Научная статья на тему 'Исследование механических и триботехнических свойств ПКМ и структуры в зависимости от тепловых процессов в условиях трения'

Исследование механических и триботехнических свойств ПКМ и структуры в зависимости от тепловых процессов в условиях трения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
356
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОМПОЗИТЫ / КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ / ТЕМПЕРАТУРА ТРЕНИЯ / ТРИБОСИСТЕМА / COMPOSITE / COEFFICIENT OF FRICTION / TEMPERATURE OF FRICTION / TRIBOSYSTEM

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Машков Юрий Константинович, Рубан Анна Сергеевна, Грязнов Борис Терентьевич, Байбарацкий Андрей Александрович

Рассмотрены результаты исследования механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ при различной концентрации наполнителя скрытокристаллического графита; установлено влияние концентрации скрытокристаллического графита на коэффициент трения и температуру в зоне трения, определена оптимальная концентрация наполнителя для различных условий трения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Машков Юрий Константинович, Рубан Анна Сергеевна, Грязнов Борис Терентьевич, Байбарацкий Андрей Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The analysis of mechanical and tribotechnical properties of PCM and structure depending on thermal processes under conditions of friction

The results on definition of mechanical and tribotechnical properties of polymer composites with different concentration of cryptocrystalline graphite are considering. The influence of concentration of cryptocrystalline graphite on the coefficient of friction and temperature are revealed. The optimal concentration filler of various conditions of friction are defined.

Текст научной работы на тему «Исследование механических и триботехнических свойств ПКМ и структуры в зависимости от тепловых процессов в условиях трения»

УДК 621.891:678.7 Ю. К. МАШКОВ

А. С. РУБАН Б. Т. ГРЯЗНОВ А. А. БАЙБАРАЦКИЙ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия НПК «Криогенная техника», г.Омск

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПКМ И СТРУКТУРЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ__________________________________

Рассмотрены результаты исследования механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ при различной концентрации наполнителя — скрытокристаллического графита; установлено влияние концентрации скрытокристаллического графита на коэффициент трения и температуру в зоне трения, определена оптимальная концентрация наполнителя для различных условий трения. Ключевые слова: композиты, коэффициент трения, температура трения, трибосистема.

Широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в узлах трения машин сделало весьма актуальным исследование их свойств и влияния температуры в зоне трения на триботехнические свойства деталей машин. Ограниченный объем знаний о влиянии температуры и температурного градиента на характеристики свойств ПКМ снижает область их применения в узлах трения и является одной из причин недостаточного развития научно обоснованных принципов создания полимерных композиционных материалов (ПКМ) как фрикционного, так и антифрикционного назначения.

В работах В.И.Колесникова [1 ], посвященных исследованию тепловых процессов в металлополимерных трибосистемах и Машкова Ю.К. [2], посвященных разработке ПКМ и исследованию теплофизических свойств, показано, что они являются определяющими в обеспечении работоспособности металлополимерных узлов трения. Поэтому первостепенное значение имеют задачи исследования и описания тепловых процессов с учетом температурного градиента в зоне фрикционного контакта и зависимости от них физико-механических и трибологических характеристик материалов [3].

Реализация температурных измерений при трении и механической обработке материалов представляет собой сложную инженерную задачу, что обусловлено рядом причин. Основными из них являются малые размеры площадок, на которых протекают тепловые процессы, неравномерное распределение температуры по глубине и вдоль поверхностей контактирующих тел [2-4].

Целью данной работы является исследование влияния концентрации наполнителя на температуру в зоне трения и на характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ на основе ПТФЭ.

Методика исследования. Анализ физико-механических свойств различных полимерных материалов, результатов ранее выполненных эксперимен-

тальных исследований и опыта применения полимеров в различных герметизирующих устройствах транспортных и технологических машин [3] показывают, что в наибольшей степени комплексом необходимых физико-механических и триботехнических свойств, как основа для ПКМ, обладает политетрафторэтилен. Для исследования были выбраны образцы ПКМ, содержащие в качестве наполнителей скрытокристаллический графит (СКГ), марки ГЛС-3 (ГОСТ5420-74) с кристаллами менее 0,2 мкм, неупорядоченной ориентацией и удельной поверхностью частиц 55-70 м2/г в ультрадисперсном состоянии.

Образцы ПКМ изготавливались по технологии холодного прессования и последующего спекания, при температуре 360° ±3°С. Продолжительность спекания задается в зависимости от величины минимального сечения заготовки-образца. В отличие от ранее исследованных ПКМ, в настоящей работе спекание выполняли в условиях одноосного, аутогенного давления.

