книги / Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов

началу шестидесятых годов. Достигнутый положительный эф­ фект привлек к себе внимание широкого круга специалистов всех отраслей машиностроения.

Покрытия были испытаны в моторно-осевых подшипниках

на Магнитогорском металлическом комбинате, где подшипники со стальными втулками, облицованными слоем 0,5 мм поли­ амида II-68, были установлены в подтип пиках прокатного стана 250. Срок их службы составил 11 месяцев, что в три раза пре­ высило срок службы бронзовых втулок [238]. Большой прак­ тический интерес представляют результаты испытания поли­ амидных покрытий в двигателях внутреннего сгорания [237]. Износ шеек коленчатого вала, работавших в паре с ними, ока­ зался значительно меньше, чем с антифрикционным сплавом ACM. В области строительного п дорожного машиностроения большинство работ было посвящено замене бронзы в гусенич­ ных тележках тракторов и экскаваторов. Однако известен опыт применения полимерных покрытий и в оборудовании асфальто­ бетонных заводов, автогрейдеров Брянского машиностроитель­ ного завода, асфальтоукладчиков Николаевского завода дорож­ ных машин [228] и т. д.

К настоящему времени имеется большое число работ, в ко­ торых на основе стендовых и эксплуатационных испытаний подтверждается большая эффективность применения в узлах трения тонкослойных антифрикционных покрытий из полимеров. Обладая сравнительно небольшой толщиной, полимерные по­ крытия, предназначенные для работы на трение, имеют изно­ состойкость более высокую, чем втулки из монолитного поли­ мера. Это объясняется их лучшей теплопроводностью, более вы­ сокими антифрикционными свойствами и положительным влия­ нием металлической подложки [218].

Вместе с тем практический опыт показывает, что внедрение полимерных покрытий требует глубокого научного подхода к применению их в реальных конструкциях машин. Прочность антифрикционного слоя определяется его адгезией к металли­ ческой подложке. Под воздействием неблагоприятных факторов в процессе эксплуатации происходит отслаивание покрытия. После этого оно полностью разрушается, что приводит к вы­ ходу из строя всего узла. Отслоение покрытий — наиболее часто встречающийся вид их разрушения [253], поэтому повышение адгезионной прочности и ее сохранение в процессе работы узла — это первоочередное направление повышения долговеч­ ности металлополимерных узлов трения.

В настоящее время из всех известных конструкционных по­ лимеров самыми хорошими антифрикционными свойствами

351

обладают фторопласты. Они имеют низкий коэффициент трения, который при хорошей чистоте обработки может снижаться до 0,05—0,10. Допускаемая температура их эксплуатации охваты­ вает диапазон от 213 до 553°К. Однако фторопластовым поли­ мерным материалам присущи и некоторые существенные недо­ статки, ограничивающие масштабы их использования. Прежде всего, они обладают слишком низким модулем упругой дефор­ мации. Для того чтобы их хможно было использовать в нагру­ женных узлах, приходится применять различные меры, препят­ ствующие деформации полимера. Это значительно усложняет конструкцию узла и увеличивает его стоимость. К тому же, как показали исследования, отличные антифрикционные свойства фторопластов проявляются лишь при малых скоростях скольже­ ния, которые встречаются в ограниченном числе подшипников. Сам фторопласт без специальной обработки не может созда­ вать сколько-нибудь прочные адгезионные соединения с ме­ таллом. Поэтому покрытия на его основе обычно наносятся с помощью суспензий, приготовленных с применением специ­ альных веществ [256]. Такие покрытия имеют весьма малую толщину, что делает их чувствительным к проникающим в узел твердым частицам. С целью расширения возможностей фторо­ пласта было предложено создавать металлофторопластовые ленты. Конструктивно они представляют собой стальную ленту с нанесенным слоем бронзы, в который вплавлен фторопласт.

