книги / Основы создания полимерных композитов

Износ образцов измерялся весовым методом на электронных ве­ сах ВЛР-200 (ГОСТ 19491-74). Контртелом для испытаний служили ролики, изготовленные из стали 45 каленые HRC (56 58) и некале­ ные HRC (22 24) с диаметром внутренним 16 мм и наружным 40 мм, частота поверхности Ра = 1,25. Для исследований были вы­ браны различные композиты и следующие режимы трения: скорости скольжения V = 0,1; 0,2 и 0,5, удельное давление Р = 0,7; 1,0; 2,0; 3,0 и 5,0. Это соответствует диапазону использования полимерных мате­ риалов в узлах трения с относительно высоким РГ-фактором.

Время испытаний составляло 1 и 5 ч. Перед испытанием образцы прирабатывались в течение 1 ч в режиме опыта. Расложение волокон

вобразце соответствовало направлению движения ролика.

2.3.Влияниережимов трения системы композит - металл на ее изно­ состойкость. Установление зависимости износостойкости от упруго-прочностных свойств и геометрических параметров ком­ позиционных материалов

Испытания проводились по приведенной выше методике на ма­ шинах трения СМТ-1 и МИ-1М по схеме вал - частичный вкладыш. Контртелом служили ролики из стали 45 HRC (56 58). Для иссле­ дования были взяты композиты с жесткой арматурой из стеклово­ локна диаметром 10 мкм и удельным содержанием 70%, а также наи­ более часто применяемые связующие, с точки зрения совместимости их работы со стекловолокном бесщелочного состава (Е = 75000 МПа) или высокомодульным ВМ-1 (Е = 95000 МПа). Испытания проводи­ лись при следующих рабочих параметрах: скорость скольжения - 0 ,1 ;

0,2 и 0,5 м/с, нагрузка - 0,7; 1,0; 2,0; 3,0 и 5,0 МПа, время испытаний - 1 и 5 ч. Каждый опыт повторяли 3 раза.

Результаты испытаний приведены в табл. 4, из которой видно, что наиболее износостойкими являются композиты IV и V. Износо­ стойкость повышается с ростом скорости. Композиты IV и V можно использовать в тяжелонагруженных узлах. Полученные результаты позволяют установить количественное и качественное влияние рас­ смотренных параметров на прочность и износостойкость композита при трении. Проведенные исследования показали роль каждого фак­ тора в формировании износостойкости композита.

Для создания композита, обладающего высокой износостойко­ стью, который работал бы в тяжелонагруженных узлах трения без смазки, а также защищал контртело в системе полимер - металл от износа с образованием пленки фрикционного переноса, в исследуе­ мые сопряжения добавляли сухие смазки. Из проведенного обзора самосмазывающих композитов известно, что наиболее часто исполь­ зуемыми и вводимыми в наполнитель сухими смазками являются графит, дисульфит молибдена M0 S2 и фторопласт (ПТФЭ). Эти мате­

риалы обеспечивают смазку между трущимися поверхностями в ус­ ловиях сухого трения.

492

Таблица 4

Трибологические характеристикистеклопластиковых композитов в зависимостиот режиматрения

493

Графит - минерал, одна из аллотропных форм углерода. Он име­ ет кристаллическую структуру гексогонального типа и низкий коэф­ фициент трения - по стали он равен 0,1. Температура плавления очень высокая. Дисульфид молибдена (M0 S2) имеет слоистую струк­

туру, как графит. Соседние слои легко расщепляются. Коэффициент трения такой же, как у графита, и сохраняется до температуры 800 °С. Фторопласт (ПТФЭ) - материал белого цвета. Он почти не погло­ щает влагу, но подвержен разрушению в атмосферных условиях, инертен к воздействию кислот, щелочей и других агрессивных сред. Существует в кристаллическом и аморфном состояниях. Температура стеклования - около 120 °С, плавления - 327 °С. Коэффициент трения составлял 0,05 - 0,1. Эти материалы заменили проведение исследова­ ний влияния твердой смазки на трибохарактеристики (частичный вкладыш с ротопринтной подачей сухой смазки). Контртелом служил ролик из стали 45 HRC (56 58). Были взяты те же образцы компо­ зитов, что и без смазки. Приспособление для подачи ротопринтной смазки крепится к внутренней стенке испытательной машины. Твер­ дая смазка подается на стальной ролик.

Композиты были изготовлены на основе бесщелочного волокна и приведенных выше связующих. Результаты испытаний представ­ лены в табл. 5.

Таблица 5

Трибологические характеристики исследуемых композитовс использованием сухих смазочных материалов

П р и м е ч а н и е . Нагрузка Р = 3 МПа, с»сорость скольжения V = 0,2 м/с, время трсния 1= 1ч.

