CC BY
408
Химическое конструирование трибокомпозитов и их производство в ОКТБ «Орион»
В. Т. Логинов, П.Д. Дерлугян
Актуальность, обоснование, разработка и исследование трибокомпозитов, полученных методами химического конструирования
Для создания надёжной современной техники требуется разработка высокоэффективных износостойких материалов и покрытий для обеспечения надёжной и долговечной работы узлов трения механизмов, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в агрессивных средах, при переходных режимах и в вакууме. Решение этой проблемы путем применения традиционных материалов и покрытий без введения каких-либо добавок весьма ограничено, так как любые материалы всегда имеют те или иные недостатки.
В связи с резким, недопустимым загрязнением планеты отходами производства, продуктами переработки органического и неорганического вида, добавилась ещё одна особо важная проблема, без решения которой практически невозможно допускать к эксплуатации материалы или изделия - все они должны быть экологически чистыми, не загрязняющими флору и фауну. Одновременно эти материалы и изделия должны быть стойкими не только в средах, проявляющих механическое, химическое (абразивное, коррозионное) воздействие, но и в биологически активных средах, такими как мировой океан, грунты различных зон земного шара, реки и т.п., т.е. там, где активно развиваются биологические объекты и особи.
Известно, что на ремонт машин механизмов ежегодно расходуются громадные средства, из которых 85 % - на замену подшипниковых узлов трения. В то же время, для создания новой перспективной техники с более жесткими условиями работы трибологических систем требуются новые металлы, сплавы, композиционные материалы (КМ) на полимерной основе с особыми свойствами, уровень качества которых обусловлен точностью состава, оптимальностью характеристик, тщательностью изготовления на всех стадиях технологической цепочки, сравнительно недорогих и технологичных в изготовлении. Однако, анализ этой проблемы показывает, что в стране нет производств, обеспечивающих в достаточном объеме современные и перспективные машины и механизмы такими материалами. Технологии их выпуска, разрабатываемые в трибологических центрах страны, часто остаются в отчетах и проектах.
Громадную потребность в новых КМ испытывают предприятия, использующие робототехнические комплексы, характеризующиеся точностью передаточных и исполнительных механизмов, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Для их надежной работы необходимы материалы, сочетающие высокую механическую прочность с низким удельным весом, повышенную износостойкость и низкий коэффициент трения. Они должны обладать коррозионной и радиационной стойкостью с экологической безопасностью для природы, высокой степенью надежности в широком интервале температур, работоспособны на воздухе и в вакууме, в химически активных средах, не подвергающихся биологическим повреждениям.
Известно, что при создании композиционных материалов для узлов трения возникает ряд взаимосвязанных задач, решение которых имеет свои особенности для каждого класса материалов, используемых в качестве матрицы. Так, антифрикционность многих композитов на полимерной основе часто находится в противоречии с их теплопроводностью и теплостойкостью.
В то же время, введение наполнителей, повышающих теплопроводность, в полимерную матрицу часто приводит к снижению их механической прочности и повышает коэффициент трения. Использование износостойких высокотемпературных керамик для композиционных антифрикционных материалов затруднено их сравнительно высокими коэффициентами трения и хрупкостью. Поэтому, для решения вышеизложенных проблем, необходимы новые «нетрадиционные» подходы к конструированию композитов, с привлечением фундаментальных исследований в области физико-химической механики материалов, коллоидной и органической химии, металловедения и др. прикладных наук [1].
Вышеперечисленные задачи требуют для решения использование новых подходов к химическому конструированию КМ, привлечение к ним перспективных исследований в области физики твердого тела, материаловедения, трибомониторинга и трибо- и нанотехнологий. При этом следует учитывать природу матрицы КМ, свойства, состав и количество введенных наполнителей, химические и физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии компонентов материала и, конечно, процессы, протекающие в трибологическом контакте во время работы узла трения.
Большое значение в этих областях науки имеют теории структурной приспосабливаемости и структурно-кинематического моделирования подвижных молекулярных форм. Использование этих теорий позволяет трибологам - материаловедам не только объяснить многие закономерности, происходящие в контактной зоне, но и практически решать вопросы создания КМ с заранее заданными свойствами. Это достигается путем введения в полимерную матрицу компонентов, создающих определенные диссипативные структуры, резко повышающие их износостойкость. В этом плане определенный интерес вызывают фосфаты металлов, способные создавать «неорганические полимеры», структуры которых могут повышать физикомеханические и трибологические характеристики КМ.
Создание современных КМ, начиная с синтеза их компонентов, разработки оригинальных технологий с обеспечением патентной чистоты и заканчивая промышленным внедрением и реализацией новых, конкурентно-способных КМ, актуально и требует тщательной научной и технической проработки.
Известно, что система полимер-пластификатор является термодинамически и агрегативно неустойчивой. При повышении температуры вследствие увеличения кинетической энергии усиливается движение макромолекул полимера и молекулы пластификатора, расположенные между молекулами полимера, постепенно выжимаются наружу. Это явление и было использовано при химическом конструировании полимерных композитов. При этом было доказано, что в случае межпачечного пластифицирования композит имеет значительно лучшие трибологические характеристики, чем в случае внутрипачечного пластифицирования. Межпачечный пластификатор, находящийся в полимере в определенном количестве, резко снижает величину коэффициента трения. В то же время, имеется большое количество пластификаторов, которые в большинстве случаев проявляют себя как смазки при граничном трении. В дальнейшем, при конструировании композитов, предназначенных для эксплуатации в тяжелых для полимеров условиях, явление пластифицирования было распространено на материалы с твердосмазочными наполнителями. Сочетание в полимерной матрице твердосмазочного наполнителя (типа дисульфида молибдена или графита) и пластификатора-смазки позволило резко повысить трибологические характеристики антифрикционных самосмазывающихся материалов с полимерной матрицей и создать целую гаму композитов для узлов трения шлюзовых затворов
гидростанций, спуска судов на воду и других отраслей техники, где ранее композиционные материалы на основе полиамидов и полиэтилена не применялись [1,2].