Впроцессе трения при повышении температуры он расширяется

ивыступает из пор бронзы, создавая поверхностный слой с низ­ ким коэффициентом трения. Основной способ использования металлофторонластовых лент — штамповка вкладышей под­ шипников скольжения. К недостаткам их использования можно отнести слабую ремонтопригодность. Изготовление металлофто­ ропластовой лепты и деталей из нее рационально только при массовом производстве. В узлах строительных и дорожных ма­ шин они широкого применения не получили.

Известны работы по внедрению в узлах строительных и подъемно-транснортных машин, сельскохозяйственной техники, покрытий из эпоксидных смол. Эпоксидные смолы, применяемые для узлов трения, являются термореактивными полимерами, что

вусловиях не только массового, по и серийного производства осложняет их переработку, так как происходящий при этом процесс полимеризации требует сравнительно продолжительного времени.

Для переработки в любых условиях производства значи­ тельно удобнее полиамиды, которые относятся к группе термо­ пластов. Особенно эффективным их применение стало при раз­ работке и совершенствовании порошковых способов нанесения покрытий [195]. По сравнению с другими полимерами поли­ амиды отличаются наилучшим сочетанием адгезионной прочно­ сти, низкого коэффициента трения, высокой износостойкости и

352

ударной вязкости, достаточно широким температурным диапа­ зоном эксплуатации и другими ценными эксплуатационными свойствами [259]. Однако но сравнению с эпоксидными смо­ лами они имеют большую ползучесть, что ограничивает их воз­ можности в тяжелонагруженных узлах. Кроме того, они склонны к значительному влагоноглощению.

Практическим опытом п экспериментальными исследова­ ниями доказано, что использование полимеров в чистом виде без наполнителей нецелесообразно. Так, за счет использования в качестве наполнителя ситаллов износостойкость фторопласта может быть увеличена в 1600 раз [47], что имеет для этих анти­ фрикционных материалов крайне важное значение. Применение графита, дисульфида молибдена, талька и некоторых других материалов снижает коэффициент трепня полиамидов. Введе­ ние наполнителей и других вспомогательных веществ оказывает, как правило, на материал комплексное воздействие. Одновре­ менно изменяются не только антифрикционные и износостойкие качества полимеров, но также и их деформативные характери­ стики, ударная вязкое!ь и, что особенно важно для полимерных покрытий, адгезионная прочность. Известно значительное число работ, посвященных изучению влияния различных наполните­ лей на физико-механические свойства полимеров и в гом числе тех, которые применяются для нанесения покрытий. Однако систематизация имеющихся рекомендаций с учетом условий эксплуатации до последнего времени еще не сделана. Примени­ тельно к металлонолнмерным композициям эта задача является довольно сложной, так как степень многофакторности здесь особенно высока. Например, введение металлического наполни­ теля в полимерное покрытие с одной стороны увеличивает его теплопроводность, что уменьшает нагрев узла, а с другой сто­ роны увеличивает модуль упругости и остаточные напряжения в антифрикционном слое. Графитовый наполнитель снижает коэффициент трения при определенных режимах, но он же может привести к заметному снижению адгезионной прочности.

Широкому применению в технике полимерных покрытий, на­ несенных на металлическое основание, способствовало совер­ шенствование и появление новых, прогрессивных методов и устройств для их создания. Большая заслуга в этом принадле­ жит белорусской научной школе, возглавляемой В. А. Белым. Па­ тентный анализ и обзор зарубежной литературы показывают, что технология создания полимерных покрытий получила ши­ рокое развитие во всех промышленно развитых странах. Без учета лакокрасочных покрытии подавляющее большинство ме­ тодов у нас в стране и за рубежом основывается на использо­ вании мелкодисперсных порошков, изготовленных из термопла­ стов. Сущность технологии заключается в том, что на предва­ рительно нагретую деталь напыляется порошок термопласта, который расплавляется на ес поверхности за счет аккумулнро-

ванного гз ней тепла. Менее распространены способы, предусмат­ ривающие оплавление полимерного порошка после его осажде­ ния па холодную деталь.

