CC BY
49
УДК 621.891:678.7 Ю. К. МАШКОВ
А. С. РУБАН Б. Т. ГРЯЗНОВ А. А. БАЙБАРАЦКИЙ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия НПК «Криогенная техника», г.Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПКМ И СТРУКТУРЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ__________________________________
Рассмотрены результаты исследования механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ при различной концентрации наполнителя — скрытокристаллического графита; установлено влияние концентрации скрытокристаллического графита на коэффициент трения и температуру в зоне трения, определена оптимальная концентрация наполнителя для различных условий трения. Ключевые слова: композиты, коэффициент трения, температура трения, трибосистема.
Широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в узлах трения машин сделало весьма актуальным исследование их свойств и влияния температуры в зоне трения на триботехнические свойства деталей машин. Ограниченный объем знаний о влиянии температуры и температурного градиента на характеристики свойств ПКМ снижает область их применения в узлах трения и является одной из причин недостаточного развития научно обоснованных принципов создания полимерных композиционных материалов (ПКМ) как фрикционного, так и антифрикционного назначения.
В работах В.И.Колесникова [1 ], посвященных исследованию тепловых процессов в металлополимерных трибосистемах и Машкова Ю.К. [2], посвященных разработке ПКМ и исследованию теплофизических свойств, показано, что они являются определяющими в обеспечении работоспособности металлополимерных узлов трения. Поэтому первостепенное значение имеют задачи исследования и описания тепловых процессов с учетом температурного градиента в зоне фрикционного контакта и зависимости от них физико-механических и трибологических характеристик материалов [3].
Реализация температурных измерений при трении и механической обработке материалов представляет собой сложную инженерную задачу, что обусловлено рядом причин. Основными из них являются малые размеры площадок, на которых протекают тепловые процессы, неравномерное распределение температуры по глубине и вдоль поверхностей контактирующих тел [2-4].
Целью данной работы является исследование влияния концентрации наполнителя на температуру в зоне трения и на характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ на основе ПТФЭ.
Методика исследования. Анализ физико-механических свойств различных полимерных материалов, результатов ранее выполненных эксперимен-
тальных исследований и опыта применения полимеров в различных герметизирующих устройствах транспортных и технологических машин [3] показывают, что в наибольшей степени комплексом необходимых физико-механических и триботехнических свойств, как основа для ПКМ, обладает политетрафторэтилен. Для исследования были выбраны образцы ПКМ, содержащие в качестве наполнителей скрытокристаллический графит (СКГ), марки ГЛС-3 (ГОСТ5420-74) с кристаллами менее 0,2 мкм, неупорядоченной ориентацией и удельной поверхностью частиц 55-70 м2/г в ультрадисперсном состоянии.
Образцы ПКМ изготавливались по технологии холодного прессования и последующего спекания, при температуре 360° ±3°С. Продолжительность спекания задается в зависимости от величины минимального сечения заготовки-образца. В отличие от ранее исследованных ПКМ, в настоящей работе спекание выполняли в условиях одноосного, аутогенного давления.
Охлаждение заготовок до температуры 200°С осуществляется при минимальной скорости, обеспечиваемой регулятором температуры (скорость охлаждения 50°С/ч). Дальнейшее охлаждение производится вместе с печью без контроля и регулирования скорости охлаждения. Из спеченных заготовок путем механической обработки изготавливаются образцы для исследования механических и триботехнических свойств в соответствии с предложенными ниже методиками.
С целью исследования механических свойств для каждого значения концентрации СКГ изготавливали и испытывали по три образца, по результатам испытаний рассчитывали значения исследуемых параметров и определяли их средние значения (табл. 1).
