книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

При сопоставлении данных различных работ в первую оче­ редь необходимо учесть различие методов получения компози­ ций, условий и режимов испытаний, а также процентное содер­ жание наполнителя. Безусловно, в повышении износостойкости всех фторопластовых композиций главную роль играют и повы­ шение механических свойств материала, и образование прочной поверхностной пленки переноса.

Материалы на основе фторопласта-4 с наполнителями нахо­ дят применение для изготовления различных уплотнений в узлах трения, подшипников скольжения, пробок и пластинок с целью уменьшения трения в направляющих станков, опорных и порш­ невых кольцах компрессоров, жидкостных и газовых насосах, подшипниках механических систем электронного оборудования, счетных машинах, точных приборах, а также машинах бытового назначения, пищевой и химической промышленностей.

Кроме ввода наполнителей в основную массу ПТФЭ с целью получения композиционного материала, существуют другие ме­ тоды улучшения фрикционных и износных характеристик мате­ риалов с использованием ПТФЭ с наполнителями.

Из-за относительной легкости, с которой фосфатизированная сталь может быть опылена ПТФЭ с добавкой смеси наполните­ лей, работа [124] по определению влияния наполнителей была проведена на этом материале (табл. 9).

Т абл и ц а 9

81

В табл. 9 показан эффект влияния различных добавок в ПТФЭ (на фосфатизиро-ванной стали) на долговечность под­ шипников (плоские образцы шириной в 10 мм в паре со сталь­ ным валом диаметром 25,4 мм при нагрузке 10,9 кгс, скорости скольжения 1,7 м/сек, без водяного охлаждения). На основании данных, приведенных в табл. 9, было принято, что полученные результаты применимы также и для пропитанной ПТФЭ с на­ полнителями пористой бронзы, имеющей большую практичес­ кую ценность.

Результаты экспериментов показали, что ламелларные ма­ териалы в качестве наполнителей обычно слабо влияют на дол­ говечность. Лучше других M0S2, но оказалось, что есть и другие наполнители более эффективные. Кроме того, из табл. 9 видно, что свинец может быть успешно заменен РЬО.

Наиболее распространенным методом получения порошка наполненного ПТФЭ является добавление наполнителей в вод­ ную дисперсию ПТФЭ в то время, как происходит перемешива­ ние с целью удержания наполнителей в суспензии, и коагуляция ПТФЭ из дисперсии. После чего материал фильтруется, сушит­ ся, спекается и размельчается. Недостатки возникают не только от совокупности самого процесса производства, но и от более основательных ограничений, наложенных использованием полу­ ченного наполненного порошка. Из-за более низкого молекуляр­ ного веса эти порошки являются менее теплоустойчивыми, чем гранулированные полимеры. Кроме того, существует тенденция для сохранения некоторой остаточной влажности. Эти два фак­ тора значительно ограничивают диапазон применения такого порошка, и поэтому развивается метод с использованием напол­ ненного гранулированного типа ПТФЭ [82]. Главной проблемой в использовании гранулированного ПТФЭ является получение соответствующей дисперсии наполнителей. Фирмой ICI разреше­ на эта проблема и создан ряд материалов «Fluon» на базе гра­ нулированного ПТФЭ. В табл. 10 приведены типичные качест­ венные показатели материалов ряда «Fluon V» [82].

Основные трудности, конечно, связаны с выбором типа, коли­ чества и формы частиц наполнителей. В настоящее время, к со­ жалению, не представляется возможным просто и однозначно ответить на эти вопросы главным образом потому, что поведение различных наполнителей не всегда может быть достаточно на­ дежно предсказано. Хотя ситуация постепенно и меняется к луч­ шему, все же текущий выбор типа, количества, а также формы частиц наполнителей чаще проводится по результатам экспери­ ментов, чем на основании полного понимания механизма их воздействия. Опыт оптимального выбора типа и количества на­ полнителей, формы и размера их частиц, а также влияния на­ полнения и подкрепления на процессы трения и изнашивания композиционных систем в целом и наполненных ПТФЭ, в част­ ности, в исследовательской практике приведен в главах I и II.

82

Пр и м е ч а н и е . Теплоустойчивость — потерн веса при Я1)0°С не должны превышать 0,1%; все материалы могут быть сделаны ненорнстыми в зависимости ог метода фабрикации.

§2. ВОЗДЕЙСТВИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФРИКЦИОННЫЕ И ИЗНОСНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Уже отмечалась необходимость создания наполненных сис­ тем, продиктованная весьма низким сопротивлением ПТФЭ изнашиванию, несмотря на его высокие антифрикционные свой­ ства. Теперь уже ясно, что нельзя говорить о зависимости интен­ сивности изнашивания от величины коэффициента трения. Не существует прямой связи между этими двумя величинами. На самом деле, если ненаполненный ПТФЭ имел бы высокие изно­ состойкие свойства, то вряд ли появилась бы необходимость создания наполненных систем. Наполнители все же незначитель­ но меняют фрикционные показатели ПТФЭ, чаще всего повышая, значения коэффициента трения. Но ПТФЭ, обладая весьма низ­ ким коэффициентом трения даже после его некоторого повыше­ ния из-за наполнителей, остается хорошим антифрикционным материалом. На самом деле проблема заключается в улучше­

частиц переноса, объясняемые или поверхностной энергией, или эффективностью усталостных разрушений, представляют собой первостепенную важность [29, 66, 108, 113]. Но как наполнители и условия трения воздействуют на образование и удаление от поверхности пленок переноса — все еще недостаточно объяснено. Было отмечено [125], что минимальная температура на поверхно­ сти раздела способствует образованию достаточно прочной ад­ гезии, а определенные наполнители способствуют этому только при повышении температуры. В главе II уже говорилось о зна­ чении поверхностного состояния для процессов трения и износа. Но многие наполнители в процессе трения способны как отшли­ фовывать начально грубую поверхность трения истиранием, так и пропахивать начально гладкую поверхность путем абразив­ ного действия наполнителей. Отсюда и причина противополож­ ных мнений о влиянии поверхностной неровности [112, 120]. Однако если наполнитель или среда являются чересчур абразив­ ными, то интенсивный износ неизбежен из-за вырывания час­ тиц материалов. По этой же причине следует соблюдать условия удаления продуктов износа из зоны трения.

Для оценки износостойкости наполненного ПТФЭ в зарубеж­

84

получить универсальные значения, справедливые для распрост­ ранения их на другие объекты. В-третьих, зависимость (1) пол­ ностью не отражает совокупность процессов износа, происходя­ щих одновременно при трении наполненных систем.

Так как наполнители и подкрепляющие вещества проявляют себя совершенно по-разному в зависимости от их типа, количе­ ства и размеров частиц, а также условий трения, то чаще всего

пятна касания; п — количество циклов, которое приводит к уста­

лостному разрушению поверхности трения. Проанализировав это выражение, можно отметить три следующих возможных случая:

С. Б. Ратнер и др. [58] предполагают, что износ прямо пропор­ ционален коэффициенту трения и обратно пропорционален твер­ дости, предельной прочности и относительному удлинению при разрыве, в то время как Лонтз и Камник [\0Щ представляют

86

износ как функцию от модуля упругости и деформации на пре­ деле текучести.

И все же в настоящее время нет универсальной зависимости для прогнозирования износостойкости наполненных систем ПТФЭ и других полимеров при их использовании в конкретных узлах трения. Также не легко использовать опубликованные данные экспериментальных работ для практических целей, так как они получены исключительно в лабораторных условиях, отличающихся от действительных.

В работах [7, 40, 112, 124] два способа улучшения триботехни­ ческих характеристик — получение материалов на основе ПТФЭ и обработка поверхности трения с помощью ПТФЭ с наполните­ лями — были рассмотрены как отдельные, индивидуальные, не только в сферах их применения, но также и в механизмах их действий. Такая точка зрения разделения способов применения ПТФЭ обоснована экспериментально. Например, износостой­ кость твердого ПТФЭ, содержащего порошок M0S2 в качестве наполнителя, меньше, чем износостойкость многих других наполненных ПТФЭ, но все же M0S2 считается весьма эффек­ тивным наполнителем для ПТФЭ, когда он применяется для обработки фосфатизированной стальной поверхности.

Митчелл [112] рассматривает пористые бронзовые покрытия на стальной поверхности, которые пропитывались ПТФЭ с обра­ зованием тонкого поверхностного слоя ПТФЭ по бронзе. Исследованы антифрикционные показатели этого материала при сухом трении и сформулирован механизм трения, согласно которому имеет место быстрый перенос поверхностного слоя на контртело и последующий износ бронзы предотвращается путем выделения ПТФЭ из пористых пространств на поверхность трения. Существовало мнение, что оловянистая бронза была эффективной не только как основной материал, пропитанный ПТФЭ, но и как наполнитель в твердом ПТФЭ при определен­ ных низкотемпературных условиях. Однако износостойкость последней композиции быстро уменьшается с увеличением температуры, возможно, потому, что принятая теория «выде­ ления наполнителя на поверхность трения» для пропитанного материала не применима к наполненному ПТФЭ, где ПТФЭ является основным материалом.

Праттом [124] обнаружено, что наполнители оказывают одинаковое воздействие на износостойкость двух типов материалов: фосфатизированная незакаленная сталь, обрызган­

долговечность понизилась. Свинец, наоборот, оказался нсключи-

8 Г

тельно эффективным наполнителем и в обоих случаях способ­ ствовал увеличению долговечности в пять раз по сравнению с той, что имела место при использовании M0S2 в качестве наполнителя.

Исследования [7, 40, 124] посвящены материалам другого типа, полученным объединением порошковых или волокнистых наполнителей в твердом ПТФЭ. Показано, что износостойкость материала такого типа в значительной степени зависит от используемого наполнителя и можно получить соотношение износостойкости почти 1000 : 1 между наихудшей и наилучшей композициями.