Способов нанесения покрытий достаточно много. Их выбор для производственного использования следует проводить с уче­ том массовости производства, уровня его технической оснащен­ ности и так далее. Естественно, что для условий ремонтного процесса с его выраженной спецификой организации, также существует своя оптимальная технология создания полимерных покрытий. Основными ее особенностями должны быть: универ­ сальность рабочего оборудования, т. е. его применимость к ши­ рокой номенклатуре деталей, низкая стоимость технологиче­ ской оснастки и безопасность работы с нею. Вопросы охраны труда играют немаловажную роль и при выборе полимеров, ко­ торые должны быть минимально токсичными.

В отличие от подшипников скольжения с монолитными по­ лимерными втулками и вкладышами, для которых уже имеются общепринятые инженерные методики расчета [193, 198], для подшипников с тонкослойными покрытиями разработка таких методик не завершена. Натурные испытания показали, что в отличие от металлических вкладышей результаты работы по­ лимерных подшипников скольжения в большей степени зависят от различных условий их нагружения: скорости скольжения, величины зазора, продолжительности непрерывной работы, тем­ пературы, вида смазки, толщины полимерного слоя и т. д. Не­ совпадение режимов нагружения и геометрических размеров исследуемых пар практически исключает возможность обобще­ ния результатов испытаний, полученных разными авторами. Ин­ терес представляют некоторые качественные выводы, отмечен­ ные практически во всех работах, связанных с исследованием работоспособности реальных узлов. Установлено, что износо­ стойкость полимерного узла с полимерным покрытием выше, чем с монолитной втулкой [21]. В работе [267] было показано, что с точки зрения антифрикционных свойств, а следовательно, и тепловой напряженности узла существует оптимальное значе­ ние толщины покрытия, которое находится в пределах 0,3— 0,35 мм. Однако несмотря на положительные результаты про­ изводственных испытаний тонкослойных полимерных покрытий, которые описаны в работе [12], до последнего времени практи­ ческое использование они находят только в ремонтной практике. Такое положение объясняется нестабильностью их работы и сравнительно частыми и неожиданными выходами из строя из-за разрушения адгезии полимерного слоя. В настоящее время ни в одной отрасли машиностроения не существует научно обоснованных нормативных документов по использованию по­ лимерных покрытий в подвижных сопряжениях машин и меха­ низмов, хотя в справочной литературе имеются соответствующие рекомендации [6].

354

Современные представления о природе сил адгезии между полимерным слоем и металлической подложкой изложены в ра­ ботах [20, 23, 96]. Энергия адгезионных связей трудно подда­ ется теоретическому расчету в силу сложности явлений, проис­ ходящих на границе двух материалов. Многие нз них еще слабо изучены. Поэтому математическое описание процесса нагруже­ ния и работы сил адгезии по любой нз известных теорий отра­ жает скорее только отдельные качественные стороны явления. Однако уже с этих позиций можно достаточно точно предска­ зать адгезионные возможности тех или иных материалов, реко­ мендовать способы для повышения адгезионной прочности. В последние годы в результате направленных разработок полу­ чены, например, уникальные синтетические клеи, способные ра­ ботать в весьма широком диапазоне температур, достигающем 1273 °К и более, обеспечивающие прочность соединений, близ­ кую к прочности самого адгезива. Благодаря их высокой на­ дежности они стали находить применение нс только в машино­ строении, но и в таких ответственных областях техники, как авиастроение и ракетостроение. Поэтому, говоря о недостаточ­ ной изученности адгезионных явлений, следует прежде всего иметь в виду отсутствие теоретических зависимостей для расчета