Однако, непрерывное совершенствование машиностроения и специальных областей техники, в том числе космической, ужесточение условий работы узлов трения требовало ещё более надёжных теплостойких материалов и покрытий, что в свою очередь заставило ученых и практиков использовать при создании композитов новые подходы и нетрадиционные полимеры. В частности, после глубоких теоретических и экспериментальных исследований, в ОКТБ «Орион» получило начало новое направление - разработка антифрикционных композиционных материалов на принципе «структурно-энергетической приспосабливаемости» [3].
Были проведены теоретические исследования методов структурно-кинематического моделирования подвижных молекулярных форм большинства композиционных материалов и покрытий, которые показали, что при повышении температуры в зоне контакта трущихся пар происходит перестройка структуры, заключающаяся в переходе от ограниченной подвижности молекул к их свободному вращению. При поворотной изометрии одна молекулярная структура переходит в другую без разрушения связей. При этом, скорость внутреннего вращения, т.е. скорость конформационных превращений молекул зависит от потенциального барьера внутреннего вращения, составляющего для большинства молекул 3,3 - 25 кДж/моль. Поэтому, в состав композитов вводили соединения, не только повышающие прочность и его антифрикционные характеристики, но и способствующие перестройке структурных комплексов в зоне трибологического контакта. Энергия разрушения молекулярных комплексов такой структуры значительно выше величины их конформационной перестройки. Одними из характерных соединений, создающих в системе вышеуказанные условия, являются фосфаты некоторых металлов (Cu, Cd, Zn, Mo). Эти соединения снижают долю энергии, идущей на разрушение молекулярных комплексов, а в некоторых случаях трансформируют её в энергию конформационной перестройки [4].
Для примера приведём вариант композиционного материала с твердосмазочным наполнителем типа дисульфида молибдена, образующий при работе в контактной зоне ФТСП - фосфатное твердосмазочное покрытие, одним из компонентов которого является МоОРО4 (аналогичные соединения, найдены и в объеме композита).
Конформационный анализ этого фосфата, предопределяющий вероятность структурного перестроения и оптимальной ориентации твердосмазочного наполнителя в зоне фрикционного контакта, показывает, что формирование структуры фосфатов молибдена происходит за счет входящих во все эти соединения тетраэдров РО4. При этом наличие сильно ослабленной связи атома молибдена с атомом кислорода предопределяет возможность псевдовращения октаэдра, тем самым, обеспечивая высокую подвижность системы. С геометрической точки зрения -МоОРО4 - это 8-ми- членный цикл, построенный из атомов 3-х видов, характеризующийся стабильными длинами связей и чередованием 2-х различных внутрициклических валентных углов при атомах Мо и Р (109,5 град. и 0 град.). В этом цикле с фиксированными длинами связей и валентными углами имеются 2 степени торсионной свободы и 5 конформаций. Для полифосфатных цепей характерен широкий интервал значений углов Р-О-Р; кроме того, наблюдается значительная ротационная гибкость этой связи, которая позволяет смежным тетраэдрам занимать альтернативные положения. При исследовании энергетических параметров этих соединений была определена энергия вращения кристаллической решетки и энергия связи
(разрушения) атомов металлокомплексов, имеющие значения по Б.Эггинсу и Д.Корбриджу, - 2-5 кДж/моль и 515,6 кДж/моль, соответственно.
Таким образом, учитывая гибкость фосфатных металлокомплексов, а также их энергетические параметры, можно сказать, что в зоне фрикционного контакта, более предпочтительно структурно-кинетическое перестроение, а не разрушение их конформационных фрагментов. Наличие поворотной изомерии молекул фосфатных комплексов позволяет им легко приспосабливаться к тем или иным условиям трения, что в свою очередь снижает скорость изнашивания композитов. Износостойкость композитов повышается также ввиду того, что «микрокапсулы» МоБ2, находясь в высокоподвижной активно перестраиваемой системе, могут свободно ориентироваться в отношении к поверхностям, как подложки, так и контртела. Хотя приведенные данные являются не априорными, но высказанные гипотезы подтверждаются проведенными в дальнейшем модельными, микроскопическими, физическими и химическими исследованиями [4].
Глубокие исследования были проведены в ОКТБ «Орион» по разработке термостойких (до 300 0С) антифрикционных износостойких композитов на основе термостойких полимеров -полиимидов. Интересно различие коэффициентов граничного трения этих полимеров на воздухе и в вакууме, которое составляет соответственно - 0,5-0,6 и 0,03-0,06. Введение в матрицу этого полимера совместно с дисульфидом молибдена термостойких фторуглеродных жидких смазок привело к снижению коэффициента трения до 0,02. В настоящее время в ОКТБ «Орион» разработан композиционный материал на полиимидной основе с наполнителем политетрафторэтиленом. Коэффициент трения полученного композита на воздухе существенно снизился и составляет - 0,13-0,15.
Создание новых образцов техники при её эксплуатации в различных средах и климатических условиях в широком диапазоне скоростей, нагрузок, температур связано с разработкой узлов трения, работающих в экстремальных условиях. Конструирование таких узлов становится невозможным без расширения номенклатуры материалов антифрикционного назначения. Все чаще используют полимерные материалы, постепенно вытесняющие подшипники качения и традиционные цветные металлы и сплавы, предназначенные для подшипников скольжения. Использование полимеров в качестве конструкционных материалов антифрикционного назначения обусловлено многими факторами, в том числе возможностью образовывать композиты с заданными свойствами [5].
