CC BY
150
УДК 621.002.3
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ И ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИТОВ ПРИ ТРЕНИИ
А.В. Стукач1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики
192171, Санкт - Петербург, ул. Седова 55/1
Проведены экспериментальные исследования процессов трения пластмасс и композитов, модифицированных порошковыми металлами и углеродными наноматериалами, включая фуллерен С60.
Ключевые слова: трибология; антифрикционные свойства; фуллерен; пластмассы; полиамид; композиты; теплостойкость; деструкция
Результаты, полученные на предварительных этапах исследований [1 - 4], позволяют отдать предпочтение наиболее оптимальным условиям изготовления антифрикционных деталей с точки зрения обеспечения прочностных характеристик композиционных материалов. Вместе с тем, известны случаи, когда прочные с точки зрения предельных состояний полимеры интенсивно изнашиваются. Поэтому несомненной является потребность в проведении лабораторных исследований антифрикционных характеристик материалов сформированных из дисперсных металлов и прочих наполнителей на основе полимеров.
Наполненные полиамиды для триботехнического использования представляют собой высокомолекулярные соединения макромолекулы которых состоят из метиленовых цепей и расположенных вдоль них полярных амидных групп. Наличие амидных групп, способных образовывать водородные связи между соседними макромолекулами определяет физико-механические свойства материала [5].
Важными преимуществами полиамидов перед другими материалами, делающими их конкурентноспособными, являются высокая технологичность переработки в изделия, доступная цена для изготовления и ремонта недорогой техники, небольшой вес по сравнению с металлами и высокая износоустойчивость при работе в режиме сухого и полусухого трения.
Недостатками полиамидов являются
- высокое тепловое расширение, способность поглощать влагу, релаксационный характер процессов при деформации, способность деформироваться под дейст-
вием нагрузки, нестабильность размеров изделий при колебаниях температуры, увеличенные монтажные и эксплуатационные зазоры, ограничение верхних пределов нагрузки.
Еще более существенные недостатки - низкая теплостойкость и низкая теплопроводность. Эти, последние недостатки, можно устранить только за счет существенного улучшения теплоотвода, создавая новые полимерные композиции.
Во время трения в поверхностных контактирующих слоях генерируется большое количество тепла. Данное тепло должно быть своевременно отведено из опасной зоны. Иначе возникает деструкция полимеров. Деструкция полиамидов происходит под действием внешних энергетических потоков - радиации, частицами, светом, теплом, при механическом воздействии. Форсированная термоокислительная деструкция полимеров возникает при повышенной температуре и влажности. В названных условиях наиболее подвержены окислению амидные связи. Наиболее вероятный механизм окисления заключается в образовании перекисных и гидроперекисных групп, которые легко образуют активные радикалы.
Большую роль в механизме трения играет фрикционный перенос, т.е. процесс переноса вещества с одного контактирующего тела на другое [6,7]. Этот процесс составляет основу механизма самосмазывания не только полимеров, но и других контактирующих материалов разной природы. Тесно с названными явлениями связан износ полимерного материала, на величину которого большое значение оказывает материал контртела.
Трение поверхностное явление, глубина поверхностного слоя материала участвующего в трении составляет всего несколько десятком мкм [5]. При трении без смазки в поверхностных слоях контактирующих материалов происходит процесс перестройки структуры, возникает оптимальная шероховатость, возрастает температура, причем, очень значительно, и происходит ослабление межмо-лекулярного взаимодействия. В этих условиях в приповерхностном слое полимеров протекают процессы деструктивного характера. Возникают различного рода эмиссии, образуются свободные радикалы.
