книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

(~ 0 ,3 ) только в период начальных 10 мин скольжения. После чего пленка под действием повторных нагружений разрушается,

изначения коэффициента возрастают до величины 0,55 и более

кконцу 1 часа трения. По записям кривых коэффициента трения на самописце можно судить о схватывании в различных перио­ дах трения. Если для образца 3 небольшое схватывание наблю­

дается только в начальный период скольжения (первые 4 мин) до формирования пленки, то для образца 1 схватывание после

некоторого снижения в период образования недолговечной плен­ ки монотонно растет и принимает катастрофический характер' (диск останавливается, а ремень буксует) к копну 1 часа тре­ ния, когда температура возрастает приблизительно до 100° С.. Значения коэффициента трения на пилообразной кривой в пе­ риод схватываний изменялись от 0,24 до 0,32 для образца с на­ полнителями и от 0,32 до 0,58 для чистого полимера. В эти пе­

риоды схватываний имел место интенсивный износ образцов под действием циклических нагружений. Механизм износа сле­ дует считать усталостным. Подтверждение этому — усталостныетрещины на поверхности образца 1 (рис. 28). Но если продукты

износа наполненного полимера с самого начала процесса тре­ ния прилипают к поверхности стального контртела и образуют пленку с достаточно прочной адгезионной связью со стальной поверхностью (рис. 29), чему весьма способствуют наполнители, композиции, то этого не случается с продуктами износа чистогоненаполненного полимера. На рис. 30 хорошо видно, что про­ дукты износа образца 1 без наполнителей удалены от поверхно­

сти трения самим образцом при повторных скольжениях. Про­ дукт износа в этом случае имеет вид хорошо смолотого порошка.

Трение при высоких скоростях. Продолжительность сущест­ вования переносной пленки. Было уже отмечено, что основной

ролью наполнителей является образование прочного адгезион­ ного шва между переносной пленкой и поверхностью стального контртела. Последующие эксперименты почти полностью под­ тверждают правильность сделанного вывода. Образец с напол­ нителями был прижат к чистой поверхности 'контртела с нагруз­ кой 5,06 кгс, и трение продолжалось в течение 1 часа. Это соответствует примерно 8 км пути трения и 21 000 раз повторно­ го скольжения по одной и той же колее. После чего контртело охлаждалось до начальной температуры (20°С), и потом экспе­ римент повторялся с образцом без наполнителей со скольже­ нием его над уже образованной переносной пленкой в течение 1 часа. Износ в этом случае составил около 510 мкг. Если тот же эксперимент проводить для полимера без наполнителей при трении его по начально чистой металлической поверхности, то износ получится больше 2000 мкг. Фактически, когда ПВД трет­ ся по следу образца с наполнителями, он проявляет себя как предыдущий образец. Однако это случается только тогда, когда предыдущий образец с наполнителями совершает очень много-

62

повторных скольжений по той же колее трения. Вероятно, мно­ жество повторных скольжений являются необходимыми для того, чтобы колея трения была совершенно покрыта пленкой переноса. Возможно, однако, что для образования достаточно прочного адгезионного шва между пленкой и контртелом необ­ ходимо наличие высоких поверхностных температур, которые генерируются на локальных площадях контакта.

Последние два заключения проверены экспериментально. Так, на рис. 31 показаны зависимости коэффициента трения и износа для ненаполненного образца 1 при его трении по пленке

на стальной поверхности, образованной после 15 мин предвари­ тельного скольжения образца с наполнителями 3 при начальной

поверхностной температуре трения 52° С. Хорошо видно, что влияние пленки переноса образца 3 значительно в период сколь­

ность, удаляется от поверхности трения и имеет место типичное скольжение образца 1 по стали. Значения коэффициента трения

и износа резко возрастают, и к концу 1 часа трения вновь появ­ ляется влияние сильного схватывания с перепадом значений коэффициента трения от 0,45 до 0,62. В другом случае, когда пленка переноса образовалась при длительном режиме трения (1 час), она сохраняет свою несущую способность в течение всего периода испытаний (рис. 32). Здесь также стальной диск был охлажден до температуры 18° С, и эксперимент начался при начальных температурных условиях. Для сравнения на рис. 32 показана также зависимость коэффициента трения образца без наполнителей 1 от времени скольжения по начально чистой

стальной поверхности. Эффект влияния предварительно образо­ ванной пленки весьма значителен, и ненаполненный полимер при трении по ней проявляет себя аналогично наполненной ком­ позиции. Таким же образом изменяется и износостойкость об­ разца 1, которая в четыре раза выше при трении по подготовлен­

ной заранее пленке переноса.