Однако такие характеристики полимеров, как низкая теплопроводность, нестабильный коэффициент трения, износостойкость, деструкция при повышении температуры, подверженность старению и биоповреждениям, высокое водопоглощение и набухание (изменение линейных размеров) и ряд других, ограничивают возможную область их применения в подшипниковых узлах. Расширение сферы использования полимеров ведется в основном в двух направлениях.
Одно из них - модификация свойств известных видов полимеров. Наиболее доступным и приемлемым методом модификации является, в частности, использование возможности введения в полимеры жидких и твердых компонентов, совместное действие которых может изменять первоначальные свойства полимеров и тем самым получать материалы с заданными свойствами [6].
Создание материала с регулируемыми свойствами стало возможно в процессе развития и исследования эффекта самосмазываемости, позволившего определить ряд научных направлений и выделить группу антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов (АСПМ).
Основанием для разработки одного из направлений создания АСПМ явились исследования в области пластификации полимеров и предложенная на их базе модель «выпотевания» пластификатора из материала с образованием на поверхности пары трения полимер - металл тонких смазочных плёнок, предотвращающих схватывание, уменьшающих коэффициент трения и повышающих износостойкость трущихся пар [7].
Важная роль в создании АСПМ с регулируемыми свойствами наряду с пластификацией отводится наполнителям (многофункциональным добавкам), которые также как и пластификатор, можно вводить в полимер в процессе технологической переработки. Каждое из вводимых веществ может самостоятельно или в совокупности друг с другом придавать полимерной основе требуемые свойства. Так, введение твердых слоистых смазок, какими являются графит, дисульфид молибдена и им подобные, существенно влияет на антифрикционные свойства, создаваемые композиции; введение порошков металлов увеличивает теплопроводность; закись меди, реализующая избирательный перенос при трении, одновременно является хорошей биоцидной добавкой, повышающей биостойкость полимера; волокнистые наполнители увеличивают прочностные характеристики.
Таким образом, АСПМ в общем случае можно рассматривать как трех-компонентную систему, состоящую из полимерного связующего, пластификатора и многофункциональных добавок — наполнителей.
Определенная роль при формировании материала отводится технологическим приемам переработки [7], методам образования полимеров с ориентированной структурой поверхностного рабочего слоя [8,9]. Материалы, получаемые по такому принципу, известны под общим названием «Маслянит». Они имеют разный компонентный состав, свойства, назначение, но выполнены по единой схеме.
Комплекс работ по теоретическому обоснованию компонентного состава разрабатываемого материала, выявлению процессов взаимодействия элементов многокомпонентной системы, изучению факторов, реализующих принцип образования на ориентированных полимерных поверхностях при трении смазочных пленок, оптимизации технологических параметров получения заготовок и их механической и термической обработки, проектированию конструкции подшипниковых узлов с учетом особенностей материала следует определить как химическое конструирование материала антифрикционного назначения. Метод химического конструирования применяется в случае, если известные в практике материалы не обеспечивают надежную работу узлов трения в условиях эксплуатации. Для этого определяются технические требования к материалу, включая значения триботехнических (коэффициент трения и износостойкость), физико-механических, электрических и других специальных характеристик, обеспечивающих работоспособность механизмов в экстремальных условиях. Они должны обладать биологической стойкостью к действиям грибков и микроорганизмов, быть невосприимчивыми к обрастанию в речной и морской воде, легко обрабатываться на металлорежущих станках, обеспечивая требуемое сопряжение с металлическим контртелом, и не вызывать коррозии контактирующих с ними металлов [10,11].
Разработка технологии химического конструирования композиционных материалов должна, по нашему мнению, учитывать исследования технологических параметров этапов получения композитов на макро- и микроуровнях. Эффективность разработки материалов с заданными свойствами будет тем выше, чем полнее они будут приближаться к конкретным условиям эксплуатации.
Прежде чем приступить к разработке материала с заданными свойствами, необходимо произвести оценку работы узла трения. Работоспособность последнего характеризуется факторами, основные показатели которых приведены в табл. 1. Каждый из этих факторов оказывает на металлополимерные узлы трения существенное влияние, и поэтому рекомендуемый материал требует эксплуатационной проверки в условиях, приближенных к реальным (стендовые испытания), или же в парах трения самих машин (промышленные испытания). Такие испытания исключают влияние масштабного фактора, имеющего немаловажное значение при оценке истинных возможностей рекомендуемых полимерных материалов [2].
Таблица 1. Факторы, характеризующие работоспособность металлополимерных узлов трения
Скорость относительн ого скольжения, м / с До 0,01 Рабоча я среда Воздух Характер относительн ого перемещени я (вид движения) Поступательное Вид сопряжени я пары трения Вал-втулка
0,01- 0,10 Вакуум Вращательное Плоскость -плоскость
0,10- 1,00 Газовые смеси Реверсивное Палец - сфера
1,0- 10,0 Вода Микроперемеще ния при высоких частотах (фреттинг) Передача винт-гайка
Св.10 ,0
Удельная нагрузка, МПа До 0,1 Технические жидкости Режим работы Кратковременн ый Зубчатая передача
0,1- 1,0 Химически активные среды Периодический Фрикционная передача
1,0- 10,0 Коррозионны е среды Непрерывный И др.