Охлаждение заготовок до температуры 200°С осуществляется при минимальной скорости, обеспечиваемой регулятором температуры (скорость охлаждения 50°С/ч). Дальнейшее охлаждение производится вместе с печью без контроля и регулирования скорости охлаждения. Из спеченных заготовок путем механической обработки изготавливаются образцы для исследования механических и триботехнических свойств в соответствии с предложенными ниже методиками.

С целью исследования механических свойств для каждого значения концентрации СКГ изготавливали и испытывали по три образца, по результатам испытаний рассчитывали значения исследуемых параметров и определяли их средние значения (табл. 1).

Полученные результаты показывают, что характеристики механических свойств существенно зависят от концентрации СКГ и их общей закономерностью для всех исследуемых образцов является

Характеристики механических свойств ПКМ с различной концентрацией СКГ

Образец, % масс. Предел прочности Ор, МПа Модуль упругости Ер, МПа

ПТФЭ 28,6 155

ЗСКГ 27,1 161

5СКГ 26,3 245

10СКГ 25,9 303

15СКГ 24,8 318

20СКГ 22,4 346

Таблица 2

Условия проведения опытов и результаты испытаний

№ опыта Концентрация наполнителя СКГ, % масс. Давление, М11а Температура, К Скоростьизнашивания, 10ц, г/ч Коэффициент трения

1 5 1,5 498 6,611 0,19

2 5 2,0 531 6,944 0,16

3 5 2,5 563 7,210 0,14

4 10 1,5 532 4,388 0,23

5 10 2,0 564 4,720 0,19

6 10 2,5 588 5,124 0,16

7 15 1,5 551 3,889 0,25

8 15 2,0 582 5,666 0,20

9 15 2,5 603 6,485 0,17

Таблица 3

Параметры надмолекулярной структуры исходных образцов ПКМ

Параметр Концентрация СКГ, масс %

3 5 10 15 20

а, нм 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56

С, IIM 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47

Сш, нм 1,58 1,56 1,56 1,55 1,57

х.% 62 56 54 54 64

D, нм 60 60 55 60 55

снижение предела прочности и рост модуля упругости при увеличении концентрации наполнителя. При введении СКГ наблюдается практически монотонное уменьшение предела прочности во всем диапазоне изменения концентрации. Модуль упругости с повышением концентрации возрастает.

Наибольшая интенсивность повышения модуля упругости наблюдается для образцов с концентрацией СКГ до 10% масс, (на 95,5%) или в среднем модуль упругости повышается на 14,8 МПа при увеличении концентрации СКГ на 1%. Максимальное значение модуля упругости получено для образцов с концентрацией СКГ 20% масс., оно — на 123%, т.е. более чем в 2,2 раза больше модуля упругости Е(1 чистого ПТФЭ. В то же время предел прочности снижается более чем на 20%.

В соответствии с задачами исследования для проведения экспериментальных исследований триботехнических свойств ПКМ и тепловых процессов была разработана специальная установка с механическим приводом на базе настольного сверлильного станка (рис. 1), в рабочем узле которого реализуется торцовая схема трения палец-диск. Станок совмещен с теп-ловизионной автоматической установкой, укомплектованной выносным пирометрическим зондом, предназначенным для дистанционного измерения тепловых полей. Для измерения температуры на различном расстоянии от поверхности трения в диске были

выполнены отверстия на глубину 1 мм и 1,8 мм от поверхности трения, в которых крепились термопары хром-капель с диаметром спая 0,2 мм. Методика исследования предусматривала одновременное изучение тепловых процессов и их взаимосвязь с триботехническими свойствами ПКМ. Измерение момента силы трения осуществлялось малогабаритным потенциометрическим датчиком давления ДМП-6А. Оценка величины износа образцов производилась взвешиванием на микроаналитических весах ВЛР-200. В процессе испытания через каждые 10 минут измерялись момент силы трения и температура в зоне трения и в поверхностном слое.

Образцом является палец — цилиндр из ПКМ на основе ПТФЭ. Размеры образца: диаметр 5 мм и длина 13 мм. В держателе образцов одновременно устанавливается по три образца, которые с заданным усилием рабочими торцами прижимаются к контртелу -металлическому диску, изготовленному из закаленной стали СТ45, имеющему параметры шероховатости Яа< 0,32 мкм. Каждый образец испытывается не менее трех раз по 3 часа при заданных скорости скольжения и контактном давлении. Серии испытаний проводили при контактных давлениях Р = 1,5 — 2,5 МПа и скорости скольжения V = 1,20 м/с.

