ра­ боте [38] дана специальная методика.

§ 3. ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ

При трении и износе материалов большое значение имеют физико-механические процессы, протекающие на поверхностях трения. Среда играет при этом основную роль. Для твердых по­ лимеров влияние среды изучено недостаточно. Наиболее актив­ ным считается кислород воздуха. Его влияние связано с харак­ тером взаимодействия на границе полимер — металл. Если про­ исходит износ мягкого металла в паре с жестким полимером, то уменьшение содержания кислорода способствует схватыванию между металлом и поверхностью полимера, на которую перене­ сен металл. При отсутствии пленки переноса металла кислород практически не влияет на трение полимеров.

Процесс истирания полимеров по гладким поверхностям счи­ тается усталостным процессом, и поэтому особенно большую роль играет окружающая среда, влияющая на кинетику деструк­ ции полимера при износе.

Следовательно, во многих случаях вследствие протекающих механохимических процессов меняется природа поверхностных

34

исходят химические реакции и что за соединения образуются в результате, и потому требуются дополнительные исследования.

Особенностью полимерных материалов является способность их к самосмазке, что сильно затрудняет анализ эксперимен­ тальных данных по исследованию влияния смазки на трение полимеров.

Эффективность действия смазки полимеров значительно ниже, чем у металлов, благодаря малому числу активных центров на поверхности полимера, способных удерживать мономолекулярный слой смазки. Полярные и неполярные смазки ведут себя в полном соответствии с адгезионной способностью полимера (5]. Так, например, при трении полиэтилена и фторо­ пласта-4 по стали введение в смазку полярной присадки не влияет на величину силы трения. Для полиамидов полярные •смазки более эффективны, чем неполярные. Аналогично поляр­ ные смазки влияют и на трение термореактивных пластмасс.

В ряде случаев полимер набухает в смазке, это ухудшает его механические свойства и может привести к увеличению износа. В связи с этим Рубинштейн [128] считает, что молекулы смазки могут проникать в аморфные области полимера, ослабляя силы межмолекулярного взаимодействия, что в свою очередь приво­ дит к уменьшению предела прочности при сдвиге то и предела текучести полимера сгт.

Гидродинамическая теория смазки не может удовлетвори­ тельно объяснить экспериментальные данные по трению полимеров. Преобладающее значение выбора смазки и поверх­ ностных свойств полимерных материалов становится особенно очевидным в тех случаях, когда скольжение твердых тел осуществляется в условиях граничной смазки.

Механизмы действия граничной смазки при взаимодействии твердых тел освещены в работах [18, 34]. Коэффициент трения

где а — доля площади контакта, на которой происходит непо­ средственный контакт двух твердых тел; тСм — сопротивление сдвигу пленки смазки; с — коэффициент формы контакта.

Как указывают В. А. Белый и др. [12], зависимость (5) не учитывает деформационной составляющей трения, что снижает ее практическую ценность. Однако в некоторых случаях она позволяет объяснить, а иногда и предсказать характер измене­ ния коэффициента трения твердых тел в условиях граничной смазки.

Природа граничного трения полимеров, в отличие от метал­ лов, изучена пока недостаточно. В настоящее время существуют несколько гипотез, объясняющих аномальное смазочное дей­

37

ствие различных веществ при трении полимерных материалов [33, 52, 70, 77, 80].

И конечно, еще более трудно объяснить сложные физические процессы, происходящие при взаимодействии наполненных полимеров с контртелами в присутствии граничного слоя смазки. Множество наполнителей различных типов и подкрепляющих веществ активно воздействуют на адсорбцию молекул смазки, образование зарядов статического электричества, формирование граничных смазочных слоев как на активных, так и на неактив­ ных полимерных матрицах и др.

Рассмотрим влияние смазки на трение и износ наполненных полимеров.

Пратт [126] показал, что долговечность подшипников из ком­ позиции ацеталь — пористая бронза значительно увеличивается при наличии смазки и то же самое имеет место для ненаполнениых найлона и ацеталя. Есть некоторое доказательство предпо­ ложения, что большинство органических жидкостей с химиче­ скими аналогичными структурами значительно влияет на уменьшение износа полимерных материалов [75]. Обычные смаз­ ки при граничном трении сначала только слегка уменьшают трение, а потом вследствие адсорбции на металлической поверхности резко уменьшают его [18]. Органические жидкости влияют и на образование пленки переноса на поверхности контр­ тела. Эксперименты с термореактивными пластмассами, под­ крепленными углеволокном, показывают, что пленка переноса не содержит значительного количества углерода, выделенного из волокон, как это имело место при сухом трении. Но вместо этого образуются смеси смолы и смазки [102]. Возможно, что смазка увеличивает пластифицирование пограничного слоя полимера или сама частично полимеризуется, но детали этих процессов все еще не ясны. Как при сухом трении, так и при трении со смазкой пленки переноса эффективно маскируют топографию лежащей ниже поверхности контртела и тем самым уменьшают значения износа [105]. При органических смазках значения изно­ са одинаковы со значениями износа, полученными при трении без смазки и в коррозийных жидкостях (FeCl3). И они также подобны значениям износа в водной среде для одной и той же композиции с незначительной добавкой абразивов.