10,0- 30,0 Радиация и другие виды воздействия Специальный Материал контртела (поверхнос ти) Сталь
Св.30 ,0 И др. Бронза
Рабочая температура узла, 0С Ниже -50 Срок эксплуатаци и, лет До 5 Чугун
От -50 до Налич ие Отсутствует От 5 до 10 Алюминиевые сплавы
0 смазки
От 0 до + 50 Разовая
Св.50 Периодическ ая
От -50 до + 50 Принудитель ная
и т.д.
От 10 до 15
Свыше 15
До предельно допустимого износа
До ремонта и т. д.
Титановые
сплавы
Химические
покрытия
Электрохимичес кие покрытия
Методом химического конструирования созданы и внедрены в производство группы материалов «Маслянит», «НПИ», «ТАСМ», обеспечивающие надежную работу узлов трения механизмов в экстремальных условиях (удельные нагрузки от 0,1 до 50 МПа; скорости скольжения от 0,01 до 20 м/с; рабочие температуры от 213 до 573 К). При этом обеспечиваются стабильно низкий коэффициент трения (0,02—0,2) и высокая износостойкость (1 —10 мкм на км пути трения) на воздухе, в воде, технических жидкостях, коррозионно-абразивных средах, в условиях ограниченной смазки и биологического воздействия [2,10,11].
Для оценки работоспособности антифрикционных материалов принят фактор РУ, увеличение значения которого говорит о повышении эксплуатационных возможностей материала — его использование в более нагруженных и скоростных узлах трения. В [2] представлены характеристики значений РУ, полученных при испытаниях подшипников скольжения, изготовленных из полиэтилена низкого давления (ГОСТ 16337-77), полиамида ПА-610 (ГОСТ 10580-73), е-капроамида (ГОСТ 7850-74) и сконструированных на их основе АСПМ, на машинах трения при переменных величинах скорости скольжения и удельной нагрузки по следующей схеме. При наименьшей скорости скольжения 0,01 м/с проводились исследования с последовательным увеличением нагрузки, начиная с 0,1 МПа до предельного значения. Предельным считалось значение, при котором полимерный образец либо катастрофически изнашивался, либо разрушался (плавился). Затем эти же испытания проводились при более высоких скоростях. Для скоростей относительного скольжения до 0,01 м/с длительность испытания существенного влияния на величину предельно допустимого значения нагрузки не оказывала. В этом случае режим испытаний принят как «непрерывный». При скоростях выше 1 м/с были проведены дополнительные исследования в следующих двух режимах работы: «периодический» — время работы узла трения не превышало 1 ч и «кратковременный» — время работы ограничивалось 15 мин с последующей остановкой до полного восстановления первоначальной температуры. Увеличение фактора РУ в 2-3 раза обеспечивает работоспособность металлополимерных узлов при скоростях относительного скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 60 МПа.
Другим немаловажным показателем, определяющим преимущество АСПМ перед исходными полимерами, является улучшение антифрикционных характеристик на 25-50%. В [2,8] представлены данные по оценке коэффициента трения вышеуказанных полимеров и разработанных на их основе самосмазывающихся композиций на машинах трения при переменных величинах скорости скольжения и удельной нагрузки по следующей схеме. Схема трения: полимерный стержень — плоскость, движение поступательное, скорость перемещения
0,01 м/с. Испытания проведены на воздухе, в воде и с применением разовой смазки. Использование последней в узлах трения с АСПМ рекомендуется для лучшей прирабатываемости полимерного материала в начальный период работы.
Снижение коэффициента трения достигается за счет:
• образования на поверхностях трения граничных смазочных слоев, одним из компонентов которых являются металлические мыла;
• введения антифрикционных добавок;
• ориентации структуры поверхностного слоя физико-химическими методами или механическим воздействием;
• термической обработки заготовок с дополнительным насыщением поверхностных слоев (глубина проникновения до 2 мм) смазочными составами;
• внесения конструктивных изменений в узел трения.
Улучшение антифрикционных характеристик рассматриваемых материалов связано с изменением их износостойкости при трении. АСПМ обладают повышенной износостойкостью (на 30-50%) по отношению с применяемым в качестве связующего полимером.
В качестве примера создания АСПМ с заданными свойствами можно отметить разработку материала для скользящих затворов высоконапорных гидростанций и гидросооружений. Согласно техническим требованиям на разработку материал должен обладать рядом свойств, характеристики которых представлены в табл. 2. Помимо этого заготовки из материала по конструктивным особенностям затвора должны иметь линейные размеры 600x200x50 мм, обеспечить работоспособность механического оборудования гидротехнических сооружений как при работе на воздухе, так и в речной воде при удельных давлениях до 60 МПа. В отечественной практике материала, обладающего комплексом всех требуемых свойств, выявить не удалось. Приступая к конструированию АСПМ с заданными свойствами, определили основу для будущей композиции.
По физико-механическим и технологическим показателям наиболее подходящим оказался материал, получаемый анионной полимеризацией е-капролактама (капролон) [8].
Использование данной технологии переработки полимера позволяет получить крупногабаритные изделия методом свободной заливки расплава полимера в формы с последующим отверждением. Однако капролон в чистом виде обладает рядом недостатков: в первую очередь
неудовлетворительными антифрикционными свойствами, высокими показателями водопоглощения и набухания в воде, нестабильностью свойств во времени (старение), подвержен обрастанию при длительном пребывании в речной воде [10,11]. Устранить эти недостатки удалось, применив предложенный метод химического конструирования АСПМ.
