CC BY
76
УДК 620.178.162.4
Желтов А.А., Кох-Татаренко В.С., Майникова Н.Ф., Кравченко Т.П. , Жданов И.А., Пигарева В.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИАМИДА
Желтов Андрей Анатольевич, студент 3 курса бакалавриата ТГТУ.е-mail: teplotehnika@ nnn.tstu.ru: Кох-Татаренко Вадим Станиславович. магистрант 2 года ТГТУ;
Майникова Нина Филипповна. д.т.н., профессор кафедры энергообеспечения предприятий и теплотехника. Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ). Тамбов. Россия 392620. Тамбов. ул. Советская. д.106
Кравченко Татьяна Петровна. к.т.н.. главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс; Жданов Игорь Андреевич. студент 3 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс: Пигарева Владислава Алексеевна, студент 3 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева. Москва. Россия 125047. Москва. Миусская площадь. д.9 e-mail: kravchenkopolimer@gmail.com
Представлено исследование фрикционных свойств пар трения применительно к радиальным подшипникам скольжения, содержащим элементы конструкции из полимерных материалов. Показана целесообразность введения в полиамид синтетических волокон с целью улучшения антифрикционных и противоизносных свойств. Ключевые слова: пара трения, подшипник скольжения, полимерные композиционные материалы.
STUDY OF WEAR RESISTANCE OF FILLEDPOLYAMIDE
Zheltov A.A. *. Koh-Tatarenko V.S. *. Mainikova N.F. *. Kravchenko T.P.. Zhdanov I.A.. Pigareva V.A. Tambov state technical University. Tambov. Russia
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia. Moscow. Russia
Presents a study of friction properties of friction pairs with respect to radial bearings that contains structural elements from polymer materials. The expediency of introduction of synthetic polyamide fibers to improve anti-friction and anti-wear properties.
Keywords: friction couple, journal bearing, polymeric composite materials.
Армированные полимеры являются одними из наиболее перспективных композиционных материалов. Сочетание в них высокой удельной прочности и улучшенных эксплуатационных характеристик обеспечивает им широкое применение в различных областях промышленности и техники [1].
Полимерный композит, работающий в паре трения с металлической поверхностью, должен удовлетворять ряду требований:
- обеспечивать высокие показатели теплопроводности и термостойкости;
- обладать жесткостью и механической прочностью;
- быть устойчивым к воздействию влаги и различных видов смазок;
- обладать способностью к образованию устойчивых поверхностей - пленок из продуктов износа с низким коэффициентом трения и высокой адгезией поверхности композита к таким пленкам [1, 2].
В данной работе представлено исследование пар трения машин применительно к радиальным подшипникам скольжения, содержащим элементы конструкции из полимерных материалов. Процесс трения без смазки изучали на экспериментальной установке, позволяющей реализовывать диапазон нагрузок 8 - 32 МПа. Выбрана схема испытаний с контактом по образующей. Эффективность функционирования установки обеспечена
применением обобщенных условий эксплуатации применительно к радиальным подшипникам скольжения на модельных образцах. При определении коэффициента трения в качестве контртела
использовали ролик диаметром 60 мм, изготовленный из стали 45, термообработанной до твердости 42 - 45 HRC. Шероховатость рабочей поверхности металлического тела характеризовалась параметром Rа = 0,32 - 0,63. Выбор режимных характеристик при фрикционных испытаниях пар трения обусловлен необходимостью передавать больше энергии с помощью компактных механизмов. Многие пары трения машин работают в тяжелых режимах трения, в условиях, когда смазка является нежелательной [2].
Исследованы фрикционные свойства материала на основе полиамида-12 (ПА12), в состав которого были введены синтетические волокна Фенилон (Ф) в количестве 25% масс. [4 - 6].
Полиамиды (ПА6, ПА66, ПА11, ПА12) обладают хорошей формоустойчивостью под нагрузкой и, благодаря способности формировать гладкую поверхность переноса с высокими антифрикционными свойствами, широко используются в производстве подшипников [6]. Следует учитывать также, что для полимера, работающего в паре трения с металлом, когда затруднен отвод выделяющейся теплоты из зоны трения, присутствует пластификация или химическая модификация поверхности [1]. Однако при использовании полиамидных деталей и покрытий в тяжело нагруженных парах трения сдвиговая прочность такой пленки из чистого полимера недостаточна и без армирования она быстро удаляется с металлического тела, что ведет к быстрому износу полимерной или полимерно-металлической детали.