Инфракрасная спектроскопия. Спектры поверхностей трех

образцов были изучены с помощью рефлексионной спектроско­ пии. Эта методика позволяет опробовать образцы на глубину нескольких микрометров от поверхности. Для этого были подго­ товлены поверхности тонких слоев толщиной 0,1—0,2 мм ПВД и образца с наполнителями 3. Было принято, что эти поверхности

обеспечивают получение спектров, типичных для общей массы образцов. При исследовании не было обнаружено существенного различия на спектрах этих образцов (рис. 33). Это указывает на то, что наполнители не вызывали каких-либо значительных и постоянных химических изменений в полимере в течение про­ цесса горячей полимеризации образцов. Например, наполнители могли способствовать окислению полимера и образованию угле-

64

Рис. 31. Зависимости коэффициента трения и износа от времени для образца 1 при его трении по пленке на стальной поверхности, образованной после 15 мин предварительного скольжения образца 3 при начальной поверхностной

температуре 52° С (цифры на кривой— поверхностная температура; скорость скольжения 2,1 м/сек, нагрузка 5,06 кгс)

родных и алкогольных групп в углеводородной цепи. Спектры показали, что концентрации этих групп были меньше чем 2% на грамм-молекулу. Это согласуется с фрикционным поведением полимера, поскольку введение таких групп в углеводородную цепь быстро повысило бы фрикционные характеристики поли­ мера [122].

Третий образец для спектроскопии был подготовлен путем трения образца 3 в паре с металлической поверхностью в тече­

ние 1 часа при скорости скольжения 2 м/сек и нагрузке 5 кгс. Спектры поверхности этого образца были очень схожи с темп, что получились для предыдущих поверхностей. Поэтому кажет­ ся, что трение и образованные при этом высокие поверхностные температуры не возбудили каких-либо химических изменений в образце. Практически невозможно изучение композиции плен­ ки переноса с помощью этого метода.

Электронная микроскопия. Пленка переноса на стальных по­ верхностях. На электронных микрофотографиях (рис. 34) пока­

зана поверхность переносной пленки, образованной при трении ПВД по стальной поверхности в течение 1 часа с нагрузкой 5,06 кгс и со скоростью 2,1 м/сек. Три момента здесь заслужи­ вают внимания.

Во-первых, при трении образуется относительно однородная пленка полимера на поверхности контртела и видно весьма не­ большое число обширных кусков полимера.

Во-вторых, большие площади пленки удалены в процессе трения. На рис. 34, а можно легко отличить эти области. Трудно

утверждать, что представляет собой дно этих площадей — сохра­ нился ли там слой полимера или это уже металлическая поверх­ ность? Эти площади, однако, получились более гладкими на

снимках, чем чистая стальная поверхность на соответствующих микрофотографиях.

В-третьих, при большом увеличении (рис. 34, б) наблюдают­

ся очень маленькие кратерообразные структуры. Они равномер­ но распределены по поверхности пленки и имеют максимальный диаметр примерно 0,1 мкм. О происхождении этих маленьких площадей можно только предполагать. Кажется, что они обра­ зованы самым верхним слоем пленки переноса, завивающейся обратно самой себе (рис. 34, в). Более обширные впадины раз­ мерами от 3 до 0,3 мкм (рис. 34, б) образованы путем вырыва­

ния отдельных частей пленки переноса образцом. Наконец, можно дать грубую оценку толщины пленки переноса, которая

впоследствии удалялась от поверхности. Расчетные значения

о

колебались от 80 до 800 А. Нижний предел соответствует при­ близительно 20 молекулярным слоям.

' На рис. 35 показаны микрофотографии поверхности пленки ПВД с наполнителями (образец 3). Эта пленка образовалась

после 1 часа трения при нагрузке 5,06 кгс и скорости скольже­ ния 2,1 м/сек. Она намного когерентнее, чем те, которые были показаны на предыдущих микрофотографиях. Хотя иногда и появляются полоски полимера в направлении скольжения, но все же на переносной пленке нет каких-нибудь обширных участ­ ков, на которых слой полимера удаляется от поверхности. На рис. 35, б и в также легко заметны частицы наполнителя. Диа­

метр этих частиц обычно бывает примерно 0,1 мкм. Только са­ мые мелкие из них объединяются в самом образце и могут вы­ ступать наружу от поверхности пленки на 0,01 мкм. В опреде­ ленных частях поверхности, однако, можно видеть намного большие по размеру частицы и гроздья частиц величиной до 2 мкм (на рисунке не показано).

Представленные микрофотографии достаточно четко показы­ вают, что наполнитель эффективно препятствует удалению пленки переноса со стороны образца. Теперь попытаемся пока­ зать, как образец воздействует на удаление пленки с металли­ ческой поверхности трения. На рис. 36 показаны микрофотогра­ фии пленки переноса, образованной при трении образца с напол­ нителями по уже имеющейся пленке ПВД. Первоначально чистая пленка полимера без наполнителей была подготовлена путем его скольжения по чистой поверхности стального контрте­ ла в течение 1 часа при нагрузке 5,06 кгс. После чего образец с наполнителями 3 скользил по этой поверхности при той же на­

грузке в течение 1 часа. В обоих случаях скорость скольжения была 2,1 м/сек. На рис. 36 показаны отдельные участки пленки, которая подвергается большому короблению. Видно, что в ре­ зультате повторных нагружений круглые клочки пленки выдер­ гиваются из нее. Такая структура не появляется на пленках ПВД или на пленке, отложенной образцом с наполнителями 3.

В этих случаях, возможно, адгезия между пленкой и поверхно­