Таблица 2 - Свойства антифрикционного самосмазывающегося полимерного материала АСМ-К-112
Характеристики материала Технические показатели
ТЗ Капролон АСМ-К-112
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа 100 150 130
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 50 80 65
Коэффициент трения-покоя-движения 0,180,12 0,300,25 0,140,11
Износостойкость пути трения, мкм/км 1500 2000 600
Водопоглощение максимальное, % 1,0 8,0 4,0
Набухание максимальное, % 1,0 4,0 0,4
Стабильность свойств под воздействием окружающей среды, лет 7,0 5,0 10,0
Биостойкость, баллы 1,0 2,0-3,0 1,0
Обрастание в речной воде Менее стоек Более стоек
Обосновав выбор пластификатора, способ его введения в связующее совместно с наполнителями и добавками, оптимизировав состав, режимы переработки и термической обработки, создали антифрикционный самосмазывающийся материал АСМ-К-112 (ТУ ГМ 015-84), удовлетворяющий требованиям технического задания. Материал прошел испытания на стенде-имитаторе и в производственных условиях в качестве направляющих полозьев шлюза Волго-Донского судоходного канала им. В.И. Ленина, обеспечив требуемый ресурс работы, стабильность свойств, надежность работы опорно-ходовых устройств гидросооружений. Материал рекомендован к широкому внедрению в гидротехническом строительстве, в том числе на эксплуатирующихся и вновь строящихся гидроэлектростанциях.
Области применения материалов «Маслянит»
Нет практически не одной отрасли техники, где бы ни могли применяться материалы типа «Маслянит», как в качестве материала для узлов трения, выпускаемого оборудования, приборов, машин и механизмов, так и для ремонта узлов трения, опор скольжения и замены подшипников качения на подшипники скольжения. Кроме специальных отраслей техники эти материалы в больших объемах используются в несущих роликах ленточных конвейеров, работающих в условиях сильной запыленности на предприятиях горно-рудной промышленности, литейных цехах. Широкое применение нашли эти материалы на предприятиях химической, машиностроительной и легкой промышленности, в сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства, где применяются ленточные транспортеры с шириной ленты до 1000 мм и скоростью движения до 2 м/сек. Обладая уникальными характеристиками при работе в водных средах материалы «Маслянит» широко внедрены в гидротехнических сооружениях, портовых и судовых механизмах. На всех высоконапорных гидростанциях России и стран СНГ используются материалы этого типа. Являясь биологически стойкими и экологически чистыми, некоторые виды «Маслянита» внедрены в пищевой и консервной промышленности. Материалы этого типа нашли применение в узлах трения точных приборов, вибростендов, сейсмографов, в уплотнениях сервомоторов. Термостойкие антифрикционные самосмазывающиеся материалы на полиимидной основе нашли широкое применение в авиационной, космической технике, в приборостроении, атомной энергетике, роботизированных системах в качестве элементов высокоточных зубчатых передач, подшипников скольжения и их сепараторов.
Ниже приведен перечень материалов, которые изготавливаются на производственной базе ОКТБ «Орион» и предназначаются для реализации. В настоящее время технологическое оборудование позволяет выпускать до 40 тонн/год композитов трибологического назначения.
Материалы и покрытия антифрикционного назначения
• предназначены для эксплуатации в качестве подшипников скольжения, скользящих направляющих и уплотнений узлов трения машин;
• обеспечивают работоспособность в широком интервале нагрузок, скоростей, температур, в различных средах и климатических зонах;
• не требуют подачи смазки в зону трения, исключают задиры и заклинивания узлов, обеспечивают плавность и бесшумность в работе;
• снижают металлоёмкость машин, способствуют экономии цветных металлов и сплавов, смазочных материалов;
• повышают износостойкость, коррозионную стойкость режущего и штампового инструмента, улучшают качество поверхности при механической обработке труднообрабатываемых металлов и сплавов;
• технологичны при переработке, экологически чистые, стойкие к биоповреждениям.
Полозья скользящих затворов и подшипники скольжения гидросооружений из антифрикционных самосмазывающихся материалов АСМК-112 (112Л)
Предназначены для эксплуатации в механизмах гидротехнических сооружений в качестве скользящих направляющих затворов водопроводных галерей, шлюзовых затворов и ворот шандоров, компенсационных втулок тяг гольсбантов створчатых ворот и плавучих рымов, подшипников скольжения насосов и т.д.
Условия эксплуатации:
• удельное давление - 60-120 МПа;
• скорость скольжения - до 2,5 м/мин.;
• температура окружающей среды - от минус 60 до плюс 80 0С;
• рабочая среда: воздух, речная и морская вода.
Применяется вместо материалов ДСП-Б, Ф4К20, «Маслянит-Д». Материалы разработаны в ОКТБ «Орион» по заказу треста «Гидромонтаж» и СКБ «Ленгидросталь».
Внедрение: подшипниками и направляющими оснащается гидромеханическое оборудование,
выпускаемое Чеховским заводом ГМО и направляемое на реконструируемые и вновь строящиеся гидроэлектростанции, затворы Волжского, Камского, Волго-Балтийского, Обского бассейновых управлений водных путей, шлюзы Волго-Донского судоходного канала.
Подшипники скольжения и уплотнения для судовых и портовых механизмов из антифрикционных и самосмазывающихся материалов МК
Предназначены для использования в судостроении, судоремонте, портовых и палубных механизмах, технологическом оборудовании плавсредств взамен подшипников качения, антифрикционных бронз, баббитов, капролона.
Обладают высокой износостойкостью и стабильным коэффициентом трения (0,12 ... 0,16) на воздухе без смазки, в воде, эмульсиях, масляных средах.
Применение в винтодейдвудных и рулевых устройствах обеспечивает стабильную работу и герметичность узлов в широком диапазоне температур. Позволяет свести к минимуму вибрационные нагрузки и шумы, исключает выброс масляных пятен в воду.