Полученные результаты показывают, что характеристики механических свойств существенно зависят от концентрации СКГ и их общей закономерностью для всех исследуемых образцов является
Характеристики механических свойств ПКМ с различной концентрацией СКГ
Образец, % масс. Предел прочности Ор, МПа Модуль упругости Ер, МПа
ПТФЭ 28,6 155
ЗСКГ 27,1 161
5СКГ 26,3 245
10СКГ 25,9 303
15СКГ 24,8 318
20СКГ 22,4 346
Таблица 2
Условия проведения опытов и результаты испытаний
№ опыта Концентрация наполнителя СКГ, % масс. Давление, М11а Температура, К Скоростьизнашивания, 10ц, г/ч Коэффициент трения
1 5 1,5 498 6,611 0,19
2 5 2,0 531 6,944 0,16
3 5 2,5 563 7,210 0,14
4 10 1,5 532 4,388 0,23
5 10 2,0 564 4,720 0,19
6 10 2,5 588 5,124 0,16
7 15 1,5 551 3,889 0,25
8 15 2,0 582 5,666 0,20
9 15 2,5 603 6,485 0,17
Таблица 3
Параметры надмолекулярной структуры исходных образцов ПКМ
Параметр Концентрация СКГ, масс %
3 5 10 15 20
а, нм 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56
С, IIM 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47
Сш, нм 1,58 1,56 1,56 1,55 1,57
х.% 62 56 54 54 64
D, нм 60 60 55 60 55
снижение предела прочности и рост модуля упругости при увеличении концентрации наполнителя. При введении СКГ наблюдается практически монотонное уменьшение предела прочности во всем диапазоне изменения концентрации. Модуль упругости с повышением концентрации возрастает.
Наибольшая интенсивность повышения модуля упругости наблюдается для образцов с концентрацией СКГ до 10% масс, (на 95,5%) или в среднем модуль упругости повышается на 14,8 МПа при увеличении концентрации СКГ на 1%. Максимальное значение модуля упругости получено для образцов с концентрацией СКГ 20% масс., оно — на 123%, т.е. более чем в 2,2 раза больше модуля упругости Е(1 чистого ПТФЭ. В то же время предел прочности снижается более чем на 20%.
В соответствии с задачами исследования для проведения экспериментальных исследований триботехнических свойств ПКМ и тепловых процессов была разработана специальная установка с механическим приводом на базе настольного сверлильного станка (рис. 1), в рабочем узле которого реализуется торцовая схема трения палец-диск. Станок совмещен с теп-ловизионной автоматической установкой, укомплектованной выносным пирометрическим зондом, предназначенным для дистанционного измерения тепловых полей. Для измерения температуры на различном расстоянии от поверхности трения в диске были
выполнены отверстия на глубину 1 мм и 1,8 мм от поверхности трения, в которых крепились термопары хром-капель с диаметром спая 0,2 мм. Методика исследования предусматривала одновременное изучение тепловых процессов и их взаимосвязь с триботехническими свойствами ПКМ. Измерение момента силы трения осуществлялось малогабаритным потенциометрическим датчиком давления ДМП-6А. Оценка величины износа образцов производилась взвешиванием на микроаналитических весах ВЛР-200. В процессе испытания через каждые 10 минут измерялись момент силы трения и температура в зоне трения и в поверхностном слое.
Образцом является палец — цилиндр из ПКМ на основе ПТФЭ. Размеры образца: диаметр 5 мм и длина 13 мм. В держателе образцов одновременно устанавливается по три образца, которые с заданным усилием рабочими торцами прижимаются к контртелу -металлическому диску, изготовленному из закаленной стали СТ45, имеющему параметры шероховатости Яа< 0,32 мкм. Каждый образец испытывается не менее трех раз по 3 часа при заданных скорости скольжения и контактном давлении. Серии испытаний проводили при контактных давлениях Р = 1,5 — 2,5 МПа и скорости скольжения V = 1,20 м/с.