Предварительный анализ влияния концентраций наполнителя на структуру и триботехнические свойства показал [4], что область малых концентраций

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 («0). 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

Рис 1. Схема испытательного стенда:

1 - шпиндель станка; 2 - держатель для образцов;

З - образец; 4 - контртело; 5 - радиально-упорный подшипник; б - тензодатчик; 7 - прибор регистрирующий; 8-грузсменный;9- плита; 10-станинастанка; 11 -станок; 12 - кронштейн, 13 - держатель, 14 - пирометр

С.Пыасс

а

Р.МП.1

б

Рис. 2. Концентрационные зависимости температуры на поверхности трения и в контртеле при Р = 1,5 МПа (а) и зависимости температурного распределения образца с концентрацией СКГ 10% масс, от контактного давления (б): 1 - температура на поверхности, 2 - температура на расстоянии 1мм от поверхности, 3 - температура на расстоянии 1,8 мм от поверхности

наполнителя (менее 5% масс.) не оказывает существенного влияния на триботехнические свойства материала, в то время как наполнение политетрафторэтилена в 12-15% масс, считается критическим в связи с происходящими в нем структурными изменениями. Поэтому для испытаний были выбраны образцы с концентрацией наполнителя от 5% масс, до 20% масс.

Методика испытания предусматривала подготовку образцов, заключающуюся в промывке рабочей поверхности контртела и полимерных образцов этиловым спиртом. Каждый комплект образцов перед началом испытаний проходит приработку в течение 2...3 часов. Полимерные образцы перед началом испытаний, после приработки и каждого этапа испытаний протираются салфеткой смоченной в этиловом спирте. Каждый образец испытывается не менее трех раз по три часа при заданных скорости скольжения и контактном давлении.

По результатам всех измерений для каждого образца определены средние значения измеряемых параметров и вычислена массовая скорость изнашивания (табл. 2).

Поданным, полученным при помощи пирометра и термопар, закрепленных в контртеле, построены графики зависимости температуры от концентрации СКГ в образцах при Р = 1,5 МПа (рис. 2а) и от контактного давления (рис. 26). При этом температура измерялась на поверхности трения и в контртеле на расстоянии 1,0 и 1,8мм от поверхности трения.

Из рис. 2 видно, что при увеличении контактного давления и концентрации СКГ общей закономерностью для всех образцов является повышение температуры на поверхности трения и в поверхностном слое. Наблюдаемое изменение характеристик триботехнических свойств очевидно связано с изменением механических свойств поверхностного слоя полимерных образцов вследствие повышения температуры и структурно-фазовых превращений в тонком поверхностном слое. Совместный анализ кривых на рис. 2 показывает, что градиент температур от поверхности трения существенно нелинеен, поскольку на расстоянии 1,0мм от поверхности трения температура на 7 ГС ниже чем на поверхности трения, а на расстоянии 1,8 мм ниже ещё на22<>С, т.е. градиент в интервале 1,0— 1,8 мм меньше почти в три раза по сравнению с градиентом в интервале 0,0— 1,0 мм от поверхности трения.

Рассмотренное выше изменение механических свойств и износостойкости ПКМ в зависимости от условий нагружения и температуры в зоне трения для ПТФЭ связано со структурно-фазовой модификацией полимера при введении наполнителей (СКГ). Поэтому исследование закономерностей структурно-фазо-вой модификации ПТФЭ помогает изучить и понять физические причины изменения свойств модифицированного ПТФЭ и взаимосвязь между изменением структуры и свойств и температурой в зоне трения

Введение ультрадисперсного СКГ инициирует развитие процессов формирования надмолекулярной структуры в условиях сближения частиц ультра дисперсного графита с молекулами ПТФЭ при прессовании композиции, а также активации процессов адсорбции сегментов макромолекул на активных центрах наполнителя, приводящей к уменьшению их подвижности [4].

С целью изучения влияния концентрации скрытокристаллического графита на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры снимали рентгенограммы с поверхностей образцов с различной концентрацией СКГ [5].

Рентгенограммы отражают аморфно-кристаллическую структуру ПТФЭ и содержат основную полезную информацию в области углов дифракции 20— 10'—30*.

Параметры надмолекулярной структуры; степень кристалличности х, параметры псевдогексагональной решетки а и с, среднее межслоевое расстояние в амор-

фной фазе Сам, размер блоков кристаллитов О приведены в таблице 3.