На основании трибологических исследований установлено, что роль связующего не сводится только к объединению композита в единое целое и обеспечению способности воспринимать внешнюю нагрузку. Оно должно активно участвовать в процессе формирования пленки фрикционного переноса.

494

Из анализа результатов проведенных испытаний можно сделать следующие выводы:

1.Износостойкость композита зависит от упруго-прочностных свойств составляющих.

2.Применение твердых сухих смазок способствует резкому уве­ личению износостойкости и снижению коэффициента трения.

3.Параметр v зависит от упруго-прочностных и геометрических составляющих композита.

При традиционной технологии изготовления композита волокна укладываются по схемам, изображенным на рис. 1 2 .

Рис. 12. Укладка волокон: а - гексагональная, б - октаэдрическая

Относительное содержание волокон в композите при гексаго­ нальной и октаэдрической укладке определяется соотношением

0,846

(7.24)

(\ + S /d f

где Fa - относительное содержание армирующего материала, S - ми­ нимальное расстояние между армирующими волокнами, d - диаметр волокна.

Относительное содержание армирующего материала теоретиче­ ски может достигать 90% в случае однонаправленного композита, на

495

а для октаэдрической укладки:

Fai = nd21Аа2

Определим среднюю толщину прослойки для первого случая:

Подставив значение Fa= 0,7 и d = 105, получим:

5Х= 1 -10“ 7 м .

Для второго случая:

а\ = ^ - = d 2 + ldS2 +Sl

4F<*г

Тогда:

S2 = 6 1 0 ‘7м.

При средней толщине прослойки связующего

Скорость звука рассчитывается по формуле

V3e = y l E a / P a

где Еа, ра - модули упругости и плотности стекловолокна.

Модуль сдвига G для связующего можно найти из соотношения:

G = Ес/2,16.

Для приведения расчетов к одному уровню необходимо время

испытаний S/V0 нормировать на единицу времени: v* =v/t

Определив значения параметра v* исследуемых композитов и ин­ тенсивность их изнашивания, установили некоторую корреляцию этих показателей. А зависимость этого параметра от температуры имеет экстремум при сухом и граничном трении. Этот факт подтвер­ ждает корреляционную связь прочностных характеристик композита с его износостойкостью (рис. 13 и 14).

496

/ , м г/ км

Рис. 13. Влияние параметра v* на интенсивность изнашивания композита с различными связующими:

а) 1- ЭДТ-10; 2 - ЭД-20; 3 - К-38-1; 4 - УП 610 + УП 640; 5 - ЭХД + СКН-30 + изоМТГФА; 6 - ЮС-3; 7 - УП 2130;

б) зависимость поведения параметра у*при изменения температуры

Среднее значение износа было получено на основании результа­ тов 2 0 опытов (табл. 6 ), которые можно рассматривать как большую

выборку из генеральной совокупности.

П р и м е ч а н и е . /* = 3 МПа, V- 0,1 м/с.

497

/, мг/км

7

III

II

Ю-8, 1/ с

Рис. 14. Зависимость интенсивности изнашивания композитов наоснове бесщелочного стекловолокна от параметров Vприналичииротапринтной смазки: I - ПТФЭ; II - графит; III - M0S2(7 -ЭДТ-10; 2-ЭД-20; 3 - К-38-1; 4 - УП610 + УП640; 5 - ЭДХ + СКН-30 + изоМТГФА; 6 - РЭС-3;

7- УП2130)

Воспользовавшись критерием согласия выборочных средних, по­ лучим:

где s j - среднеквадратичное отклонение, щ- число опытов.

Как видно из приведенных уравнений, и > 3, ti> 3 и /з> 3. Следо­ вательно, с вероятностью Р = 0,997 можно сказать, что различия зна­ чений износа при изменении v 108 от 3,53 до 3,75 и от 4,17 до 4,46 не случайны, а различия при изменении v 10' 8 от 3,75 до 4,17 имеют слу­

чайный характер.

Поскольку в интервале значений от 3,75 до 4,17 параметр v • 10*8

минимален, можно сделать вывод, что этот диапазон является опти­ мальным при подборе составляющих узлов трения, но при этом сле­ дует учитывать температуру узла трения. Вне этого интеграла износ будет повышенным ввиду недостаточной монолитности материала.

498

2.3.1. Фрикционный процесс

Известно, что пленка, перенесенная с полимерного образца на металлическое контртело, оказывает существенное влияние на трение и износ металлополимерного сопряжения. Однако механизм фрикци­ онного переноса изучен недостаточно, не выяснена роль температуры в образовании пленки переноса с учетом специфики полимерных ма­ териалов накапливать электрические заряды.

Фрикционное взаимодействие в металлополимерном контакте имеет ряд особенностей, обусловленных специфическими материа­ лами полимеров и композитов на их основе. Были проведены иссле­ дования трения и износа металлополимерного контакта с использо­ ванием методов, обладающих чувствительностью к изменениям в структуре материала при трении, формировании пленки переноса. Испытаниям подвергались полимеры ПЭНД, ПТФЭ, ПКА, ЭД-20 и КМ на основе эпоксидной смолы и графита со сталью 45.