Использование в ленточных и ковшовых транспортёрах, шнеках рыбцехов, морозильных аппаратах, насосах, элеваторах в среде морской воды или повышенной влажности при нагрузках до 10 МПа, скоростях скольжения до 2 м/сек. обеспечивает ресурс работы подшипников узлов до 10 тыс. часов, сохраняя работоспособность до полного износа.
Применение взамен крупногабаритных (до 800 мм) конических роликоподшипников и эластомерных уплотнений в грейферных снарядах Е-1100 производств Mitsubisi Nagasaki (Japan), в узах трения ковшей ёмкостью 9,3 и 17,5 м3 позволило увеличить межремонтный период эксплуатации, снизить затраты на ремонт, исключить применение смазочных материалов и остродефицитных запасных частей импортного производства.
Внедрено: на судостроительных верфях и заводах Нижнего Новгорода, Туапсе, Мурманска,
Северо-Двинска, Калининграда, Лазаревки, Жилаговска, Усть-Донецка.
Детали машин из термостойких антифрикционных самосмазывающихся материалов на основе полиимидов
Особенности исходного полимера - полиимида - предопределили область применения деталей из этих материалов.
Высокая термостойкость, радиационная стойкость, работоспособность в вакууме, сложных газовых смесях, агрессивных жидкостях, большинстве органических растворителях позволили применять их в космической и авиационной технике, атомной энергетике, химической промышленности в качестве подшипников скольжения уплотнительных сёдел, сепараторов, подшипников качения, тепло- и электроизоляторов и др. узлах.
Высокие прочностные и триботехнические характеристики и стабильность геометрических параметров в широком диапазоне температур позволили получить высокопрочные зубчатые передачи, преимущественно для приборостроения, в т.ч. аппаратуры бортовых спутниковых систем по программам «Венера», «Марс», «Луна».
Усовершенствовав технологию переработки полиимидов, пластифицируя и вводя в них многофункциональные добавки, удалось получить группу материалов с заданными свойствами, резко расширившими возможную область применения.
Высоконагруженные подшипники скольжения
Представляют собой металлический корпус, облицованный антифрикционным полимерным композитом, армированным волокнистым каркасом, предназначены для эксплуатации в подвижных сопряжениях машин и механизмов.
Условия эксплуатации:
• рабочая удельная нагрузка - до 200 МПа;
• скорость относительного скольжения - 0,1 м/сек;
• интервал рабочих температур - от минус 60 до плюс 150 0С.
Внедрены в тяжелонагруженных узлах трения подъемно-транспортного и металлургического оборудования Новокраматорского машзавода.
Возможен вариант применения корпуса из углепластика с антифрикционным рабочим слоем. Подшипники обеспечивают высокую нагрузочную способность, износостойкость, низкий коэффициент трения при работе как в гидравлических жидкостях, так и всухую.
Эксплуатируются в качестве направляющих втулок элементов гидроцилиндров, в т.ч. втулок штока гидравлических ножниц на Белорусском металлургическом заводе. Вкладыши сферических опор скольжения, не требующие подачи смазки, исключающие заедания и задиры, внедрены в опорных пятниковых узлах миксеров-чугуновозов Новокраматорского машиностроительного завода.
Несущий ролик ленточного транспортёра с подшипниками скольжения из антифрикционных самосмазывающихся полимерных композиционных материалов
Выполняется в металлическом или резиновом корпусе. Предназначен взамен роликов с подшипниками качения для работы в условиях сильной запылённости или повышенной влажности воздуха.
Условия эксплуатации:
• скорость транспортирования - до 2 м/с;
• погонная нагрузка на ленту конвейера - 60 кг/м.
Преимущества от применения: в процессе длительной эксплуатации (до 5 тыс. часов) не
требуется периодическая подача смазки, экономятся дорогостоящие материалы, высоколегированные стали, сокращается простой конвейеров, связанный с их техническим обслуживанием и ремонтом, исключены аварийные ситуации вследствие заклинивания металлических подшипников качения, снижается уровень шума при работе.
Возможная область применения - горнорудная, горнодобывающая, металлургическая, химическая, судостроительная, лёгкая и пищевая промышленности, машиностроение, сельское хозяйство.
Внедрение - разработки внедрены в ПО «Ростовнеруд», ОПО «Ворошиловграднерудпром», ОПО «Винницнерудпром», Щедокском гипсовом комбинате, Камском автозаводе, Калиниградском управлении тралового флота.
Упорные подшипники скольжения и резьбовые втулки из антифрикционных композитных полимерных материалов в узлах трения запорной трубопроводной арматуры
Подшипники скольжения предназначены для замены упорных подшипников качения №№ 8109, 8110, 8112, 8205, 8207, 8208 и др. в узлах трения клиновых задвижек и сильфонных клапанов с диаметром условного прохода Dу 40, 50, 65, 80, 100 и 150.
Резьбовые втулки используются при замене втулок с трапецеидальными резьбами 14х3, 18х4, 20х4, 22х5, 26х5.
Характеристики материала:
• состав - композиционный полимерный материал на основе полиамидов;
• плотность - 1,0-1,23 г/см3;
• разрушающее напряжение при сжатии в интервале температур от минус 40 до плюс 150 0С - 70 ... 150 МПа;
• коэффициент линейного теплового расширения - 2,4-9,0 х 10-5 ;
• коэффициент трения скольжения - 0,08-0,15.
Внедрены на арматурных завода в городах: Санкт-Петербург, Кролевец, Юго-Камск, Курган, Чехов и др.