По мнению ряда исследователей, теоретическая прочность адгезионных соединений между металлами и полимерами, обус­ ловленная химическими и физическими явлениями, находится в пределах 200—400 МПа. Однако реализовать эти возможно­ сти не удается. Это связано с тем, что имеют место потери в процессе формирования адгезионного контакта вследствие не­ избежных дефектов на границе двух материалов. В результате фактическая площадь адгезионного контакта обычно оказыва­ ется меньше ее расчетного значения. Кроме того, адгезионные связи всегда дополнительно нагружены напряжениями, возни­ кающими в процессе формирования адгезионного соединения. Большое отрицательное влияние на адгезионную прочность оказывают также концентраторы напряжений, обусловленные, с одной стороны, наличием микродефектов, а с другой стороны, несовершенством передачи нагрузки на адгезионный шов со стороны нагружающей системы. По-видимому, на границе с ме­ таллической подложкой в полимере образуется дефектный слой, который и определяет прочность их соединений. Другими сло­ вами, прочность адгезионного соединения определяется когези­ онной прочностью дефектного слоя. Однако может иметь место

ичисто адгезионное разрушение соединения.

Сцелью определения прочности адгезионных соединений разработан целый ряд экспериментальных методик. Их доста­ точно подробное описание можно найти в работах [28, 196,275].

Поскольку, как отмечалось выше, практическое значение адгезионной прочности зависит от проявления концентраторов напряжений, то результаты испытаний при разных видах на­ гружения образцов не совпадают. Это расхождение объясня­ ется также и тем, то при нагружении адгезионного соединения часть энергии расходуется на деформирование и частичное раз­

меньше, чем «на отрыв». Аналогичные результаты были полу­ чены в работе [106].

Наиболее широко для испытания адгезии используются клее­ вые образцы, представляющие две соединенные полимерные слоем части (рис. 9.1, а—г). Такой вид образцов облегчает ра­ боту с ними, т. е. упрощает нагружение полимерного слоя. Од­ нако в данном случае полимерный слой оказывается в значи­ тельной мере изолирован от окружающей среды. Поэтому, если требуется установить ее влияние на адгезионную прочность полимерного слоя, используют образцы, изображенные на рис. 9.1,дуе,ж. Способы, соответствующие схемам 9.1уд,жу до­ статочно просто механизировать, поэтому на их основе уже создано несколько типов адгезиометров [262]. Но при таком нагружении значительное усилие расходуется и на деформацию самого полимера, что искажает результаты измерений. В зна­ чительной мере, хотя и не полностью, свободен от этого недо­ статка штифтовой метод (рис. 9.1, е). В последние годы с его

356

помощью были исследованы изменения адгезии антифрикцион­ ных покрытий на втулках подшипников скольжения [31].

Формы образцов для испытания адгезии и способы их на­ гружения не ограничиваются схемами, изображенными на рис. 9.1, где представлены только наиболее типичные методики. Наиболее свободны от погрешностей, создаваемых концентра­ торами напряжений, испытания на чистый сдвиг, осуществляе­ мые с помощью склеенных трубчатых образцов (рис. 9.1, г). Но

издесь имеет место закрытый полимерный слой, что не всегда отвечает задачам исследований. В целом же следует отметить, что любой из способов измерения адгезионной прочности может дать только ее сравнительную оценку, которую нужно уточнять па реальных деталях. В будущем, очевидно, появятся более пер­ спективные перазрушающие методы испытания адгезии мате­ риалов. Информация о некоторых из них уже имеется в литера­ туре [108]. Однако на сегодняшний день они по своей точности

идаже оперативности явно уступают традиционным разруша­ ющим методам.

Долгое время за критерий прочности адгезионного соедине­ ния принималось условие, по которому в любой момент времени действующие в нем максимальные нормальные и касательные напряжения должны быть меньше предела его прочности. Од­ нако дальнейшие исследования адгезионной прочности, прове­ денные в последние годы, показали, что прочность адгезионного соединения зависит также и от вида напряженного состояния. Впервые результаты испытания адгезионной прочности приме­ нительно к соединению эпоксидная смола — стекло при одно­ временном действии в нем нормальных и касательных напряже­ ний были опубликованы в работе [115]. В ней за критерий прочности принято условие, согласно которому максимальные касательные напряжения в адгезионном соединении должны быть меньше действующих в нем октаэдрических касательных

напряжений. Было принято условие: токт = а — Всгокт, где а и В — характеристики адгезионной прочности. В окончательном виде был предложен следующий критерий прочности:

х V[0' ■3 -fe - О2- 1]'°2± 21^ ig- - О ° ^ ■

Здесь ГСц, /?Сц — адгезионная прочность на сдвиг п па растяже­ ние; о — нормальные напряжения в адгезионном соединении. Верхний знак (+ ) для условия сжатия, нижний (—) при рас­ тяжении.

