Научная статья на тему 'Свойства и структура композиционных материалов абразивного назначения на основе политетрафторэтилена и технических порошков природных алмазов'

Свойства и структура композиционных материалов абразивного назначения на основе политетрафторэтилена и технических порошков природных алмазов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
725
163
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН (ПТФЭ) / ПОРОШКИ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ (ППА) / КОМПОЗИЦИОННЫЙ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИЙ МАТЕРИАЛ / СТЕПЕНЬ КРИСТАЛЛИЧНОСТИ (СК) / ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ / ПАРАМЕТРЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ / АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ / СТРУКТУРА ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА / АМОРФНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОЛИМЕР / МОДИФИКАТОРЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Шиц Елена Юрьевна, Охлопкова Айталина Алексеевна, Попов Савва Николаевич, Сыромятникова Айталина Степановна, Корякина Владилина Владимировна

Сдерживающим фактором дальнейшего прогресса при создании абразивных высоконаполненных износостойких полимерных композитов с широкими технологическими возможностями и стабильными эксплуатационными характеристиками являются существенные недостатки материалов на основе аморфных полимеров, содержащих искусственные абразивные материалы, в том числе синтетические алмазы. В настоящей работе показана перспективность применения аморфно-кристаллического линейного полимера ПТФЭ (политетрафторэтилена) как основы материалов инструментального назначения, что обусловлено его низким коэффициентом трения, химической стойкостью, способностью к упругоэластическому поведению, а также возможностью в разы повысить износостойкость и прочность алмазосодержащих композитов. Установлено, что введение порошков природных алмазов (ППА) не приводит к значимым морфологическим изменениям в ПТФЭ: для алмазосодержащего ПТФЭ, как и для чистого полимера, сферолитная структура, характерная для большинства термопластов, нетипична, и полимер кристаллизуется с образованием надмолекулярных структур типа «лент», состоящих из ламелей. Установлено, что значение степени кристалличности ПТФЭ в алмазосодержащих материалах на его основе не зависит от зернистости ППА, а зависимость от концентрации алмазного наполнителя имеет экстремальный характер. Так, например, максимальное значение СК присуще композитам на основе ПТФЭ, содержащим 40 масс. % алмазного наполнителя, а введение ППА в количестве более 40 масс. % приводит к аморфизации полимера. Установлено, что ПТФЭ на поверхности алмазных частиц формирует граничный слой протяженностью от 30 до 60 мкм, отличающийся более высокой степенью упорядоченности структуры. Установлено, что совместное введение в алмазосодержащий ПТФЭ ультрадисперсного неорганического и органического наполнителей комплексного наполнителя (КН) привело к повышению его износостойкости. По сравнению с алмазосодержащим материалом, модифицированным только неорганическим наполнителем (НН), износостойкость композитов при использовании КН повысилась в 1,2-1,7 раза при обработке стальных и в 3-5 раз при обработке камнецветных материалов. Таким образом, изучены структура и свойства алмазосодержащих композитов на основе ПТФЭ, что дает возможность оценить влияние концентрации и зернистости алмазной составляющей на прочность композитов и эксплуатационные свойства шлифовального инструмента.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Шиц Елена Юрьевна, Охлопкова Айталина Алексеевна, Попов Савва Николаевич, Сыромятникова Айталина Степановна, Корякина Владилина Владимировна

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

Properties and Structure of Abrasives Composite Based on Polytetrafluoroethylene and Technical Powders of Natural Diamonds

As in Russia and abroad, further progress in the creation of high wear-resistant polymer abrasive composites with broad technological capabilities and stable performance is limitated by disadvantages of materials based on amorphous polymers containing artificial abrasive materials, including synthetic diamonds. The present work shows the prospects of semi-crystalline linear polymer PTFE (polytetrafluoroethylene) as the binder for grinding tools, due to its low friction coefficient, chemical resistance, elasticity, as well as the ability for several times to increase the durability and strength of the diamond composites. It has been established that the introduction of NDP (natural diamond powders) does not lead to significant morphological changes in PTFE: for diamond-containing PTFE, as well as for the pure polymer, spherulitic structure which is characteristic for most thermoplastics, is atypical, and the polymer crystallizes in supramolecular structures such as «ribbons» consisting of lamellae. It is found that the degree of PTFE crystallinity (CD) in diamond composites do not depend on the NDP grit size and the dependence on the diamond filler concentration has an extreme nature: for example, composites based on PTFE, containing 40 wt% of diamond filler have the maximum CD; the introduction of the NDP in an amount greater than 40 wt. % leads to the polymer amorphization. It is found that the PTFE on the diamond surface forms an interface boundary with length of 30 to 60 microns and higher structure order. It was established that the introduction of NDP and complex filler (CF) into PTFE has led to an increase in the polymer durability. In comparison with diamond-containing materials modified with only the inorganic filler (IF), the wear resistance of composites modified with CF increased 1.2-1.7 times in the processing of steel and 3.5 times in the processing of the color stone materials. Thus, the structure and properties of diamond-containing PTFE were investigated that gives an opportunity to evaluate the influence of the concentration and the grit size of diamond filler on the strength and performance characteristics of the grinding tool.