Таблица 1. Свойства материалов на основе ПА12
Материал Твердость по Бринеллю, МПа Ударная вязкость, КДж/м2 Разрушающее напряжение, МПа Теплостойкость по Вика, оС нагрузка 10 Н
Растяжение Сжатие Изгиб
ПА12 90 90 47 56 60 160
ПА12+25%Ф 130 100 94 75,5 92 180
ПА6 и ПА6,6 - более доступны по цене, но обладают повышенным влагопоглощением, при этом механические свойства во влажном состоянии значительно снижаются. ПА11 и ПА12 - более водостойки (влагопоглощение до 1,6%), но достаточно дорогостоящи. Для кристаллизующихся полимеров следует учитывать возможность появления внутренних микротрещин в полимере по границам аморфных и кристаллических областей из-за усадки во время кристаллизации (в процессе изготовления) и последующей кристаллизации в процессе эксплуатации вследствие неодинаковой плотности этих областей [6].
Выбор наполнителя определялся его физико-механическими свойствами и химическим сродством с полимерной матрицей, при котором возможно возникновение эффекта самоармирования [3 - 5].
Образцы-колодочки для испытаний (размером 4х10х15 мм) из ПА12 и композита на его основе получали прессованием. Рабочую поверхность пластмассовых образцов шлифовали до получения ровной матовой поверхности.
Ранее было показано, что твердость, разрушающее напряжение при растяжении, относительное удлинение при разрыве полимерного волокнистого наполнителя играют решающую роль при оценке износостойкости композита. Перечисленные свойства влияют и на фрикционную стойкость ПА12, наполненного волокном Фенилон. Достаточно большой размер армирующих волокон Фенилон свидетельствует о том, что на прочностные свойства таких армированных материалов влияют и деформационные характеристики самого армирующего элемента. Кроме того, синтетическое волокно воздействует и на структуру полиамидной матрицы композита. При армировании ПА12 волокном Фенилон образуется более однородная структура, одновременно наблюдается уменьшение размеров сферолитов по сравнению с исходным материалом. Более однородная сферолитная структура композита обусловливает повышенные прочностные и деформационные свойства, так как она менее дефектна. Введение наполнителя увеличивает жесткость ПА12, что связано с уменьшением подвижности сегментов
макромолекул на поверхности наполнителя и усилением полимерной матрицы. При тяжелых (критических) режимах трения надмолекулярные структуры полимера деформируются и становятся
более мелкими, вследствие чего коэффициент трения уменьшается. Коэффициент трения по стали армированного ПА12 ниже в 3 раза, чем у исходного материала [7].
Зависимость износостойкости наполненного ПА12 от нагрузки в зоне контакта изучали в диапазоне нагрузок 8 - 32 МПа при скорости трения 0,02 м /с и пути трения 9,4 м. Для ускорения испытаний использовали стальной ролик с поверхностью, шероховатость которой равнялась Я2 = 80 - 100 единиц. Результаты фрикционных испытаний показали, что при большой нагрузке структура поверхностного слоя разрыхляется, вследствие чего износ возрастает. Характер зависимости износа композита по металлу от нагрузки свидетельствует о реализации наиболее интенсивного износа в паре трения - абразивного.
Износ ПА12, наполненного волокном Фенилон, снижается в три раза во всем исследуемом интервале нагрузок по сравнению с износом исходного полимера, что объясняется доминированием термомеханических процессов при критических режимах трения без смазки, повышением прочности и уменьшением абразивного эффекта (рисунок). Деформационная теплостойкость наполненного композита на основе ПА12 возрастает, что объясняется образованием более плотно упакованного пограничного слоя на поверхности волокна, армирующего полимер (таблица 1).