Хотя проведенная авторами [115] проверка на образцах, представляющих собой стеклянные призмы, склеенные с по­ мощью эпоксидной смолы, подтвердила применимость получен­ ного ими критерия прочности, следует отметить определенные

357

методологические неточности, допущенные при постановке экс­ перимента. В работе берутся усредненные значения касательных и нормальных напряжений, полученные из условия, что напря­ жения равномерно распределяются по площади адгезионного контакта. На самом деле, как показано в работе [245], даже с позиций теории упругости максимальные значения касатель­ ных напряжений в клеевых соединениях заметно отличаются от среднего значения. Расхождение между ними зависит от свойств материалов, толщины слоя, длины склейки и формы образцов.

Вопросы прочности полимеров в условиях сложного нагру­ жения при одновременном действии сдвигающих и нормальных нагрузок остаются еще мало изученными. До последнего вре­ мени они затрагивались в основном для материалов, используе­ мых для создания клеевых соединений, и не рассматривались применительно к антифрикционным полимерам, например, по­ лиамидам, фторопластам и т. д. В то же время, если рассмат­ ривать разрушение адгезионных соединений с позиций слабых граничных слоев, т. е. фактически как когезионное разрушение, то с большей практической пользой можно использовать резуль­ таты исследований, посвященных изучению прочности самих полимерных материалов.

При эксплуатации адгезионные соединения подвергаются воздействию переменных нагрузок. Исследованиями установ­ лено, что их прочность в этих условиях меньше, чем при стати­ ческом нагружении. Снижение прочности определяется не только числом циклов, но и частотой нагружения. Этим адге­ зионные соединения существенно отличаются от сварных, что объясняется низкой теплопроводностью полимеров. В резуль­ тате выделяемое при деформации тепло не успевает рассеи­ ваться, за счет чего существенно снижается прочность полимера в микрообъемах, расположенных в непосредственной близости от концентраторов напряжений. Опыты по испытанию адгезии воздействием переменных нагрузок проводились с различными полимерами. Сравнение полученных результатов показывает, что отрицательное влияние динамических нагрузок зависит от марки полимера и, если используется наполнитель, от состава композиции.

Многочисленными исследованиями установлено, что адгези­ онная прочность полимера зависит от времени действия на­ грузки, причем эта зависимость может быть описана [128]

спомощью формулы Журкова

т= То ехр [(С/0— уа)/кГ],

где т — долговечность соединения; то — предэкспонеициальный коэффициент 10~п—10-13 с; Uo— энергия активации процесса разрушения адгезионных связей; с — нормальные растягпваю-

3 5 8

тис напряжения; у — коэффициент чувствительности соедине­ ния к действию механической нагрузки.

Принимая во внимание наличие внутренних напряжений (см. п. 8.4), рекомендуется выражение для т записывать в виде

т = т0 ехр Ц0 — у (а + стр)

к'Г

где 0о— внутренние напряжения.

Поскольку термофлуктуационная теория описывает процесс разрушения и самих полимеров, то можно считать, что к рас­ чету прочности адгезионных соединений она применима незави­ симо от типа их разрушения: адгезионного, когезионного или смешанного.

Для случая действия переменных нагрузок и температур для адгезионных соединений используется критерий Бейли (см.

п.4.4).

Вработах [109, 219] предлагается методика определения параметров т0, U и у для полимерных композиций по тем же характеристикам их составных частей.

