книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

Заготовки образцов прессовались в специальной пресс-форме '(рис. 15). Спекание проводилось под давлением (давление, соз­ данное при прессовании, фиксировалось в пресс-форме с по­ мощью накидной гайки) в муфельной печи. При нагреве прессформы давление на заготовку образца не снимается и даже возрастает, так как коэффициент линейного расширения поли­ этилена во много раз выше, чем у стального материала пресс- •формы. После спекания образцы разрезались на отдельные сек­ ции, и просмотр под микроскопом показал, что наполнители обычно были рассеяны однородно в образце. Однако были най­ дены также определенные площади с размером частиц до ;500 мкм (рис. 16), которые содержали локальные концентрации, по-видимому, чистого полимера. В табл. 6 приведены компози­ ции образцов.

Использовались контртела трех типов: гладкая закаленная сталь, абразивная бумага и подвергнутое обжигу стекло типа «пайрекс» (Ругех). Стальная поверхность полировалась карборундной (карбид кремния) бумагой 600 и имела среднюю высо­ ту неровностей 0,05 мкм с примерным количеством выступов 300 на 1 мм по направлению скольжения, измеренных с помощью профилометра «Талисерф». Поверхность стекла очищалась сле­ дующим образом: в течение 12 час она выдерживалась в среде хромовой кислоты, смешанной с концентрированной серной кис­ лотой, после чего промывалась дистиллированной водой и под­ вергалась. обжигу на газовом пламени. Подготовленные таким образом стекла обертывались фильтровальной бумагой и храни­ лись под стеклянным колпачком.

Измерения характеристик трения и износа проводились на испытательных установках Элдриджа двух модифицированных типов {77].

Изучение химической композиции образцов было проведено с помощью рефлексной инфракрасной спектроскопии. С этой

51

целью был применен единичный рефлекснонный мостик, связан­ ный со спектрометром Перкин-Элмер «Инфракорд» (диапазон длины волн от 3 до 15 мкм).

Поверхности полимерного образца и контртела исследова­ лись после трения с помощью оптической и трансмиссионной электронной микроскопии.

Для электронной микроскопии реплики (точные копии) по­ верхностей подготавливались следующим образом [36]: кусок целлюлозно-ацетатного листа размягчался ацетоном и придав­ ливался к поверхности. Отпечаток поверхности на листе удалял­ ся, и реплика покрывалась тонким пыльным слоем угля (40 нм)

ем. Маленькие куски этого листа ( 2 x 2 мм) устанавливались на специальных микроскопических сетках диаметром 3,05 мм и ацетатные листы удалялись растворением их парами ацетона в течение 12 час. Угольные пленки потом обрабатывались в ваку­ уме парами платиновых пластинок, образованных с помощью

электрической дуги при их контакте, для получения теневых

о

сторон на реплике толщиной примерно в 200 А. Пары платины направлялись к поверхности пленки под углом 60°. После этого реплики изучались с помощью электронного микроскопа типа АЕ1 EM6G.

Оптические исследования проводились на стандартном рефлексионном микроскопе.

§ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЯ

Трение при низких скоростях. Эффект поверхностной неров­ ности. На рис. 17 приведены результаты износа трех образцов

(см. табл. 6): ПНД (4), ПВД (/) и композиции окись свинца —

Рис. 17. Зависимости изно­ са образцов после одного прохода длиною 50 мм по поверхности абразивной бу­ маги от числа повторных скольжений по одному и то­ му же следу (темные и светлые точки относятся к абразивным бумагам со средними высотами неров­ ностей 2 и 6 мкм соответст­ венно)

53

9,2 кгс/мм2, в то время как образец 3 с наполнителями имел

слегка заниженное значение — 8,0 кгс/мм2, измеренное при оди­ наковых условиях нагружения.

На рнс. 21 показано влияние поверхностной неровности на износ тех же трех образцов для одного прохода 50 мм при на­ грузке 2,5 кгс и скорости 1 мм/сек. Все три образца имели по­ добные значения износа, по крайней мере при значении средней пиковой высоты поверхностной неровности ниже чем 1,4 мкм. При таких низких скоростях и сравнительно коротких дистан­ циях скольжения, когда износ очень мал, невозможно выявить какие-либо отличия в величинах износа для поверхностей со средними пиковыми высотами меньше чем 1,4 мкм. Наконец, хотя изменение нагрузки заметно влияет на величину износа, это влияние оказывается одинаково для всех образцов. Напол­ нитель не улучшает износостойкости.