Огромное влияние на процесс переноса вещества в контактном зазоре имеют давление р и скорость скольжения V. Существует критическое значение фактора pv ( эта величина часто применяется в практической трибологии ) выше которого материал становится неработоспособным, при этом температура на контакте возрастает и толщина пленки переноса растет [9]. Соответственно крупность продуктов износа также растет. Допускаемые для полиамидов давления составляют [р] = 5,0 -г- 7,0 МПа, а допускаемые скорости лежат в пределах [у] = 0,5 -ь 0,6 м/с. При расчетах обычно берут [р] < 3,0 МПа, а [V] < 0,2 м/с, фактор \р V] = 1 -ь 1,5 кгс м/(см с)
У некоторых полимеров поверхностные слои сильно адсорбируют воду. Это явление может способствовать понижению коэффициента трения. Поскольку после переноса, когда трение происходит по существу между двумя поверхностями полимера, эта адсорбированная вода играет роль смазки и тем самым обеспечивается низкое трение полимеров.
Следует упомянуть, что реальные поверхности никогда не бывают абсолютно гладкими, т.е. они всегда обладают определенной шероховатостью. Контакт шероховатостей образует так называемые пятна контакта, которые имеют весьма малые размеры (от нанометров до нескольких микрометров). Поэтому при соприкосновении шероховатостей под ними возникают большие контактные давления. Эти давления всегда очень велики, даже при малых общих нагрузках,
так как общая площадь пятен контакта мала. Изнашивание полимера происходит в том случае, когда напряжения в поверхностном слое превосходят его прочность. Основной механизм изнашивания определяется по соотношению между действующим напряжением и прочностью при данной температуре.
Если напряжение ниже предела текучести, то наиболее вероятно усталостное изнашивание. Если напряжения превышают предел текучести, но не превосходят предела прочности, то наиболее вероятно пластическое пропахивание. При этом на поверхности трения под ин-дентором, либо под шероховатостью полимер выдавливается по краям борозд трения. Если напряжения превышают предел прочности, то преобладающим становится абразивное изнашивание, и частицы износа образуются сразу без какого-либо инкубационного периода.
Многие фундаментальные аспекты фрикционного взаимодействия полимеров с металлами остаются все еще не выясненными. Здесь в первую очередь следует сказать о формировании поверхностных контактных слоев. Известно, что тонкие поверхностные слои имеют иные физические свойства, чем материал объема. Это относится и к механическим свойствам. Глубина слоя, его свойства, механизмы образования, роль шероховатости поверхности и механических напряжений - вот основные вопросы на которые необходимо найти ответ при исследовании фрикционного взаимодействия твердых тел любой природы. Не менее сложные задачи возникают и при изучении разрушения поверхностных слоев. Разрушение при фрикционном взаимодействии начинается сразу в большом количестве микрообъемов.
Кроме того, область контакта практически недоступна для исследований в процессе фрикционного взаимодействия. Поэтому вопросы образования приповерхностных трещин, их объединения и эволюции во времени очень сложны для изучения. Большое влияние на фрикционное взаимодействие оказывает трансформация энергии трения, которая имеет место в контактном зазоре. Часть энергии идет на деформационные процессы, а часть на прямой нагрев материала, что
вызывает изменение механических свойств поверхностных слоев полимерной матрицы, и что, в дальнейшем, также сказывается на кинетике процесса разрушения. Единственный материальный объект, который образуется в контактном зазоре и доступен для изучения - это продукты разрушения (износа), представляющие собой единичные частицы. Если разработать способы для сбора, анализа и изучения частиц непосредственно во время фрикционного взаимодействия, то можно получить ответ на многие вопросы, связанные с механизмом образования трещин в поверхностных слоях. В настоящее время делаются попытки изучения усредненных характеристик (количество, средние размеры) больших ансамблей частиц, полученных в течение всего времени испытания [8].
Трение полимеров подчиняется несколько другим законам, чем трение металлов. Так на основании большого количества экспериментальных работ следует, что сила трения для полимеров пропорциональна площади фактического контакта, а у металлов сила трения пропорциональна нагрузке. Установлено, что у полимеров коэффициент трения при увеличении нагрузки незначительно падает. Особенности строения и структуры рассматриваемых материалов, приводят к значительно выраженной резкой зависимости их физико-механических свойств от температуры.