Как н в предыдущем случае — с пропитанной пористой ^бронзой и обрызганной фосфатизированной сталью, свинец и его ■окиси являются весьма эффективными наполнителями в компо­ зициях на основе ПТФЭ. При этом даже небольшое содержание бронзы в системе ПТФЭ + свинец существенно повышает износостойкость. Например, наличие 1 об.% бронзы способству­ ет повышению износостойкости композиций в 10 и более раз. ^Оптимальными считаются композиции при содержании 40 об.% наполнителей, когда объемное содержание свинца и бронзы может быть 30 и 10 или 20 и 20. Но содержание 40 об.% напол­ нителей не является, конечно, единственно необходимым. Следует отметить, что величина износа имеет нелинейную зависимость от продолжительности трения. В начальный период износостойкость намного ниже, и это объясняется, по-видимому, образованием пленки переноса на поверхности металлического элемента. С другой стороны, повышение температуры также •отрицательно влияет на износостойкость композиции в условиях

38

сухого трения. Например, для композиции на основе ПТФЭ с 40 об.% бронзы с повышением температуры контртела от 30 до 130° С износ увеличился примерно в 12 раз [113]. Температуру на поверхности трения можно уменьшить, увеличивая содержа­ ние свинца и бронзы. Наличие свинца в композиции также уменьшает величину коэффициента трения.

Исходя из удачного опыта применения фосфатизированной стали, обрызганной ПТФЭ с наполнителями, в качестве анти­ фрикционного материала, интересно рассмотреть вопрос влия­ ния свинца и фосфата на износостойкость ПТФЭ. Было найдено

железа имеет значительно большую износостойкость, чем композиция на основе ПТФЭ с 20 об.% свинца и 20 об.% железа

Как видно, из пяти фосфатов только один — аммоннймарганцевый двойной фосфат был также эффективным, как и кристаллы скребленного фосфата, а остальные четыре оказа­ лись совершенно неэффективными. Оптимальное соотношение свинца к фосфату считалось 3:1. Здесь также испытывалась окись свинца РЬО взамен РЬ. Износостойкость лучшей компо­ зиции свинец— фосфат оказалась почти вдвое выше по срав­ нению с лучшей композицией в условиях сухого трения без охлаждения свинец — бронза.

89‘

Таким образом, было показано, что обрызганная смесью ПТФЭ + свинец фосфатизированная сталь, пропитанная смесью ПТФЭ + свинец пористая бронза, наполненный фосфатом аммония и марганца + свинец ПТФЭ и наполненный брон­ зой + свинец ПТФЭ имеют весьма подобные нзносные свойства. Пратт [124], не обращая внимания на способ получения компо­ зиции, приходит к выводу, что композиция, состоящая примерно из 30 об.% свинца, 10 об.% оловянистой бронзы или определен­ ных фосфатов (таких, как NH4M nP04 или М пН Р04 и 60 об.% ПТФЭ), имеет высокую износостойкость при трении по стальной поверхности. Показано, что во всех случаях свинец может быть заменен РЬО, а олово может быть заменено SnO в комбинациях с бронзой и ПТФЭ. Подобное было замечено между компози­

сколько проясняет роль бронзы в системах бронза — ПТФЭ. Известно, что медь не в состоянии заменить оловянистую бронзу в композициях бронза — ПТФЭ.

Результаты испытаний композиций на основе ПТФЭ с Си, СиО, Си02 и бронзой в качестве наполнителей показывают, что эффективность СиО на износостойкость намного выше, чем Си02, и наполненный окисыо меди ПТФЭ имеет примерно одинаковую износную характеристику с композицией, наполнен­ ной бронзой. Поэтому возможно, что в процессе трения на поверхности оловянистой бронзы образуется пленка окиси меди, в то время как. на меди образуется смешанная СиО- и Си02плеика. Также возможно, что эффективность бронзы обуслов­ лена наличием поверхностной пленки окиси меди.

§3. ХИМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА СВОЙСТВА ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Важное значение имеют и химические реакции на поверхно­ сти раздела между компонентами композиций на основе ПТФЭ. Баклей и Джонсон [73] считают, что износ зависит от механизма разложения и поэтому от температуры на поверхности трения. Харгривс и Тантам [93] полагают, что окись свинца может яв­ ляться носителем кислорода к другим металлам, что позволит получить соответствующее окисление на поверхности контртела. В среде жидких кислорода и азота свинец переносит кислород на поверхность трения металлического элемента путем образо­ вания РЬО. В свою очередь образованная окись свинца входит в химическую реакцию в локальных точках на поверхности трения, где достигается высокая температура. Продуктом этой химической реакции является окись хрома или окись железа, в зависимости от материала контртела. Эти абразивные окиси сглаживают поверхностные неровности металлического элемен­ та, как бы полируя его до очень высокой степени поверхностной

■90