Результаты экспериментов, приведенные в работе [22], позво­ ляют сделать аналогичный вывод о том, что в условиях статиче­ ского трения, а также динамического трения с малыми скоро­ стями, когда отсутствует разогревание контактирующих поверх­ ностей, фрикционные свойства ПВД мало изменяются при введении в него в качестве наполнителя порошка высокодисперс­ ного железа. Естественно, что в случае разогревания наполнен­ ный полиэтилен, характеризуемый более высокими термомеха­ ническими свойствами по сравнению с ненаполненным, будет от­ личаться и более высокими эксплуатационными качествами.

Рассматривая вопрос о поведении полимеров в условиях статического трения при значительных нормальных нагрузках, авторы обращают внимание на следующее. Сила трения как на­ полненного, так и ненаполненного полиэтиленов возрастает с увеличением нормальной нагрузки во всем использованном ими интервале давлений. Если для наполненных систем это возрас­ тание еще объясняется увеличением площади истинного контак­ та с ростом нормальных нагрузок, то в случае исходного нена­ полненного полиэтилена в достаточно широком диапазоне давлений считается, что трудно ожидать существенного измене­ ния площади истинного контакта, которая при давлениях выше 200 кгс/см2 приближается к площади номинального контакта. Этот факт объясняется концепциями молекулярной теории трения.

Трение при высоких скоростях. Влияние нагрузки и температуры. В установке, использованной для исследований при высо­

ких скоростях скольжения (2,1 м/сек), не было предусмотрено охлаждение контртела, которое быстро нагревалось в процессе трения. Известно, что обычно невозможно отличить влияние нагружения от влияния температуры. На рис. 22 приведены из­ менения износа двух образцов ПВД с наполнителями' (обра­ зец 3) и без наполнителей (образец 1) после 1 часа трения при

различных нагрузках по начально чистой поверхности стали.

56

-образцами. При нагружении свыше 2 кгс износ полимера без наполнителей очень быстро растет по сравнению с износом об­ разца с наполнителями. При нагрузках больше 5 кгс износ образца без наполнителей (1) является чрезвычайно большим

и ведет к совершенному разрушению образца. Конечные значе­ ния коэффициента трения f и температуры контртела Т после

1 часа трения показаны на рис. 23. Для обоих образцов конеч­ ная температура увеличивается с нагружением подобным обра­ зом, хотя значения для образца без наполнителей выше на 5° С, чем для композиции. Таким образом, низкую износостойкость при нагрузках больше 2 кгс (см. рис. 22) можно объяснить уве­ личением нагрузки или температуры контртела.

Интересно отметить, что конечные значения f для образца

с наполнителями слегка уменьшаются с нагружением. Это мож­ но объяснить уменьшением сопротивления сдвигу (срезу) пле­ нок полимера на поверхности трения с увеличением температу­

стали. Наполнители оказались не эффективными; В этих усло­ виях трения износ был чрезвычайно большим, около 17 мг после 4 сек при нагрузке, равной 5 кгс. Большие частицы материала

удалялись от образца, но это не было обусловлено обширным размягчением поверхностного слоя полимера. Подобная ситуа­ ция наблюдалась, когда ПВД и тот же полимер с наполнителя­ ми (образец 3) работали в паре со стеклом (рис. 24). Здесь

также наполнители износостойкость не повышали. Износ после 10 сек для обоих образцов составлял примерно 2,5 мг. Поэтому •следует считать, что полезное действие наполнителей для повы­ шения износостойкости ПВД ограничено. Роль контртела также является важной. Кроме того, уменьшение износа наблюдалось при использовании смеси двух окисей — свинца и меди. Отдель­ ный наполнитель оказывал малое воздействие на повышение износостойкости. Например, образец 2 имел схожие износные

характеристики с ПВД без наполнителей.