Полиамиды могут иметь кристаллическую и аморфную структуры. Ранее проведенными исследованиями установлено, что кристаллические полимеры имеют большую твердость, чем аморфные и поэтому меньше изнашиваются. Параметры термообработки - скорость нагрева и охлаждения, температура перегрева имеют огромное влияние на свойства полиамидов. Выдержка полиамидов при повышенных температурах, особенно в присутствии кислорода, вызывает значительное снижение предела прочности материала при растяжении. Нагружение полиамида в течение 10 часов при температуре 100оС дает снижение предела прочности на 12 - 14%, а выдержка при 20ооС дает снижение на 35 - 37%.
Известно, что увеличение температуры приводит к повышению коэффициента трения.
Обычно испытания проводят при режимах (давления, скорости) исключающих разогрев образца.
В настоящее время наибольшее применение в узлах трения получили полиамиды [3]. Подшипники, из отдельных марок полиамидов, находят широкое применение даже в тех случаях, когда температура достигает до 150оС.
Работа подшипников из полиамидов без смазки возможна при температуре подшипникового узла не выше 85оС (кратковременно до 100оС). При нагреве полиамидных подшипников в условиях сухого трения происходит их окисление кислородом воздуха, сопровождающееся трещинообразованием и старением, а при температуре 200оС полиамид размягчается и за счет высокой адгезии намазывается на вал. Безусловно, в зоне трения истинные значения температуры существенно выше.
Известно, что наиболее перспективными самосмазывающимися материалами являются наполненные полимерные композиции.
В качестве наполнителей используют графит, дисульфид молибдена, тальк, стекловолокно. Наполнители усложняют процесс трения полимеров. Существует мнение, что графит выступает в качестве зародышей кристаллизации для многих термопластов [5,6].
Пластические массы рассматриваемого класса в значительной мере теряют свою прочность и ударную вязкость при добавлении к ним очень малых количеств инородных тел [4]. Авторы отмечают, что наполнители распределяются в структуре материала неравномерно, в виде более или менее крупных частиц, что вызывает перенапряжение и приводит к преждевременным поломкам. Особо выделяется графит, который может быть добавлен в относительно больших количествах (10 -20 %) без значительного ущерба для механических свойств смесей.
Наполненные полимеры относятся к многофазным материалам. Их прочностные свойства во многом определяются прочностью межфазовой границы. Большое значение имеет фактор химической
совместимости наполнителя и матрицы. Здесь имеется в виду следующее. Минеральные наполнители имеют различную химическую природу и, соответственно, разный тип химической связи (металлический, ионный, ковалентный, вандер-вальсовый). Полимеры, как правило, имеют ковалентный или вандервальсо-вый тип связи, поэтому и наполнители, имеющие такие же типы связи предпочтительнее.
Равномерное распределение наполнителя по объему имеет важное значение, однако высокая дисперсность наполнителя в исходном состоянии не обеспечивается, как правило, в самом композите. Из-за различий в природе минеральных наполнителей и полимеров происходит агрегация частиц, что приводит не к улучшению прочностных свойств, а к ухудшению.
Размеры и форма частиц наполнителя также оказывают влияние на механические свойства композиционных антифрикционных материалов получаемых из полимеров. Если частицы имеют удлиненную форму, то их можно характеризовать отношением длины к диаметру ( 1 / й ). Для определения прочности композитов с конечной длиной волокон разработана специальная теория [7], в которой учитывается концентрация напряжений у концов волокон. В композитах с волокнами конечной длины, нагрузка, приложенная вдоль волокон, передается волокнам за счет касательных напряжений на границе раздела волокно-матрица. Возможны два случая разрушения. Если I < 1кр, то растягивающие напряжения оказываются недостаточными, чтобы вызвать разрушение волокон. Если I > 1кр, то волокна разрушаются от растягивающих напряжений. Значения 1кр можно найти из условия равновесия касательных и нормальных сил, действующих на волокно. Тогда
ар
и
*кр
2т
(1)
где ав - предел прочности волокон, а г -предел текучести полимерной, в данном случае полиамидной матрицы.
Расчеты показывают, что для I / й = 10 прочность композита с дискретными волокнами достигает 95% от прочности композита с непрерывными волокнами.