Текст научной работы на тему «Свойства и структура композиционных материалов абразивного назначения на основе политетрафторэтилена и технических порошков природных алмазов»

УДК 621.921.8; 621.921.34

Е. Ю. Шиц, А. А. Охлопкова, С. Н. Попов, А. С. Сыромятникова, В. В. Корякина

СВОЙСТВА И СТРУКТУРА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ АБРАЗИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА И ТЕХНИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ

Сдерживающим фактором дальнейшего прогресса при создании абразивных высоконаполненных износостойких полимерных композитов с широкими технологическими возможностями и стабильными эксплуатационными характеристиками являются существенные недостатки материалов на основе аморфных полимеров, содержащих искусственные абразивные материалы, в том числе синтетические алмазы. В настоящей работе показана перспективность применения аморфно-кристаллического линейного полимера ПТФЭ (политетрафторэтилена) как основы материалов инструментального назначения, что обусловлено его низким коэффициентом трения, химической стойкостью, способностью к упругоэластическому поведению, а также возможностью в разы повысить износостойкость и прочность алмазосодержащих композитов. Установлено, что введение порошков природных алмазов (ППА) не приводит к значимым морфологическим изменениям в ПТФЭ: для алмазосодержащего ПТФЭ, как и для чистого полимера, сферолитная структура, характерная для большинства термопластов, нетипична, и полимер кристаллизуется с образованием надмолекулярных структур

ШИЦ Елена Юрьевна - к. т. н., доцент, зав. лаб. техногенных газогидратов Института проблем нефти и газа СО РАН.

E-mail: l.u.shitz@ipng.ysn.ru

SHITZ Elena Yurievna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Technogenic Gas Hydrates Laboratory, Institute of Oil and Gas Problems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: l.u.shitz@ipng.ysn.ru

ОХЛОПКОВА Айталина Алексеевна - д. т. н., проф., зав. каф. высокомолекулярных соединений и органической химии СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: okhlopkova@yandex.mail.ru

OKHLOPKOVA Aytalina Alekseevna - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Macromolecular Compounds and Organic Chemistry Department, M. K. Ammosov North-Eastern Federal University.

E-mail: okhlopkova@yandex.mail.ru

ПОПОВ Савва Николаевич - д. т. н., проф. Института проблем нефти и газа СО РАН.

E-mail: ipog@ipng.ysn.ru

POPOVSavva Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Institute of Oil and Gas Problems, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.

E-mail: ipog@ipng.ysn.ru

СЫРОМЯТНИКОВА Айталина Степановна - к. ф.-м. н., доцент, в. н. с. отдела механики и безопасности конструкций Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова.

E-mail: a.s.syromyatnikova@mail.ru

SYROMYATNIKOVA Aytalina Stepanovna - Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Leading Researcher, Institute of Physical and Technical Problems of the North.

E-mail: a.s.syromyatnikova@mail.ru

КОРЯКИНА Владилина Владимировна - м. н. с. лаборатории техногенных газовых гидратов Института проблем нефти и газа СО РАН.

E-mail: kvladilina@mail.ru

KORYAKINA Vladilina Vladimirovna - Junior Researcher, Institute of Oil and Gas Problems, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.

E-mail: kvladilina@mail.ru

типа «лент», состоящих из ламелей. Установлено, что значение степени кристалличности ПТФЭ в алмазосодержащих материалах на его основе не зависит от зернистости ППА, а зависимость от концентрации алмазного наполнителя имеет экстремальный характер. Так, например, максимальное значение СК присуще композитам на основе ПТФЭ, содержащим 40 масс. % алмазного наполнителя, а введение ППА в количестве более 40 масс. % приводит к аморфизации полимера. Установлено, что ПТФЭ на поверхности алмазных частиц формирует граничный слой протяженностью от 30 до 60 мкм, отличающийся более высокой степенью упорядоченности структуры. Установлено, что совместное введение в алмазосодержащий ПТФЭ ультрадисперсного неорганического и органического наполнителей комплексного наполнителя (КН) привело к повышению его износостойкости. По сравнению с алмазосодержащим материалом, модифицированным только неорганическим наполнителем (НН), износостойкость композитов при использовании КН повысилась в 1,2-1,7 раза при обработке стальных и в 3-5 раз при обработке камнецветных материалов. Таким образом, изучены структура и свойства алмазосодержащих композитов на основе ПТФЭ, что дает возможность оценить влияние концентрации и зернистости алмазной составляющей на прочность композитов и эксплуатационные свойства шлифовального инструмента.

Ключевые слова: политетрафторэтилен (ПТФЭ), порошки природных алмазов (ППА), композиционный алмазосодержащий материал, степень кристалличности (СК), износостойкость, параметры работоспособности, абразивный инструмент, структура полимерного композита, аморфно-кристаллический полимер, модификаторы неорганической и органической природы.