Вообще, термин «смазка» — весьма общий, и почти всегда считается, что какая-нибудь жидкость может проявить себя как смазка и быть полезной при трении полимерных материалов. До известной степени это верно в том, что можно предотвратить износ, если, например, обеспечить условия гидродинамической смазки. Но наполненные полимеры неизменно работают в усло­ виях граничной смазки или сухого трения.

Углеводородные смазки обычно имеют преимущество в мно­ гократном уменьшении значений износа на практике [83]. Это не наблюдается при использовании воды в качестве смазки. Для

38

подшипников с волокнами ПТФЭ показано [78], что их долговеч­ ность по износу в морской воде в условиях колебательных движений составляла 7з—lU долговечности аналогичных под­

шипников на открытом воздухе, что прямым образом связыва­ лось с разрушением или необразованнее переносного покрытия на поверхности контртела.

О’Роурке {120] подтверждает это предположение, находя, что износ увеличивается при трении различных наполненных поли­ мерных материалов по стали с водяной граничной смазкой. Однако износ уменьшается, когда полимерные композиции трутся друг о друга. Поэтому интерес могут представить как комбинации наполненного полимера, работающего в паре с тем же материалом, так и комбинации наполненных композиций, работающих в паре с металлическим элемейтом, предварительно покрытым полимером. Это в первую очередь относится к таким реактивным полимерным матрицам, как ПТФЭ и полиэтилен. Хотя обобщения в данной области сделать трудно, но считается £82], что наилучшпе наполнители для ПТФЭ при работе в условиях водяной смазки — уголь и графит.

Анализ результатов [60], полученных при исследовании трения композиций на основе фторопласта-4 в дистиллирован­ ной воде, показывает, что вода оказывает влияние на интенсив­ ность изнашивания и коэффициенты трения металлополимерных пар, снижая их в среднем на порядок по сравнению с трением без смазки. Адсорбированные молекулы воды на поверхности трения металлополимерных пар не могут полностью их разде­ лить, что приводит к соприкосновению отдельных микронеров­ ностей, высота которых больше толщины пленки, к срезу их при трении и, как следствие, к возрастанию износа.

Но влага двояким образом влияет на трение: образует пленку на поверхности, а также и поглощается самим полимер­ ным материалом. К тому же полимерные матрицы по-разному чувствительны к влаге. Так, с увеличением содержания влаги от нуля до 10% коэффициент трения полиамидов растет от 0,9 до 1,19 [17]. Коэффициенты трения полиамидных волокон также возрастают с увеличением влажности. Другие же полимерные матрицы, например полиэтилен, полипропилен и особенно ПТФЭ, очень слабо чувствительны к влаге [13, 17].

Интересны исследования Р. М. Матвеевского [39], связанные с трением стали по полиамиду АК-7 с очисткой поверхности полимера следующими способами: 1) промывка спиртом и сер­ ным эфиром; 2) то же, но с последующей сушкой в термостате при 60° С в течение 5 мин; 3) промывка последовательно бен­ зином, ацетоном, спиртом, серным эфиром и четыреххлористым углеродом; 4) то же, но с последующей сушкой в термостате при 60° С в течение 5 мин; 5) проточка. По мнению автора, лучшим является четвертый способ.

39

Рис. 11. Интенсивность из­ носа подкрепленной углеволокиом эпоксидной ком­ позиции при трении по нер­ жавеющей стали в различ­ ных жидкостных средах

Одним из наиболее эффективных путей модификации поверхности контртела, которая может иметь место при трении, является коррозия. Это в первую очередь относится к металлам, содержащим двухвалентное железо, во влажных средах или в воде и водных растворах. Коррозия может также прогрессиро­ вать при наличии углеграфитовых наполнителей, потому что их электроотрицательность относительно железа приведет к обра­ зованию электрохимического компонента. Для иллюстрации влияния коррозии молено привести пример изменения величин износа неабразивной композиции (эпоксид, подкрепленный углеволокном) при трении в чистой и морской воде по трем различным контртелам [105]. При трении по поверхности коррозиестойкой нержавеющей стали интенсивности износа идентичны

Исследование дорожки трения на поверхности контртела пока­ зало, что имело место значительное полирование поверхности твердой инструментальной стали, чего нельзя было сказать о более мягкой нержавеющей стали. Результаты по неполностью коррозиестойкой в морской воде нержавеющей стали являются средними (рис. 11). В более коррозийных средах, таких, как раствор FeCl3, интенсивность износа падает до еще более низких значений. Следует отметить, что при полировке поверхностей контртела посредством коррозии и истирания возможна разгруз­ ка поверхности трения путем образования гидродинамической пленки, что также приводит к понижению интенсивности износа.

§ 4. ИСТИРАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

Одним из наиболее эффективных способов модификации поверхности трения металлического элемента пары трения с последующим ее воздействием на процессы трения и износа

40