Исследования процессов трения осуществлялись н трибометрическом комплексе, принципиальная схема которог представлен на рис. 1, а внешний вид на рис.2.
1 2 3 4 5
////////////////////// Рисунок 1 - Лабораторное оборудование
9 10 11 13 12 8
4 '6 7 5
Рисунок 2 - Лабораторное оборудование для проведения испытаний
Комплекс состоит из источника питания постоянного тока 1, трибометра 2, мультиметра 3, системного блока 4, монитора 5. В рассматриваемой конструкции комплекса используется источник питания постоянного тока со стабилизацией напряжения. Это позволяет обеспечить постоянство скорости скольжения в паре трения независимо от прикладываемой нагрузки.
Порядок работы измерительного трибометрического комплекса можно продемонстрировать при помощи рис. 2.
На рабочем столе 1 трибометра закрепляется образец 2 при помощи гаечного ключа 3. Включается источник питания, путем поднятия вверх рычага выключателя 4 и запускается компьютер нажатием кнопки 5. Переключателем 6 устанавливается требуемый интервал напряжений, а регулятором точной настройки 7, нужное значение напряжения. С рабочего стола компьютера 8 запустить программное обеспечение мультиметра. Грузы 9 устанавливаются на платформу траверсы 10. Удалением подставок 11 траверса опускается на испытуемый образец. Нажатием кнопки «Пуск» 12 включается мультиметр, а перемещением рычага тумблера 13 подается напряжение на электродвигатель.
Работа с программой мультиметра не отличается от работы других приложений. Мультиметр, совместимый с ПК, соединяется с СОМ - портом компьютера при помощи оптико-электрического кабеля. На рабочем столе программы рис..3. в командной строке необходимо указать параметры соединения «СОМ 1». Нажав на клавишу 2, открыть новый файл для записи результатов измерений. Затем, выделяя курсором команду «Connect», направить действие программы -«START» 3. По окончании измерений, используя туже команду «Connect», указать действие программы «STOP» 4. Для сохранения результатов измерений необходимо указать путь записи Excel - фала.
13 Л 2
Рисунок 3 - Рабочий стол программы мультиметра
С помощью указанного оборудования были проведены исследования влияния размера частиц наполнителя на коэффициент трения композита, полученного на основе полиамидной смолы П-6/66 с добавлением дисперсного алюминия. Результаты испытаний представлены в табл.1.
На рис..4. показан общий вид дорожек трения, возникающих на полимере после испытаний по предложенной схеме испытаний.
Рисунок 4 - Дорожки трения на образце из ненаполненного полиамида П - б/бб - 3
В работе исследовалось трение полиамидов по стали без смазочного материала. Использовался полиамид марки П-6/66-3, который в исходном состоянии представлял собой гранулированный порошок со средним размером частиц (60±52) мкм.
Технология приготовления образцов для исследования триботехнических свойств металлополимерных антифрикционных композитов выдерживалась в строгом соответствии с процессами изготовления реальных деталей подшипников скольжения принятыми на многих отечественных заводах.
Испытывались композиционные материалы, содержащие 5, 10, 15 и 20 весовых процентов наполнителя. В качестве наполнителей использовались материалы различного кристаллического строения, степени дисперсности и с разной природой химической связи. Список исследованных наполнителей применяемых для упрочнения и трибологические свойства композиций на их основе приведены в табл.1.
Цель работы, не данном этапе исследований, состояла в определении предельных давлений, которые может выдержать композит на основе полиамида П
- 6/66 для работы в условиях трения. Предельное давление определялось по стабильности коэффициента трения / от времени испытаний.
Условие стабильности коэффициента трения й/ / й = 0. Максимальное давление, которое в процессе трения не вызывает роста коэффициента трения будет называться предельным.
Износ определялся по убыванию массы. Для этого образец взвешивался до и после испытаний на трение на весах АДВ-200. Результаты исследования износа приведены в табл.. 1.