E. Yu. Shitz, A. A. Okhlopkova, S. N. Popov, A. S. Syromyatnikova, V. V. Koryakina

Properties and Structure of Abrasives Composite Based on Polytetrafluoroethylene and Technical Powders of Natural Diamonds

As in Russia and abroad, further progress in the creation of high wear-resistant polymer abrasive composites with broad technological capabilities and stable performance is limitated by disadvantages of materials based on amorphous polymers containing artificial abrasive materials, including synthetic diamonds. The present work shows the prospects of semi-crystalline linear polymer PTFE (polytetrafluoroethylene) as the binder for grinding tools, due to its low friction coefficient, chemical resistance, elasticity, as well as the ability for several times to increase the durability and strength of the diamond composites. It has been established that the introduction of NDP (natural diamond powders) does not lead to significant morphological changes in PTFE: for diamond-containing PTFE, as well as for the pure polymer, spherulitic structure which is characteristic for most thermoplastics, is atypical, and the polymer crystallizes in supramolecular structures such as «ribbons» consisting of lamellae. It is found that the degree of PTFE crystallinity (CD) in diamond composites do not depend on the NDP grit size and the dependence on the diamond filler concentration has an extreme nature: for example, composites based on PTFE, containing 40 wt% of diamond filler have the maximum CD; the introduction of the NDP in an amount greater than 40 wt. % leads to the polymer amorphization. It is found that the PTFE on the diamond surface forms an interface boundary with length of 30 to 60 microns and higher structure order. It was established that the introduction of NDP and complex filler (CF) into PTFE has led to an increase in the polymer durability. In comparison with diamond-containing materials modified with only the inorganic filler (IF), the wear resistance of composites modified with CF increased 1.2-1.7 times in the processing of steel and 3.5 times in the processing of the color stone materials. Thus, the structure and properties of diamond-containing PTFE were investigated that gives an opportunity to evaluate the influence of the concentration and the grit size of diamond filler on the strength and performance characteristics of the grinding tool.

Keywords: polytetrafluoroethylene (PTFE), natural diamond powders (NDP), diamond-containing material, crystallinity degree (CD), durability, performance parameters, abrasives, polymeric composite structure, semi-crystalline polymer, modifiers of inorganic and organic nature.

Введение

Композиты инструментального назначения на полимерной основе составляют половину от общего количества производимых абразивных изделий [1-2]. Наиболее часто в качестве основы для создания полимерных композитов инструментального назначения используются фенолформальдегидные, эпоксидные и каучуковые или вулканитовые связки [1-5]. В промышленном масштабе выпускается инструмент марок Б, Б1-Б4, Б156, БП2 Б8, В3-01 (БР), В3-03 (Р1), Р9, Р14, Р14Е и т. д. [2]. Однако несмотря на разнообразие созданных и широко применяемых инструментов, основой которых являются аморфные полимеры [6-7], поиск и разработка новых сочетаний, методов, способов получения прочных, износо-, термо-, химически стойких композитов так и остается одним из востребованных перспективных и актуальных направлений совершенствования алмазного инструмента на их основе. Так, в инструментальной промышленности практически невостребованными остаются аморфно-кристаллические полимеры, которые активно используются при создании износостойких композитов триботехнического назначения, в основном отвечают требованиям, предъявляемым к полимерам-основам для создания абразивного инструмента [1, 8-10].

Теоретической основой разработки новых типов инструментальных материалов являлись тенденция к периодическому обновлению рабочего рельефа поверхности шлифовальных кругов, реализация упруго-релаксационного механизма сопротивления динамическим нагрузкам и обеспечения самозатачивания инструмента за счет пластичности и умеренной механической прочности ПТФЭ, сочетающиеся с упруго-деформационными свойствами алмазных частиц природного происхождения. Таким образом, создание износостойких композитов базировалось не только на известных свойствах ПТФЭ [11], но и на свойствах и особенностях морфометрических характеристик, присущих природным алмазным порошкам [12], на необходимости определения условий формирования упорядоченных прочных структур при кристаллизации алмазонаполненных композитов как на межфазной поверхности, так и в объеме композита.

Основная цель работы заключается в исследовании процессов структурирования ПТФЭ под влиянием введения дисперсной фазы в виде химически инертных частиц порошков природного алмаза различной дисперсности и выявление структур и составов, отвечающих максимальной прочности и износостойкости композитов.