Подшипники скольжения, скользящие направляющие и уплотнения для узлов трения машин и механизмов
Изготавливаются из антифрикционных самосмазывающихся полимерных композиционных материалов взамен подшипников качения и подшипников скольжения из цветных металлов. Апробированы и внедрены в узлах трения:
• скользящих направляющих транспортно-перегрузочных устройств;
• аксиально-поршневых насосов серии РИАС, циркуляционных насосов, насосов-дозаторов, погружных насосов;
• конусных дробилок;
• прессов СМ512, СМ516 по производству силикатных материалов;
• роботов-манипуляторов М10П.62.01 и М20П.40.01;
• редуктора минитрактора «Луч» (мотоблока МБ-5040);
• полиспастов тросовых литейных машин;
• гидроцилиндров разгрузчиков сыпучих материалов У15 УРБС;
• гидроцилиндров землеройных, дорожных и строительных машин в качестве защитных колец;- шнековых транспортёров, винтовых конвейеров;
• подъемного механизма рентгенаппаратов типа 12Ф7;
• упаковочной линии по производству химволокна;- карданных шарниров автомобилей;
• дверей автомобилей (в петлях);- опор дистанционного привода управления механизмом переключения передач автомобиля КамАЗ;
• измерительных приборов и бытовой техники;
• стапельной дорожки для припуска и спуска судов;
• конвейерных и поточных линий.
Применение самосмазывающихся подшипников повышает надежность и долговечность узлов трения, снижает эксплуатационные затраты, расход смазочных материалов, металлоемкость конструкций, исключает заедания и задиры трущихся поверхностей, обеспечивает плавность и бесшумность в работе в условиях повышенной вибрации и ударных нагрузок. Подшипниковые
узлы сохраняют работоспособность в условиях попадания влаги, абразива в интервале рабочих температур от минус 50 до плюс 120 0С.
Основные технические характеристики материалов подшипников:
• плотность - 1,1-1,2 г/см3;
• разрушающее напряжение при сжатии - 80-130 МПа;
• коэффициент трения в зависимости от условий эксплуатации - 0,08-0,16.
Композиционное модифицированное никель-фосфорное покрытие
Предназначено для повышения износостойкости режущего и штамповочного инструмента, пресс-форм, продления срока службы механизмов, работающих в коррозионно-абразивных средах.
Метод нанесения - химическое осаждение на рабочие поверхности, в т.ч. сложной конфигурации. Разнотолщинность 1-2 мкм.
Технические характеристики покрытия:
• адгезия к металлической подложке - 400-550 МПа;
• микротвердость - 12000-14000 МПа;
• эксплуатационная толщина - 3-100 мкм;
• пористость - отсутствует;
• обладает высокими противозадирными свойствами.
Покрытие обеспечивает повышение срока службы режущего инструмента в 2-3 раза, рабочих органов машин и механизмов, работающих в коррозионно-абразивных средах, в 3-5 раз.
Разработка внедрена на химкомбинате «Россия», ПО «Химволокно», НПО «Машиностроение», Харьковском ПО «Комунпродвод», Химзаводе им. Петровского.
Термостойкие твердые смазочные покрытия
Предназначены для узлов трения машин и механизмов, работающих на воздухе, в вакууме, инертных и агрессивных средах или условиях фреттинг-коррозии.
Покрытия могут быть использованы в качестве антифрикционных, защитных, антикоррозийных в приборостроении, авиационной и космической технике, химической промышленности.
Внедрены на ряде предприятий, в т.ч. НПО «Машиностроение», заводе им. Хруничева, ПО «Стрела», РНИИП НПО «Космическое приборостроение», НПО «Вакууммашприбор».
Важнейшие ожидаемые научно-технические достиженияв области мехатронных технологий
Необходимы разработки мехатронных технологий и нанотехнологий создания экологически чистых композиционных самосмазывающихся материалов, покрытий и смазок, обладающих свойствами самоорганизации и самовосстановления, для узлов трения и сопряжений машин, механизмов и приборов (на период 2005-2006 гг. и перспективные НИОКР до 2010 г.).
Выявление механизма. Известно, что самоорганизация не является универсальным свойством материи и проявляется лишь при определенных внутренних и внешних условиям. В ФГУП ОКТБ «Орион» установлено, что в узлах трения, представляющих собой открытую систему, получающую из внешней среды отрицательную энтропию и вещество, могут возникать новые стационарные неравновесные структуры с высокой степенью упорядоченности. Узел трения -трибосистема - в неживой природе удовлетворяет требованиям самоорганизации, поскольку представляет собой открытую систему. К нему подводится энергия, например от электродвигателя, и вещество в том или ином агрегатном состоянии. Все это создаёт условия для формирования во фрикционном контакте диссипативных структур, в том числе в виде самовосстанавливающихся в процессе работы защитных антифрикционных плёнок [4,8-10]. Подобное явление образования защитной «сервовитной» плёнки (т.н. «избирательный перенос») изучено и в настоящее время используется в технике. Однако эффективность этого явления проявляется, в основном, при работе пар трения с участием меди или её сплавов и при смазывании глицерином.
Вышеизложенные представления заложены в основу настоящих и будущих мехатронных технологий конструирования композиционных материалов, проводимых в ФГУП ОКТБ «Орион». При этом на атомно-молекулярном уровне с помощью классической и прикладной биофизики и трибохимии ведётся постоянный анализ трибологических аспектов объектов и диссипативных систем, созданных природой для биологических объектов. Например, сравнительный анализ матрицы композиционного материала - полиамида и основного компонента белков -полипептида. Созданы материалы и покрытия, проявляющие свойства самоорганизации и самовосстановления, за счет поставки в зону трения тех или иных веществ, например, материалы «Маслянит», ТАСМ, материалы для механизмов по добыче пелоидов Тамбуканского месторождения и др.