Обобщая результаты опубликованных исследований по расчетам адгезионных соединений на прочность, можно сделать

следующие выводы.

1. Адгезионная прочность полимер-мсталлнческих соедине­ ний зависит от вида напряженного состояния. Однако исследо­ вания в этом направлении только начаты и еще крайне недо­ статочны для того, чтобы делать выводы о количественных за­ висимостях.

2.Адгезионная прочность со временем изменяется. Ее оценка

сучетом длительности действия нагрузки и температуры может быть сделана с позиций термофлуктуационной теории прочности. При этом входящие в нее константы в данном случае отражают комплексное воздействие целого ряда факторов, поэтому единой точки зрения на определение их значений пока не существует.

Не известны и общепринятые методики инженерных расче­ тов с позиции термофлуктуационной теории прочности. До по­ следнего времени снижение адгезионной прочности под воздей­ ствием температуры и нагрузки учитывается коэффициентом запаса, который устанавливается экспериментально.

3.При рассмотрении напряженного состояния рекоменду­ ется отдельно учитывать внутренние напряжения и напряжения,

возникающие за счет воспринимаемых нагрузок. Однако в рас­ четах, проводимых по предлагаемым методикам, нет ясности

втом, какие составляющие напряженного состояния являются ответственными за изменение адгезионной прочности.

4.Известно, что ог технологии формирования адгезионных соединений существенно зависит их прочность. Вместе с тем ни

водной работе не указывается, как эти факторы в дальнейшем влияют па ее стабильность во времени.

359

5.Известные методики ие учитывают снижения адгезионноГг прочности под воздействием агрессивных факторов среды.

6.Отмеченное подтверждает необходимость проведения ис­ следований по разработке методики оценки адгезионной проч­ ности соединений полимерное покрытие — металлическая под­ ложка применительно к узлам трения рассматриваемых машин.

9.2. Исследование стабильности адгезионных металл-полимерных соединений

В настоящее время подавляющим большинством исследова­ телей признается применимость термофлуктуационной теории к расчету долговечности адгезионных соединении металл-поли- мер. Эта точка зрения существует независимо от расхождений во взглядах на природу адгезионных связей. Однако такой под­ ход к рассматриваемой проблеме сформировался лишь в по­ следние годы, поэтому основанных на нем инженерных методов расчета пока не существует. Известны лишь отдельные работы, в которых делаются попытки определить характеристики физи­ ко-механических свойств адгезионных соединений для матема­ тического описания процесса разрушения образцов. Одной из первых работ, в которой определялась энергия активации про­ цесса разрушения адгезии полиамидных материалов, было ис­ следование Кривопала [128]. В нем рассматривался также коэффициент у н предэкспоненциальный множитель, который для всех исследованных покрытий, включая ноликапроамидные п эпоксидные, был равен 10_п—1(Н3 с. Однако достаточно подробные исследования адгезионной прочности покрытий из антифрикционных полимерных материалов до последнего вре­ мени не проводились.

Определение энергии активации процесса разрушения адге­ зионных связей и коэффициента их чувствительности к механи­ ческим напряжениям сталкивается с целым рядом трудностей^ обусловленных спецификой нагружения адгезионных соедине­ ний, которые требуют более детального анализа. Особенность методики для определения параметров уравнения Журкова за­ ключается в том, что к образцам прикладывается нагрузка, обеспечивающая заданный закон изменения напряжений. Во время эксперимента может происходить изменение напряжен­ ного состояния материала, что взаимосвязано с величиной де­ формации образца. В эксперименте предусматривается контроль за этим процессом и соответствующее автоматическое изменение величины нагрузки с целью стабилизации напряжений. Приме­ нительно к адгезионным соединениям обеспечить непрерывный, пусть даже косвенный, контроль за процессом разрушения адге­ зионных связен не представляется возможным. Предполагается, что их напряженное состояние точно следует за законом изме­ нения нагрузки. В результате не учитывается уменьшение в про­

360