Методики исследований

В качестве полимера-основы использовался ПТФЭ производства ООО «Завод полимеров Кирово-Чепецкого химического комбината им. Б. П. Константинова» (фторопласт - 4, ГОСТ 10007-80), плотностью 2150-2190 кг/м3, в качестве основного абразивного наполнителя при разработке абразивных материалов применялись классифицированные технические шлифпорошки природных алмазов месторождений Республики Саха (Якутия) узких диапазонов зернистостей: 125/100 мкм, 80/63 мкм, 63/50 мкм, 50/40 мкм (ГОСТ 9206-85). Для достижения поставленной цели были изготовлены и исследованы образцы на основе ПТФЭ, содержащие 10, 20, 30 и 40 масс. % порошков природных алмазов (ППА). Алмазосодержащие образцы для испытаний получены в соответствии с разработанной технологией переработки алмазосодержащих композитов на основе ПТФЭ [13]. В алмазосодержащий ПТФЭ вводился наполнитель органической природы флуорекс 1510 (ТУ 3840140-88) и ультрадисперсный наполнитель неорганической природы р-сиалон (ТУ 88 Латв. ССР 0140-91). Алмазные природные шлифпорошки и модифицирующие добавки отдельно от полимеров не подвергались дополнительному технологическому воздействию.

Исследование структуры образцов ПТФЭ и алмазосодержащих композитов на его основе осуществляли на растровом электронном микроскопе XL-50 «Phillips». По полученным микрофотографиям КАМ на основе ПТФЭ, согласно методике линейного анализа, применяемой при оценке размеров зерен металла в количественной металлографии, были рассчитаны средние размеры сферолитных образований полимерного связующего [14]. Для исследования граничного слоя «алмаз-полимер» использовали мультифункциональный

порошковый дифрактометр D-8 DISCOVER (Bruker), снабженный двухкоординатным счетчиком, благодаря которому осуществляется одновременно запись как порошковых дебаеграмм, так и точечных лауэграмм монокристаллических объектов. Диаметр зонда, которым проводилось сканирование образца, 200 мкм, величина монокристаллов алмаза 60-80 мкм. Триботехнические испытания проводили без и с применением смазочно-охлаж-дающей жидкости (воды) на машине трения СМЦ-2 при вращательном движении по схеме «цилиндр (вал) - плоскость» с различной нагрузкой (100, 150, 200 Н). Продолжительность испытаний 10-30 мин, скорость вращения вала 300 об/мин (1 м/с). Обработке подвергались контртела размером 52*12*10 мм из стали 40Х HRC 50±1 и минералов с твердостью 6,57,0 по шкале Мооса (нефрит). Алмазосодержащие образцы d=10 мм и h=10 мм. В работе определяли значения износа (мг) КАМ и контртела. Замеры осуществляли взвешиванием инструментальных образцов и обрабатываемых материалов до и после испытаний на трение, измерения проводили на лабораторных весах с точностью ±0,1 мг. Шероховатость Ra (мкм) поверхностей обрабатываемых материалов измеряли на профилометре модели 283 Н 215. Работоспособность алмазного инструмента оценивали по экспериментальным значениям массового износа инструмента и обрабатываемого материала, на основании которых рассчитывали производительность обработки [15].

Результаты исследований и их обсуждение

При разработке износостойких инструментов особенно важно изучение явлений, сопровождающих совмещение в композите разномодульных веществ с четко выраженной границей раздела фаз [16]. На рис. 1 представлены микрофотографии низкотемпературного скола алмазосодержащих композитов на основе ПТФЭ.

Установлено, что для алмазосодержащего ПТФЭ, как и для чистого полимера, сферо-литная структура, характерная для большинства термопластов, нетипична (рис. 1 а, б). В присутствии микрометровых алмазных частиц природного происхождения ПТФЭ кристаллизуется с образованием надмолекулярных структур типа «лент», состоящих из определенного количества ламелей (рис. 1 б).

Установлено, что при последовательном повышении концентрации ППА, вводимых в ПТФЭ, размеры кристаллитов - наименьших структурных единиц полимера - увеличиваются в 1,6 раза (табл. 1). Максимальные размеры кристаллитов наблюдаются в алмазосодержащем композите на основе ПТФЭ, содержащем 40 масс. % ППА.

Как правило, о структурированности композита можно судить по уровню кристаллизации полимерной матрицы, показателем которой является степень кристалличности (СК). Установлено, что в ходе технологического процесса переработки объем закристаллизованного ПТФЭ достигает 60 % и более, а введение алмазных частиц любой зернистости в связующее не изменяет степени кристалличности полимера (табл. 1).

Рис. 1. Микрофотографии поверхности сколов: а) ПТФЭ; б) композиционного алмазосодержащего материала (КАМ) на его основе

Таблица 1

Размеры кристаллитов и степень кристалличности образцов КАМ на основе ПТФЭ, содержащих ППА различных зернистостей и концентраций

Содержание ППА, масс. % 0 10 20 30 40 50

Размер кристаллитов полимера, нм 41 44 57 62 67 48

ППА зернистость 80/63 мкм

Степень кристалличности, % 51 48 53 54 63 56

ППА зернистость 125/100 мкм

Степень кристалличности, % 51 47 48 57 60 54

Анализ полученных результатов показал, что значение СК алмазосодержащего ПТФЭ имеет экстремальный характер и зависит от концентрации алмазного наполнителя (табл. 1). Рост кристаллической фазы ПТФЭ достигает максимального значения с последующим спадом характеристики вследствие стерических факторов, накладываемых высокими концентрациями алмазного наполнителя на подвижность макромолекул полимера, что вызывает аморфизацию полимерной связки и, как следствие, падение степени ее упорядоченности. Максимальное значение СК, присущее образцам на основе ПТФЭ, 40 масс. %.