Коэффициент трения изнашивания, допустимую нагрузочную способность исследуемых материалов определяли на торцевой ма­ шине трения и на приборе СМК-2 с использованием образцов в виде сектора и цилиндра. Для контроля температурного нагрева в образ­ цах устанавливали термопары на расстояниях 0,75 - 2,5 мм от по­ верхности трения. Удельное давление на пару трения составляло от

ностей полимеров до и после трения, а также продуктов износа фрикционного переноса изучали с помощью микроскопов МИМ- 6 и

ММУ-3[133].

Фрикционный перенос играет важную роль в механизме смазы­ вания при сухом трении, его характеристики определяются прежде всего природой и особенностями строения материалов. Так, поли­ меры ПЭНД и ПТФЭ отличаются способностью формировать при трении по гладким металлическим поверхностям тонкую высокоори­ ентированную пленку переноса с малым сдвиговым сопротивлением, но со слабой адгезией к металлическому контртелу. Другие,полимеры (ПКА, ЭНФБ и ЭД-20), наоборот, обладают достаточно сильной ад­ гезией, но не образуют ориентированной пленки с высокими анти­ фрикционными свойствами. Режим трения также оказывает влияние на образование пленки фрикционного переноса (ПФП).

В результате проведенных исследований установлено, что при легких и средних режимах трения PV = 0,05 -s- 0,2 МПа м/с. Фрик­ ционный перенос ПЭНД происходит в виде частиц, которые объеди­ няются и образуют на поверхности металла пленку толщиной 5... Юмкм и площадью 6 ... 9 мкм2. Прочность соединения этой

пленки с поверхностью металла из-за отсутствия химического и сла­ бого ван-дер-ваальсова взаимодействия незначительная, и основная часть изношенного материала уносится из зоны трения. При этом

499

объемная температура (на расстоянии 0,25 мм от поверхности) дос­ тигает 300... 320 К.

Повышение тепловой напряженности за счет роста нагрузочно­ скоростных параметров или искусственного нагрева узла трения при­ водит к увеличению адгезионной способности ПФП.

В отличие от полиэтилена ПКА может образовывать пленку пе­ реноса из-за высокой реакционной способности поверхности и про­ дуктов износа. Однако сильное когезионное взаимодействие этой пленки с поверхностью полимера не обеспечивает эффект самосмазывания, что говорит о нестабильности фрикционных характеристик трибосопряжения. Причина заключается в том, что частица износа, закрепившаяся на поверхности контртела, является тем активным центром, на который садятся последующие частицы. Из-за высокой температуры в зоне трения продукты износа находятся в вязко-теку­ чем состоянии и легко подвергаются пластическому деформирова­ нию. Так, уже при средних режимах трения (PV = 0,3 0,5 МПа • м/с) расплавленная пленка образует скатку и выносится из зоны трения.

Особое место среди рассматриваемых материалов занимает ком­ позиционный материал на основе эпоксидной смолы и графита, обла­ дающий уникальным комплексом триботехнических свойств.

Как показали исследования, процесс трения сопровождается ориентацией графита поверхностного слоя полимера в направлении скольжения и образованием на поверхности металлического контр­ тела очень тонкой (0,1 0,3 мкм) высокоориентированной пленки. Существует мнение, что причиной низкого трения является то, что сопротивление сдвигу пленок на поверхности трения на порядок меньше, чем сопротивление сдвигу материала в объеме. Однако сле­ дует отметить, что пленка из-за исключительно низкой адгезионной способности не удерживается на поверхности металлического контр­ тела, что приводит к повышенному износу композита. Таким обра­ зом, эффективность влияния слоев переноса на трибологические ха­ рактеристики металлополимерной трибосистемы определяется "ком­ промиссом" между адгезией пленки переноса с поверхностью контр­ тела и взаимодействием этой пленки с матрицей полимера.

Свойство полимеров образовывать электрические заряды при трении известно давно. Установлено, что скачки момента трения в парах металл - полимер соответствуют по частоте разрядам обра­ зующегося электричества. Проведено исследование влияния электри­ зации на условия работы металлополимерной пары. Величины абсо­ лютных потенциалов и их полярность были измерены в прямых металлоплимерных парах с помощью потенциометра марки ПП-63, Р332 при Р = 1,0 МПа и V - 1,0 м/с. Установлено, что при трении по­ лимера ПЭНД подшипник и вал приобретают заряды противополож­ ной полярности пластмассы (-), сталь (+), а при трении полимеров ПТЭФ, ЭД-20 происходит обращение зарядов. Сложный характер установления заряда наблюдается в паре композит - графит. Поли­

500