На рисунке 1 приведена зависимость 2, полученная для наполненного композита на основе ПА12, который содержит в своем составе рубленное волокно Аримид-Т в количестве 10% масс. Данная зависимость представлена в данной работе для того, чтобы объяснить влияние свойств волокнистого наполнителя на полимерную матрицу и трибологические и противоизносные свойства композитов. Различия в изменении свойств исследуемых композитов объясняются
структурным эффектом и разным относительным удлинением волокон при разрыве. Так, разрушающее напряжение при растяжении волокна Фенилон составляет 0,45 Н/текс, относительное удлинение при разрыве находится в пределах 15 - 20 %.
Для волокна Аримид-Т разрушающее напряжение при растяжении составляет 0,45 - 0,50 Н/текс, относительное удлинение при разрыве соответствует 6 - 8%.
Рис. 1. Зависимость массового износа (110 -3 г)
материалов на основе ПА12 от нагрузки (р, МПа):
1 - ПА12 ; 2 - ПА12 + 10% масс. Аримид-Т; 3 - ПА12 + 25% масс. Фенилон
Как было показано ранее, не только твёрдость, но и величина относительного удлинения при разрыве полимера играют решающую роль при оценке износостойкости полимерного материала [4, 5]. Представленные на рисунке результаты свидетельствуют о том, что указанные соотношения выполняются, очевидно, и в случае армированных волокнами термопластов. Как следует из приведенных данных, увеличение относительного удлинения при разрыве армирующего компонента сопровождается повышением износостойкости. По-видимому, достаточно большой размер
армирующих волокон свидетельствует о том, что на прочностные свойства таких армированных материалов влияют и деформационные характеристики самого армирующего элемента. Кроме того, синтетические волокна воздействуют и на структуру полиамидной матрицы. При армировании волокном Фенилон образуется более однородная структура, одновременно наблюдается уменьшение размеров сферолитов по сравнению с материалом, армированным волокном Аримид-Т. Более однородная мелкосферолитная структура обусловливает повышенные прочностные и деформационные свойства, так как она менее дефектна, чем крупносферолитная. Износ армированного ПА12 снижается по сравнению с износом исходного ПА12 в 1.5 - 4 раза. Это можно объяснить тем, что при критических режимах трения без смазки доминирующими являются термохимические процессы, имеющие для каждого материала свои специфические особенности. Введение в ПА12 термостойких синтетических
волокон типа Фенилон и Аримид-Т позволило снизить его износ за счет повышения прочности и уменьшения абразивного эффекта. При этом возрастает деформационная теплостойкость, что объясняется образованием более плотно упакованного пограничного слоя на поверхности волокна. Сравнительные данные свидетельствуют о том, что с применением синтетических волокон в качестве наполнителя улучшаются
антифрикционные свойства полиамида. По своей эффективности синтетические волокна могут быть поставлены в один ряд с армирующим угольным волокном. Таким образом, показана целесообразность введения в полиамид-12 синтетических волокон Фенилон в указанной концентрации с целью улучшения износостойкости композита применительно к радиальным
подшипникам скольжения.
Список литературы
1. Дроздов Ю.Н. Прикладная трибология (трение, износ, смазка) / Ю.И. Дроздов, В.Г. Юдин, А.И. Белов // Под ред. Ю.Н. Дроздова. - М.: Эко-Пресс. - 2010. - 604 с.
2. Дроздов Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н.Дроздов, В.Г.Павлов, В.Н.Пучков. - М.: Машиностроение , 1986. - 224с.
3. Кербер М.Л., Майникова Н.Ф., Воробьев Ю.В., Кравченко Т.П., Валецкая Н.Я. Антифрикционный материал на основе ПА-12 // Пластические массы. - 1985. -№ 10. - С.14.
4. Перепёлкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности // Российский химический журнал . - 2002. Том XLVI . № 1 - С. 31 - 48.
5. Перепёлкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. - СПб.: Научные основы и технологии . - 2015. - С. 249 -264.
6. Корсакова Е.В., Кравченко Т.П. Свойства и области применения полиамидов различных типов // Успехи в химии и химической технологии. - 2008. Том 22. -№ 5 (85). -С. 10 - 13.
7. Кох-Татаренко В.С., Майникова Н.Ф., Кладовщикова О.И., Пиминова К.С., Шабалтас Ю.А., Кравченко Т.П. Исследование антифрикционных свойств армированного полиамида // Успехи в химии и химической технологии. -2016. Том. 30. -№ 10 (179). - С. 46 - 48.