При детальном исследовании кристаллического профиля (граничащего слоя «алмазная зерно-полимерная связка») получены кристаллические профили в областях непосредственного контакта полимера с алмазным зерном и в областях на расстоянии от 60 и до 80 мкм. Установлено, что при появлении рефлексов Лауэ от монокристалла алмаза наблюдается и изменение дифрактограммы ПТФЭ (рис. 2). В интервале 20=30-50° на границе ПТФЭ и алмазного зерна наблюдаются интенсивные кристаллизационные пики полимера на фоне аморфного гало, что типично для термически обработанного ПТФЭ. Внутри полимера в данной области дифрактограммы происходит увеличение интенсивности сигнала аморфной фазы, на фоне которого сигналы кристаллизационных пиков слабеют. Таким образом, область вокруг алмазных частиц отличается повышенной кристалличностью, а значит большей упорядоченностью макромолекул ПТФЭ, чем в области самого полимера.

2-Theta-Scale

Рис. 2. Дифрактограммы КАМ на основе ПТФЭ в областях с алмазными частицами и без них

На основании проведенных исследований можно дать приблизительную количественную оценку толщины граничного слоя, сформированного полимером на поверхности порошков природных алмазов. Так, в ПТФЭ он равен ~30-60 нм (то есть меньше расстояния съемки дифрактограмм). Таким образом, в ПТФЭ на поверхности кристаллического минерального наполнителя (алмазных частиц природного происхождения) формируется граничный слой, по плотности и характеру упаковки отличающийся от некристаллизующейся части более высокой степенью упорядоченности структуры, что изменяет соотношение аморфных и кристаллических участков в ПТФЭ. В результате проведенных структурных исследований установлено, что химическое взаимодействие между алмазным наполнителем природного происхождения и ПТФЭ исключено. Показано, что поверхностные эффекты, обусловленные введением минеральной добавки с высокой кристалличностью в виде микрометровых частиц природного алмаза в ПТФЭ, способствуют формированию переходного слоя на границе раздела фаз.

Установлено, что появление развитого переходного слоя между фазами приводит к упрочнению и повышению износостойкости материалов в целом. Так, разработанные новые составы алмаз-полимерных композитов на основе ПТФЭ по износостойкости при обработке стали превосходить аналоги более чем в 2 раза, обеспечивая при этом более высокое качество поверхности при шлифовании как металлических, так и минеральных поверхностей [13, 17].

Износ шлифуемого материала и абразивного инструмента характеризуется величинами производительности и удельного массового расхода алмазов, которые в свою очередь находятся в непосредственной зависимости от концентрации и зернистости алмазного наполнителя, механических нагрузок, а также и от типа обрабатываемого материала и связующего [1-2, 18]. В табл. 2 приведены значения производительности и удельного расхода алмазов инструмента на основе ПТФЭ, содержащего 40 мас. % ППА разных зернистостей.

Установлено, что оптимальным сочетанием значений производительности и удельного расхода алмазов обладают образцы, содержащие ППА зернистостью 125/100 мкм, причем при обработке как стального, так и минерального материалов. Общая работоспособность инструмента на основе ПТФЭ наиболее высока при эксплуатационной нагрузке 200 Н.

Чем более высокий ресурс работы имеют абразивные зерна, тем более износостойкой должна быть связка, а значит и ее способность противостоять внешнему воздействию в зоне обработки. Установлено [13, 19], что введение гибридного наполнителя приводит к значительному улучшению триботехнических показателей материала по сравнению с алмазосодержащими композитами на основе ПТФЭ без добавок (табл. 3).

Таблица 2

Производительность обработки (А) и удельный массовый расход алмазов инструмента на основе ПТФЭ

Образец Сталь Минерал Сила прижима, Н

А, мг/мин q , мг/г А, мг/мин q , мг/г

ПТФЭ - 40 мас. % (ППА 63/50 мкм) 9,7 0,050 12,0 0,015 100

9,3 0,088 16,9 0,022 150

9,8 0,087 15,4 0,007 200

ПТФЭ - 40 мас. % (ППА 125/100 мкм) 5,9 0,013 24,2 0,002 100

7,7 0,034 35,7 0,003 150

7,3 0,010 40,3 0,001 200

Таблица 3

Триботехнические свойства алмазосодержащих композитов на основе модифицированного комплексным наполнителем ПТФЭ и ППА размером 80/63 мкм

Состав композиции Содержание компонента, мас. % Износ при обработке Ут, мг Шероховатость обработанной поверхности Ка, мкм Коэффициент трения (по стали) f