Таким образом, мехатронные технологии, разработанные в ФГУП ОКТБ «Орион», позволят создавать в зоне трибосопряжений сервовитные плёночные покрытия в процессе работы узла трения, обладающие свойствами самоорганизации, самовосстановления и создавать тем самым в узле трения сравнительную безызносность [9].
Разработка. С помощью мехатронных технологий будут созданы новые композиционные самосмазывающиеся материалы и покрытия, а также смазочные композиты для узлов трения и опор скольжения машин, механизмов и приборов, обладающих повышенной износостойкостью и долговечностью. Будут исследованы свойства этих материалов, разработаны практические рекомендации по их серийному выпуску, разработана технологическая документация, ГОСТы и др. нормативные документы.
Практическое применение. Подготовка серийного производства и выпуск материалов, покрытий и смазок, разработанных с помощью мехатронных технологий.
Широкое использование. Распространение продукции предприятий и организаций, выпускающих новые самосмазывающиеся материалы, покрытия и смазки на внутреннем и внешнем рынках.
Выводы
1. Метод химического конструирования антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами для работы в качестве подшипников скольжения и скользящих направляющих узлов трения машин и механизмов включает в себя комплекс
работ по:
* изучению условий и характера физико-химического и механического внешнего воздействия на материал и поверхности трибосопряжения в процессе эксплуатации;
* теоретическому обоснованию компонентного состава разрабатываемого материала;
* выявлению принципов взаимодействия элементов многокомпонентной системы;
* изучению условий, реализующих образование на ориентированных полимерных
поверхностях при трении граничных смазочных слоёв;
* оптимизации технологических параметров получения заготовок и их термической обработки;
* конструированию подшипниковых узлов с учетом особенностей разработанного материала.
2. Данный метод создания АСПМ позволяет расширить возможную область применения существующих отечественных полимеров без вложения значительных капитальных затрат; значительно улучшить триботехнические характеристики узлов трения, повышая их надежность в работе и долговечность; обеспечить плавность и бесшумность в работе, исключая заедания и задиры трущихся поверхностей; исключить необходимость принудительной подачи смазки в зону трения; снизить металлоёмкость и энергоёмкость узла трения и машины в целом.
3. В ходе химического конструирования разработана большая группа АСПМ, известных под
названием «Маслянит», «НПИ», «ТАСМ», обеспечивающих работоспособность узлов трения в экстремальных условиях взамен традиционно применяемых подшипников скольжения из цветных металлов. Они находят широкое применение в различных отраслях техники, в том числе в машиностроении, химической и горнорудной
промышленности, мелиорации и гидротехническом строительстве.
Литература
1. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. - М.: Машиностроение, 1976. 220 с.
2. Дерлугян П.Д., Логинов В.Т., Сухов А.С., Дерлугян И.Д. Конструирование
антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами. // Изв. СКНЦ ВШ. Техн. науки. 1987. № 1. С. 61-67.
3. Логинов В.Т., Гончаров А.В.и др. К вопросу о создании условий самоорганизации
трибосистем при трении композиционных материалов типа «Маслянит». // V
Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону. Изд-во ДГТУ. 1997, т. II, с. 131-133.
4. V.T.Loginov, D.V.Minkov, S.V.Iliasov, O. M. Bashkirov, A.V.Goncharov, N.V.Loginova. Composition materials "Maslianit". The problems of the chemical design and direction of the friction characteristics / World tribology congress, 8-12 september 1997, London, UK, S. "Industrial problems and solutions" t.4, p. 134.
5. Логинов В.Т., Башкиров О.М., Дерлугян П.Д. и др. Проблемы химического
конструирования композиционных материалов типа «Маслянит» - цели и задачи. // Труды международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов - 21 век. М. 2001. С. 313316.
6. Логинов В.Т., Миньков Д.В. и др. Классические и прикладные технические решения создания и внедрения композиционных материалов и покрытий ОКТБ «Орион» / Труды
междунар. Конгресса «Механика и трибология транспортных систем - 2003» сентябрь 2003 г. Ростов н/Д - Ростов н/Д: Изд-во РГУПС. - 2003. С.81-83.
7. Башкиров О.М., Логинов В.Т. и др. Использование элементов нанотехнологий при разработке и исследовании композиционных материалов и покрытий для повышения долговечности работы шестеренных насосов 11НШ / Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). Труды междунар. конф. 27-30 августа 2003 г. Москва. - М.: Знание, 2004. С. 392-397.
8. Логинов В.Т., Башкиров О.М., Дерлугян П.Д. и др. Новые самосмазывающиеся композиционные материалы - вопросы химического конструирования. Тр. межд. семинара-выставки «Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении» (НАУКА - ПРОИЗВОДСТВУ) 20-23 апреля 1999г. Киев, 1999. С.54.
9. Логинов В.Т., Щеголев В.А. и др. Биофизические и структурные подходы к трению и износу. // Антифрикционные материалы специального назначения.- Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. С.41-45.
10. Логинов В.Т., Дерлугян П.Д., Докукина Г.Н. Биостойкие антифрикционные самосмазывающиеся композиции. Докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. «Защита судов и технических средств от обрастания». - Л.: Судостроение. 1999. С.136-143.
11. Логинов В.Т., Докукина Г.Н. Стойкие к морскому обрастанию композиты антифрикционного назначения. Докл. Всес. науч.-техн. конф. «Защита судов и технических средств от обрастания». - Л.: Судостроение. 1999. С. 143-147.
15 мая 2007 г.