До сих пор мы рассматривали значения износа после дли­ тельного периода трения. Если износ рассматривается как функция от времени или от пути трения, то мы видим другие важные различия между образцами с наполнителями и без них. Рис. 25 иллюстрирует изнашивание ПВД (образец 1) и ПВД с наполнителями (образец 3) в период времени скольжения при

двух значениях начальной поверхностной температуры. Контр­ тело предварительно подогревалось. Следует обратить внимание на следующие три момента.

68

Рнс. '25. Зависимости сум­ марного износа от времени при двух начальных поверх­ ностных температурах 20 и 45° С для образцов 1 и 3

(цифры на кривых — поверхностные температу­ ры; скорость скольжения 2,1 м/сек, нагрузка 5,06 кгс)

Рнс. 26. Зависимости износа после 15 мин трения по на­ чально чистой стальной по­ верхности от начальной (/) и конечной (//) поверхност­ ной температуры для образ­ цов 1 и 3 (скорость сколь­

жения 2,1 м/сек, нагрузка 5,06 кгс)

Первый момент: износ композиции всегда намного меньше,, чем исходного наполненного полимера.

Второй момент, наиболее важный: изменение величин изно­ са по времени значительно различается для двух полимерных материалов. Для ПВД (образец 1) величина износа почти неза­

висима от времени трения. Однако для образца с наполнителя­ ми 3 суммарная величина износа достигается главным образом

в период первых нескольких минут с начала эксперимента. После чего суммарный износ практически постоянен или, дру­ гими словами, значение износа нулевое. Таким образом, в то время как образец без наполнителей изнашивается однообразно

59

по всему диапазону измерения, образец с наполнителями изна­ шивается главным образом в ранних стадиях скольжения. По некоторым данным, полученным после кратковременного тре­ ния, видно, что величины износа для двух образцов (1 и 3) в

ранних стадиях (после 5 мин трения) имеют очень схожие зна­ чения. Эти результаты подтверждают предположение о том. что влияние наполнителей есть способствование увеличению адгези­ онной связи между пленкой переноса и основным материалом. Как только пленка образована, малый износ появляется как следствие. Позже эксперименты подтвердят это.

Третий момент: температурные зависимости величины изно­ са для двух образцов различны. Для ПВД значения износа возрастают с увеличением температуры, тогда как для напол­ ненных образцов износ уменьшается. Этот эффект более по­ дробно иллюстрирован на рис. 26, который показывает влияние температуры на величину износа для тех же двух образцов. Износ был определен после 15 мин трения. И здесь же указаны также конечные значения температуры на поверхности контртела. Образец без наполнителей 1 показывает почти монотон­

ное увеличение износа с ростом температуры. Повышение тем­ пературы размягчает полимер и тем самым увеличивает площадь фактического контакта, так же как уменьшает его сопротивление сдвигу (срезу). Образец с наполнителями, однако, показывает минимум значений износа при температуре около 50° С. Темпе­ ратура на поверхности раздела будет, конечно, намного больше этого значения. Причина такого эффекта пока неполностью ясна, но, возможно, что при такой температуре сопротивление сдвигу (срезу) полимера сравнивается с усилием сдвига (среза) прилепленной на поверхности контртела пленки.

Процесс образования переносной пленки, естественно, ока­ зывает влияние и на характер изменения коэффициента трения. На рис. 27 приведены зависимости коэффициентов трения для образцов 1 и 3 от продолжительности трения при нагрузках 1,0

и 5,06 кгс.

При малых нагрузках (1 кгс) происходит сравнительно не­ большое тепловыделение и процесс формирования переносной пленки протекает медленно, да и сама пленка получается не­ совершенной. Поэтому оба образца проявляют себя примерно одинаково и воздействие наполнителей особенно не сказывается. А при больших нагрузках (5,06 кгс) тепловыделение значитель­ но и влияние образованной пленки на поверхности контртела на характер изменения коэффициента трения очевидно. Образец с наполнителями 3 быстро формирует пленку, которая сохра­

няется в период исследуемого времени, и поэтому коэффициент -трения во всем интервале времени держится постоянно на уров­ не значения — 0,3. В то же время исходный ненаполненный ПВД формирует весьма недолговечную пленку переноса, из-за чего коэффициент трения сохраняет свое минимальное значение

.60