стали минерала стали минерала

ППА-40 2

Флуорекс Р 2 56 13,5 3,8 0,46 0,52 0,46

ППА-40 3

Флуорекс Р 2 55 11,5 1,9 0,43 0,45 0,40

ППА-40 5

Флуорекс Р 2 53 8,5 1,5 0,36 0,4 0,36

ППА-40 6

Флуорекс Р 2 52 12,0 2,4 0,45 0,45 0,48

ППА-40 ПТФЭ 60 14,0 5,0 0,42 0,5 0,42

Видно (табл. 3), что введение гибридного наполнителя, состоящего из смеси минерально -го наполнителя - р-сиалона с наполнителем органической природы - флуоренсом, привело к повышению износостойкости алмазосодержащего композита в 1,5-3 раза. В результате испытаний также было установлено, что по сравнению с алмазосодержащими композитами на основе чистого ПТФЭ разработанный материал обладает более низким коэффициентом трения (в 1,2-1,3 раза). При этом было зарегистрировано значительное улучшение качества обрабатываемых поверхностей. Таким образом, проведенными исследованиями показана эффективность использования комбинированной модификации системы ПТФЭ-ППА нетрадиционными добавками для получения полимерной основы абразивного инструмента с высоким уровнем триботехнических и эксплуатационных показателей [20].

Показано, что в ПТФЭ алмазные зерна закреплены достаточно прочно, не вдавливаются внутрь полимерной основы и не выкрашиваются с его поверхности в течение длительного срока эксплуатации, что и позволяет производить обработку различных материалов в режиме так называемого самозатачивания.

В отличие от аморфных полимеров, для которых свойственно развитие высокопластичной деформации и разрушение связей, ответственных за прочность фиксации частиц алмаза, особенностью формирования оптимального профиля поверхностного слоя в инструменте на основе ПТФЭ при отсутствии между алмазом и полимером адгезионных связей химического типа является способность основы к упругой деформации (вязкоупругой релаксации), обеспечивающей в совокупности с морфометрическими характеристиками алмазного порошка в процессе шлифования необходимые локальные перемещения рабочих зерен из глубины алмазосодержащего слоя [21].

На основании результатов исследования влияния состава композиций ПТФЭ-ППА на структуру, на триботехнические и эксплуатационные характеристики алмазосодержащих композитов было установлено, что концентрация алмазного наполнителя 40 мас. % является оптимальной для создания алмазосодержащего композита и инструмента на его основе с улучшенным комплексом свойств [13, 21]. Проведенные опытно-промышленные испытания инструментов подтвердили полученные результаты лабораторных исследований и позволили определить целесообразность применения того или иного инструмента на основе

разработанных алмазосодержащих композитов. Для производительной и экономичной обработки минерального сырья инструментом рассмотренных типов эффективным является применение кругов на основе чистого ПТФЭ и ППA зернистостью 80/63 мкм. Использование инструмента на основе модифицированного ПТФЭ и ÏÏQA зернистостью 40 мкм предпочтительно при работе с металлами и при необходимости получать более качественно обработанные поверхности как минералов, так и сталей и сплавов [13].

Заключение

Таким образом, предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что для создания износостойких материалов на полимерной основе и качественных, долговечных и технически эффективных шлифовальных инструментов новых типов со стабильной работоспособностью необходимо сочетать аморфно-кристаллические полимеры с абразивным минеральным кристаллическим соединением, выступающим в роли как функционального наполнителя, так и видоизменяющего структуру модификатора полимерной матрицы. Так, впервые доказано, что на развитой поверхности природного алмаза политетрафторэтиленом формируются граничные слои, что приводит к упрочнению композитов, к повышению износостойкости и эксплуатационных параметров работоспособности инструментов на их основе. Показано, что гомогенный механизм смачивания абразивного наполнителя полимером и образование в процессе их совместной переработки связей химического типа - желательное, но необязательное условие для создания износостойких композитов инструментального назначения. Показана перспектива совместного применения компати-билизаторов неорганической и органической природы при создании алмазосодержащих материалов на основе аморфно-кристаллического полимера, износостойкость которых в 3-5 раз превышает этот же показатель при обработке стали и камнецветных минералов соответственно, по сравнению с композитами на основе чистого полимера и полимера, модифицированного только неорганическим наполнителем. Полученные результаты открывают принципиально новые возможности практического применения фторполимеров, наполненных микропорошками природных алмазов, что является новым направлением в инструментальной промышленности при создании высокотехнологичных материалов на их основе, эффективных при обработке материалов различной природы.

Л и т е р а т у р а

1. Эфрос М. Г. Современные абразивные инструменты. 3-е изд. - Ленинград: Машиностроение, 1987. - 158 с.

2. Верещагин A. В. Композиционные алмазосодержащие материалы и покрытия. - Минск: Hавука и Тэхшка, 1991. - 208 с.