Тепловые свойства определялись с помощью хромель-алюмелевых термопар, которые вплавлялись в образцы на стадии изготовления. С помощью этих термопар изучалась кинетика изменения температуры в полиамидных материалах как при естественном нагреве во время трения, так и при принудительном нагреве образцов с помощью специальной печи, которая закреплялась на трибометре.
Таблица.1 - Наполнители полиамида П-6/66-3 и трибологические свойства композиций
Структурные изменения в полиамидах, которые вызываются термообработкой приводят к изменению трибологических свойств. Здесь имеется ввиду следующее. В зависимости от того, как остывает полимер из расплавленного состояния, в нем возникает преимущественно аморфная либо кристаллическая структура. Если полимер перегреть не больше чем на 30° и затем охлаждать (например, естественным образом), то структура полученного твердого полимера будет преимущественно кристаллической. Это связано с тем, что при умеренной скорости кристаллизации успевают образовываться центры кристаллизации, из которых начинают свой рост первичные кристаллы, к которым относятся главным образом сферолиты. Если же расплав полимера значительно перегрет,
например на 100°С, то даже в естественных условиях охлаждения, его скорость остывания достаточно велика. В результате этого центры кристаллизации не образуются и соответственно зародыши кристаллической фазы не растут. Таким образом, при определенных условиях для полиамидов в твердом состоянии реализуется, характерная для жидкости аморфная структура. Известно, что твердость и жесткость полимеров в кристаллическом состоянии выше, чем в аморфном, следовательно кристаллические полимеры лучше для использования в условиях трения.
Данные по термическому анализу, используемого полимера П - 6/66 - 3, показывают, что плавление материала происходит в интервале 145-185°С. Поэтому можно ожидать, что используемые температурные режимы термообработки и переработки полимера 220° и 320° дают перегрев в 35° и 135°, и обеспечивают преимущественно кристаллическую и аморфную структуру полимера в твердом состоянии соответственно.
Наполнители могут значительным образом влиять на процессы кристаллизации и аморфизации полимеров [9]. Так размер частиц наполнителя может быть существенным фактором зародышеобра-зования. В нашем случае, добавка наполнителей при высокой температуре перегрева, может осложнить процесс аморфи-зации структуры и вызвать дополнительную кристаллизацию полимера
В литературе указывается, что для полимеров, используемых при трении, главными являются температурные свойства [14]. Из-за плохой теплопроводности полимеров тепло генерируемое в поверхностных слоях не рассеивается, а накапливается в поверхностных слоях, что приводит к ухудшению прочностных свойств полимера, его повышенному износу и в конце - концов к расплавлению. На рис. 5 - 6. приведены данные о кинетике нарастания температуры для наполненных и не наполненных материалов. Оказалось, что наполненные алюминием материалы резко отличаются от чистого полиамида по своей способности отводить тепло от места непосредственного трения. Такой же способностью обладают углеродные волокна.
Частицы наполнителя Давление, МПа Коэффициент трения Износ за 10 мин
А1, ~ 1000 мкм 16,8 0,23 1
А1, ~ 1000 мкм 16,8 0,23 3
А1, < 100 мкм 16,8 0,2 1
А1, < 100 мкм 16,8 0,2 1
медь окисленная 16,8 0,19 1,3
А1, < 100 мкм 15,6 0,23 6
А1, < 100 мкм 14,5 0,18 6
А1, < 100 мкм 13,3 0,24 1,2
А1, < 100 мкм 13,3 0,18 1
Бронза 13,3 0,24 1,9
медь окисленная 13,3 0,24 1
А1, окисленный 13,3 0,18 1,5
Бронза 13,3 0,24 17,4
Бронза 9,8 0,3 7,7
Никель 7,5 0,26 7,3
Полиамид П 6/66 7,5 0,08 2,8
Серпентин 7,5 0,26 0,6
Серпентин 7,5 0,31 <0,3
Железо 5,2 0,6 <0,3
Медь 5,2 0,11 <0,3
А1, ~ 1000 мкм 2,9 0,48 <0,3
А1, < 100 мкм 2,9 0,07 <0,3
5% графитовых волокон 7 0,09 <0,3
Зависимость роста температуры от времени
Время, Т. сек.