Предварительный анализ влияния концентраций наполнителя на структуру и триботехнические свойства показал [4], что область малых концентраций
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 («0). 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
Рис 1. Схема испытательного стенда:
1 - шпиндель станка; 2 - держатель для образцов;
З - образец; 4 - контртело; 5 - радиально-упорный подшипник; б - тензодатчик; 7 - прибор регистрирующий; 8-грузсменный;9- плита; 10-станинастанка; 11 -станок; 12 - кронштейн, 13 - держатель, 14 - пирометр
С.Пыасс
а
Р.МП.1
б
Рис. 2. Концентрационные зависимости температуры на поверхности трения и в контртеле при Р = 1,5 МПа (а) и зависимости температурного распределения образца с концентрацией СКГ 10% масс, от контактного давления (б): 1 - температура на поверхности, 2 - температура на расстоянии 1мм от поверхности, 3 - температура на расстоянии 1,8 мм от поверхности
наполнителя (менее 5% масс.) не оказывает существенного влияния на триботехнические свойства материала, в то время как наполнение политетрафторэтилена в 12-15% масс, считается критическим в связи с происходящими в нем структурными изменениями. Поэтому для испытаний были выбраны образцы с концентрацией наполнителя от 5% масс, до 20% масс.
Методика испытания предусматривала подготовку образцов, заключающуюся в промывке рабочей поверхности контртела и полимерных образцов этиловым спиртом. Каждый комплект образцов перед началом испытаний проходит приработку в течение 2...3 часов. Полимерные образцы перед началом испытаний, после приработки и каждого этапа испытаний протираются салфеткой смоченной в этиловом спирте. Каждый образец испытывается не менее трех раз по три часа при заданных скорости скольжения и контактном давлении.
По результатам всех измерений для каждого образца определены средние значения измеряемых параметров и вычислена массовая скорость изнашивания (табл. 2).
Поданным, полученным при помощи пирометра и термопар, закрепленных в контртеле, построены графики зависимости температуры от концентрации СКГ в образцах при Р = 1,5 МПа (рис. 2а) и от контактного давления (рис. 26). При этом температура измерялась на поверхности трения и в контртеле на расстоянии 1,0 и 1,8мм от поверхности трения.
Из рис. 2 видно, что при увеличении контактного давления и концентрации СКГ общей закономерностью для всех образцов является повышение температуры на поверхности трения и в поверхностном слое. Наблюдаемое изменение характеристик триботехнических свойств очевидно связано с изменением механических свойств поверхностного слоя полимерных образцов вследствие повышения температуры и структурно-фазовых превращений в тонком поверхностном слое. Совместный анализ кривых на рис. 2 показывает, что градиент температур от поверхности трения существенно нелинеен, поскольку на расстоянии 1,0мм от поверхности трения температура на 7 ГС ниже чем на поверхности трения, а на расстоянии 1,8 мм ниже ещё на22<>С, т.е. градиент в интервале 1,0— 1,8 мм меньше почти в три раза по сравнению с градиентом в интервале 0,0— 1,0 мм от поверхности трения.
Рассмотренное выше изменение механических свойств и износостойкости ПКМ в зависимости от условий нагружения и температуры в зоне трения для ПТФЭ связано со структурно-фазовой модификацией полимера при введении наполнителей (СКГ). Поэтому исследование закономерностей структурно-фазо-вой модификации ПТФЭ помогает изучить и понять физические причины изменения свойств модифицированного ПТФЭ и взаимосвязь между изменением структуры и свойств и температурой в зоне трения
Введение ультрадисперсного СКГ инициирует развитие процессов формирования надмолекулярной структуры в условиях сближения частиц ультра дисперсного графита с молекулами ПТФЭ при прессовании композиции, а также активации процессов адсорбции сегментов макромолекул на активных центрах наполнителя, приводящей к уменьшению их подвижности [4].
С целью изучения влияния концентрации скрытокристаллического графита на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры снимали рентгенограммы с поверхностей образцов с различной концентрацией СКГ [5].
Рентгенограммы отражают аморфно-кристаллическую структуру ПТФЭ и содержат основную полезную информацию в области углов дифракции 20— 10'—30*.
Параметры надмолекулярной структуры; степень кристалличности х, параметры псевдогексагональной решетки а и с, среднее межслоевое расстояние в амор-
фной фазе Сам, размер блоков кристаллитов О приведены в таблице 3.