3. Dante, Roberto C. Binders and organic materials in Handbook of friction materials and their applications. Woodhead Pub. Ltd., Elsevier. - 2016. - P. 135-153.

4. Marinescu, loan D. Handbook of Ceramics Grinding and Polishing. William Andrew Pub., Elsevier.

- 2015. - 486 p.

5. Петрова H. H. Aлмазный инструмент на основе полимеров и технических алмазных порошков // Шука и техника в Якутии. - 2001. - № 1.- С. 49-52.

6. Лупинович Л. М., Мамин Х. A. Опыт применения полимерных материалов в абразивной промышленности. - М.: №ука, 1986. - С. 14-46.

7. Захаренко И. П. Aлмазные инструменты и процессы обработки. - Киев: Техшка, 1980. - 215 с.

8. Истомин H. П. Изыскание оптимальных наполнителей для антифрикционных пластмасс на базе Ф-4 // Применение материалов на основе пластмасс для онор скольжения и уплотнений в машинах: сб. статей. - М.: ^ука, 1968. - С. 32-34.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Виноградов A. В. Создание и исследование машиностроительных триботехнических материалов на основе ПТФЭ и ультрадисперсных сиалонов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.01. - Гомель, 1993.

- 293 с.

10. Охлопкова A. A. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на

основе политетрафторэтилена и ультрадисперсных керамик: дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.01, 05.02.04.

- Гомель, 2000. - 295 с.

11. Ebnesajjad, Sina. Fluoroplastics. Vol. 1: Non-melt Processible Fluoropolymers - The Definitive User's Guide and Data Book. Elsevier. - 2015. - 698 p.

12. Сафонова М. Н. Диагностика шлифпорошков из синтетических и природных алмазов. Породо-разрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технологии его изготовления // Сб. научн. трудов. - Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, НАН Украины. - 2010. - Вып. 13. - С. 288-292.

13. Шиц Е. Ю. Исследование и разработка полимерных композиционных материалов с использованием природных алмазных порошков: дис. ... канд. техн. наук: 05.01.02; Ин-т физ.-техн. проблем Севера СО РАН. - Якутск, 2000. - 168 с.

14. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - С. 25-30.

15. Руководящий технический материал РТМ2 И 71-14-79. Испытания алмазных шлифовальных кругов на работоспособность. - Издание официальное; утв. и введен Мин-вом станкостр. и инструм. пром-ти СССР 07.03.79. - М.: ВНИИАлмаз, 1979.

16. Шипило В. Б. Получение, свойства, применение порошков алмаза и кубического нитрида бора / Под ред. Витязя П. А. - Минск: Бел. Навука, 2003. - 335 с.

17. Пат. 2064942 Российская Федерация, C08J5/14, C08L27:18, B24D3/28. Композиционный полимерный материал для абразивного инструмента / Адрианова О. А., Охлопкова А. А., Попов С. Н., Черский И. Н.; заявитель и патентообладатель Ин-т неметаллических материалов СО РАН; Национальный научно-исследовательский центр алмазов, драгоценных камней и самородного золота. - № 94036713/04; заявл. 29.09.94; опубл. 10.09.96. Бюл. № 22. - 6 с.

18. Marinescu, loan D., Rowe, W. Brian, Dimitrov, Boris, Ohmori, Hitoshi. Tribology of Abrasive Machining Processes. William Andrew Pub., Elsevier. - 2013. - 586 p.

19. Пат. 2164522 Российская Федерация, МКИ С08J5/14. Композиционный алмазосодержащий полимерный материал для абразивного инструмента / Шиц Е. Ю., Охлопкова А. А., Соколова М. Д., Васильев А. А.; заявитель и патентообладатель Ин-т неметаллических материалов. - № 99116269/04; заявл. 27.07.1999; опубл. 27.03.01. Бюл. № 9. - 6 с.

20. Охлопкова А. А. Структура и свойства композитов на основе политетрафторэтилена и порошков природных алмазов // Механика композитных материалов. - 2004. - Т. 40, № 2. - С. 225-234.

21. Шиц Е. Ю., Корякина В. В. Явления структурообразования полиолефинов при введении шлифпо-рошков алмазов природного происхождения // Перспективные материалы. - 2012. - № 4. - С. 53-60.

R e f e r e n c e s

1. Efros M. G. Sovremennye abrazivnye instrumenty. 3-e izd. - Leningrad: Mashinostroenie, 1987. - 158 s.

2. Vereshchagin A. V. Kompozitsionnye almazosoderzhashchie materialy i pokrytiia. - Minsk: Navuka i Texnika, 1991. - 208 s.

3. Dante, Roberto C. Binders and organic materials in Handbook of friction materials and their applications. Woodhead Pub. Ltd., Elsevier. - 2016. - P. 135-153.

4. Marinescu, loan D. Handbook of Ceramics Grinding and Polishing. William Andrew Pub., Elsevier.

- 2015. - 486 p.