Полученные результаты показывают, что параметры кристаллической ячейки остаются постоянными (изменения параметров в пределах погрешности) и имеют усредненные значения а = 0,56 нм и с = 1,47 нм. Величина кристаллитов изменяется в пределах 55-60 нм и имеет усредненное значение 57,5 нм. Существенное влияние содержание ультрадисперсного СКГ оказывает на соотношение кристаллической и аморфной фаз и на среднее межслоевое расстояние Сам.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что введение ультрадисперсного СКГ активирует развитие процессов формирования надмолекулярной структуры ПТФЭ, которые приводят к значительному снижению степени кристалличности и среднего межслоевого расстояния в области малых, до 10 масс. %, концентраций наполнителя.

С целыо уточнения характера и механизма изменения надмолекулярной структуры полимерной матрицы были проведены рентгенографические исследования в интервале температур от 293+600 К [2). Рентгенографирование образцов проводили в моно-хроматизированном кобальтовом излучении. Нагрев образцов проводили в высокотемпературной приставке, конструкция которой позволяла выдержать заданную температуру с точностью ±5 К в течение времени, необходимого для получения рентгенограммы. Для получения статистически достоверных результатов при каждой конкретной температуре снимали по пять рентгенограмм.

Параметр кристаллической ячейки всех исследуемых образцов с повышением температуры увеличивается незначительно, величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы.

Температура 553 К для ПТФЭ является критической. Начиная с этой температуры, идетпроцесс плавления кристаллических областей, который заканчивается при температуре 603 К. Степень «дальнего» порядка в матрице при этом уменьшается, она начинает рассеивать лучи более диффузно, однако некоторая степень упорядоченности в ней сохраняется вплоть до температуры 683 К.

Анализ рентгенограммы показывает, что введение наполнителей снижает температуру плавления кристаллитов, а повышение температуры до 550-560 К вызывает заметное уменьшение интенсивности рефлексов наполнителей. Однако такие относительно невысокие температуры не могут привести к «выгоранию» наполнителей в композиционных материалах, и это подтверждается тем, что при охлаждении образцов происходит восстановление исходной структуры композитов. Следовательно, уменьшение интенсивности рефлексов наполнителей можно объяснить изменением геометрии дифрагируемых внутри объема образцов рентгеновских лучей, которое связано с искажением структуры нагретой матрицы.

По результатам проведенных экспериментов сделаны следующие выводы.

1. При повышении давления, температура в зоне контакта возрастает, что является общей закономерностью для всех образцов ПКМ с СКГ в качестве наполнителя, при этом наблюдается уменьшение коэффициента трения и увеличение скорости изнашивания. Полученные результаты хорошо согласуется с литературными данными.

2. Температурные зависимости имеют нелинейный характер распределения температуры по глубине контртела, что отражает сложную нелинейную зависимость физико-механических свойств контактирующих тел от температуры и нелинейность процессов теплопередачи и диссипации тепловой энергии.

3. Концентрационные зависимости температуры на поверхности и в поверхностном слое контртела также нелинейны, с увеличением давления степень нелинейности возрастает.

4. Установлено, что введение СКГ в полимерную матрицу вызывает существенные изменения фазового состава и параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ.

Библиографический список

1. Колесников, В.И. Теплофизические процессы в металлополимерных трибосистемах / Колесников В.И. — М. : Наука, 2003. - 292 с.

2. Машков, Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта : науч. издание / Машков Ю.К. -Омск : ОмГТУ, 1997. - 192 с.

3. Машков, Ю.К. Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю., Мамаев O.A. — М. : ООО «Недра-Бизнес-центр», 2004. — 262 с.

4. Машков, Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация / Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Хали-стратова Л.Ф. — М. : Машиностроение, 2005.— 240 с.

5. Миркин, Л.И. Справочник по рентгенографическому анализу / Миркин Л.И. — М. : Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1961. — 863 с.

МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

РУБАН Анна Сергеевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. ГРЯЗНОВ Борис Терентьевич, доктор технических наук, профессор, главный инженер НПК «Криогенная техника».

БАЙБАРАЦКИЙ Андрей Александрович, аспирант кафедры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

644050, г. Омск, пр. Мира, 5

Дата поступления статьи в редакцию: 13.05.2009 г.

© Машков Ю.К., Рубан A.C., Грязное Б.Т.,

Байбарацкий A.A.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N«2 (80). 200» МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.