Полученные результаты показывают, что параметры кристаллической ячейки остаются постоянными (изменения параметров в пределах погрешности) и имеют усредненные значения а = 0,56 нм и с = 1,47 нм. Величина кристаллитов изменяется в пределах 55-60 нм и имеет усредненное значение 57,5 нм. Существенное влияние содержание ультрадисперсного СКГ оказывает на соотношение кристаллической и аморфной фаз и на среднее межслоевое расстояние Сам.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что введение ультрадисперсного СКГ активирует развитие процессов формирования надмолекулярной структуры ПТФЭ, которые приводят к значительному снижению степени кристалличности и среднего межслоевого расстояния в области малых, до 10 масс. %, концентраций наполнителя.
С целыо уточнения характера и механизма изменения надмолекулярной структуры полимерной матрицы были проведены рентгенографические исследования в интервале температур от 293+600 К [2). Рентгенографирование образцов проводили в моно-хроматизированном кобальтовом излучении. Нагрев образцов проводили в высокотемпературной приставке, конструкция которой позволяла выдержать заданную температуру с точностью ±5 К в течение времени, необходимого для получения рентгенограммы. Для получения статистически достоверных результатов при каждой конкретной температуре снимали по пять рентгенограмм.
Параметр кристаллической ячейки всех исследуемых образцов с повышением температуры увеличивается незначительно, величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы.
Температура 553 К для ПТФЭ является критической. Начиная с этой температуры, идетпроцесс плавления кристаллических областей, который заканчивается при температуре 603 К. Степень «дальнего» порядка в матрице при этом уменьшается, она начинает рассеивать лучи более диффузно, однако некоторая степень упорядоченности в ней сохраняется вплоть до температуры 683 К.
Анализ рентгенограммы показывает, что введение наполнителей снижает температуру плавления кристаллитов, а повышение температуры до 550-560 К вызывает заметное уменьшение интенсивности рефлексов наполнителей. Однако такие относительно невысокие температуры не могут привести к «выгоранию» наполнителей в композиционных материалах, и это подтверждается тем, что при охлаждении образцов происходит восстановление исходной структуры композитов. Следовательно, уменьшение интенсивности рефлексов наполнителей можно объяснить изменением геометрии дифрагируемых внутри объема образцов рентгеновских лучей, которое связано с искажением структуры нагретой матрицы.
По результатам проведенных экспериментов сделаны следующие выводы.
1. При повышении давления, температура в зоне контакта возрастает, что является общей закономерностью для всех образцов ПКМ с СКГ в качестве наполнителя, при этом наблюдается уменьшение коэффициента трения и увеличение скорости изнашивания. Полученные результаты хорошо согласуется с литературными данными.
2. Температурные зависимости имеют нелинейный характер распределения температуры по глубине контртела, что отражает сложную нелинейную зависимость физико-механических свойств контактирующих тел от температуры и нелинейность процессов теплопередачи и диссипации тепловой энергии.
3. Концентрационные зависимости температуры на поверхности и в поверхностном слое контртела также нелинейны, с увеличением давления степень нелинейности возрастает.
4. Установлено, что введение СКГ в полимерную матрицу вызывает существенные изменения фазового состава и параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ.
Библиографический список
1. Колесников, В.И. Теплофизические процессы в металлополимерных трибосистемах / Колесников В.И. — М. : Наука, 2003. - 292 с.
2. Машков, Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта : науч. издание / Машков Ю.К. -Омск : ОмГТУ, 1997. - 192 с.
3. Машков, Ю.К. Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю., Мамаев O.A. — М. : ООО «Недра-Бизнес-центр», 2004. — 262 с.
4. Машков, Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация / Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Хали-стратова Л.Ф. — М. : Машиностроение, 2005.— 240 с.
5. Миркин, Л.И. Справочник по рентгенографическому анализу / Миркин Л.И. — М. : Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1961. — 863 с.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
РУБАН Анна Сергеевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. ГРЯЗНОВ Борис Терентьевич, доктор технических наук, профессор, главный инженер НПК «Криогенная техника».
БАЙБАРАЦКИЙ Андрей Александрович, аспирант кафедры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
644050, г. Омск, пр. Мира, 5
Дата поступления статьи в редакцию: 13.05.2009 г.
© Машков Ю.К., Рубан A.C., Грязное Б.Т.,
Байбарацкий A.A.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N«2 (80). 200» МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