5. Petrova N. N. Almaznyi instrument na osnove polimerov i tekhnicheskikh almaznykh poroshkov // Nauka i tekhnika v Iakutii. - 2001. - № 1.- S. 49-52.

6. Lupinovich L. M., Mamin Kh. A. Opyt primeneniia polimernykh materialov v abrazivnoi promyshlen-nosti. - M.: Nauka, 1986. - S. 14-46.

7. Zakharenko I. P. Almaznye instrumenty i protsessy obrabotki. - Kiev: Tekhnika, 1980. - 215 s.

8. Istomin N. P. Izyskanie optimal'nykh napolnitelei dlia antifriktsionnykh plastmass na baze F-4 // Prime-nenie materialov na osnove plastmass dlia opor skol'zheniia i uplotnenii v mashinakh: sb. statei. - M.: Nauka, 1968. - S. 32-34.

9. Vinogradov A. V. Sozdanie i issledovanie mashinostroitel'nykh tribotekhnicheskikh materialov na osnove PTFE i ul'tradispersnykh sialonov: dis. ... d-ra tekhn. nauk: 05.02.01. - Gomel', 1993. - 293 s.

10. Okhlopkova A. A. Fiziko-khimicheskie printsipy sozdaniia tribotekhnicheskikh materialov na osnove

politetraftoretilena i ul'tradispersnykh keramik: dis. ... d-ra tekhn. nauk: 05.02.01, 05.02.04. - Gomel', 2000.

- 295 s.

11. Ebnesajjad, Sina. Fluoroplastics. Vol. 1: Non-melt Processible Fluoropolymers - The Definitive User's Guide and Data Book. Elsevier. - 2015. - 698 p.

12. Safonova M. N. Diagnostika shlifporoshkov iz sinteticheskikh i prirodnykh almazov. Porodorazrushai-ushchii i metalloobrabatyvaiushchii instrument - tekhnika i tekhnologii ego izgotovleniia // Cb. nauchn. trudov.

- Kiev: ISM im. V. N. Bakulia, NAN Ukrainy. - 2010. - Vyp. 13. - S. 288-292.

13. Shits E. Iu. Issledovanie i razrabotka polimernykh kompozitsionnykh materialov s ispol'zovaniem prirodnykh almaznykh poroshkov: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.01.02; In-t fiz.-tekhn. problem Severa SO RAN. - Iakutsk, 2000. - 168 s.

14. Saltykov S. A. Stereometricheskaia metallografiia. - M.: Metallurgiia, 1970. - S. 25-30.

15. Rukovodiashchii tekhnicheskii material RTM2 I 71-14-79. Ispytaniia almaznykh shlifoval'nykh kru-gov na rabotosposobnost'. - Izdanie ofitsial'noe; utv. i vveden Min-vom stankostr. i instrum. prom-ti SSSR 07.03.79. - M.: VNIIAlmaz, 1979.

16. Shipilo V. B. Poluchenie, svoistva, primenenie poroshkov almaza i kubicheskogo nitrida bora / Pod red. Vitiazia P. A. - Minsk: Bel. Navuka, 2003. - 335 s.

17. Pat. 2064942 Rossiiskaia Federatsiia, C08J5/14, C08L27:18, B24D3/28. Kompozitsionnyi polimernyi material dlia abrazivnogo instrumenta / Adrianova O. A., Okhlopkova A. A., Popov S. N., Cherskii I. N.; zaiavitel' i patentoobladatel' In-t nemetallicheskikh materialov SO RAN; Natsional'nyi nauchno-issledova-tel'skii tsentr almazov, dragotsennykh kamnei i samorodnogo zolota. - № 94036713/04; zaiavl. 29.09.94; opubl. 10.09.96. Biul. № 22. - 6 s.

18. Marinescu, Ioan D., Rowe, W. Brian, Dimitrov, Boris, Ohmori, Hitoshi. Tribology of Abrasive Machining Processes. William Andrew Pub., Elsevier. - 2013. - 586 p.

19. Pat. 2164522 Rossiiskaia Federatsiia, MKI S08J5/14. Kompozitsionnyi almazosoderzhashchii polimernyi material dlia abrazivnogo instrumenta / Shits E. Iu., Okhlopkova A. A., Sokolova M. D., Vasil'ev A. A.; zaiavitel' i patentoobladatel' In-t nemetallicheskikh materialov. - № 99116269/04; zaiavl. 27.07.1999; opubl. 27.03.01. Biul. № 9. - 6 s.

20. Okhlopkova A. A. Struktura i svoistva kompozitov na osnove politetraftoretilena i poroshkov prirod-nykh almazov // Mekhanika kompozitnykh materialov. - 2004. - T. 40, № 2. - S. 225-234.

21. Shits E. Iu., Koriakina V. V. Iavleniia strukturoobrazovaniia poliolefinov pri vvedenii shlifporoshkov almazov prirodnogo proiskhozhdeniia // Perspektivnye materialy. - 2012. - № 4. - S. 53-60.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.