—320 П-6/66 320 П-6/66+А1
Рисунок 5 - Кинетика нарастания температуры в паре трения сталь - металлополимерный композит, сформированный при температуре 32°оС.
Зависимость роста температуры от времени
—•—Па-6/66 Время, '. сек. —•—ПА-6/66+А
Рисунок 6 - Кинетика нарастания температуры в паре трения сталь - металлополимерный композит, сформированный при температуре 21°оС.
Тепловые свойства используемых наполнителей приведены в табл. 2. Удельные теплоемкости подсчитывались по известной формуле
^ _ |.1868( + 10“3йГ+105сГ“2
р' м Л)
где а, Ь, с - постоянные, которые можно взять в справочнике; Т - температура в градусах Кельвина; М - масса одного грамм-моля вещества.
Оказывается, что лучшие наполнители отличаются от всех остальных своей высокой теплоемкостью. Так теплоемкость алюминия и углеродных волокон в 2 - 3 раза превосходит теплоемкость всех остальных материалов.
Таблица .2 - Теплоемкости наполнителей используемых для упрочнения полиамида
Наполнитель А1 Си Бе N1 2 О С
Теплоемкость Дж/ (кг град) 10-2 8,8- 9 3,8 4,6 4,4 7,4 7,3
При объемном нагреве за счет внешнего источника тепла рассеяние его происходит практически одинаково как для чистого полиамида, так и для композиционного материала содержащего дисперсные частицы алюминия 10% от веса полимера. Продолжительность спекания композита и не наполненной полиамидной смолы П - 6/66 была одинаковая, а температура равнялась 320оС. Испытания проводились на ранее описанной установке по опробованной технологии, только предварительно образец из композиционного материала подвергался нагреванию специально сконструированным нагревательным устройством. Результаты этих испытаний показаны в виде графиков на рис. 7.
Зависимость роста температуры от времени
Время, ^ сек.
П-6/66+АІ
—П-6/66
Рисунок 7 - Кинетика роста температуры при нагревании от внешнего источника тепла в полиамиде П - 6/66 и композите, полученных спеканием при 32° оС.
В случае нагрева от действия трения, когда источник тепла сосредоточен в тонкой поверхностной области, армирование материала наполнителем с высокой теплоемкостью оказывается весьма эффективным.
На рис. 8. показана схема распространения тепла в наполненном полимере.
,и Ы
Рисунок 8 - Схема прохождения теплового потока через композиционный материал, выполненный из полиамидной матрицы и дисперсного алюминиевого упрочнителя
Видно, что частицы наполнителя с высокой теплоемкостью представляет собой своеобразные резервуары для избыточного тепла, которое поступает в трибосистему. Такой способ ослабления теплового потока от внешнего трения приводит к возрастанию наблюдаемой грузоподъемности для наполненного полимера по сравнению с чистым полиамидом.
В этой связи более актуальным стал вопрос о влиянии размеров частиц уп-рочнителя на трибопроцессы. Поэтому в работе изучалось воздействие размеров наполнителей на трение и предельную грузоподъемность. Результаты исследований представлены в матричной форме в виде табл..3.
Таблица 3 - Зависимость коэффициента трения от размеров частиц
№ п/п Наполнитель Размер частиц Коэффициент трения
1 Алюминий (А1) > 1°°° мкм °,221
2 Алюминий (А1) < 1°° мкм °,193
Следует отметить, что обнаруженное различие имеет место в период приработки образцов. При дальнейшей работе при одном процентном содержании его в композите коэффициент трения становится практически одинаковым для образцов содержащих разные размеры частиц. Различие значений на начальном этапе работы пары трения можно объяснить временным нарушением процентного содержания наполнителя на дорожке трения, что очень легко пересчитывается с помощью математического выражения: к = кПАУПА + кн Ун, (3)
где: к -процентное содержание наполнителя участвующего при трении; кПА. - коэффициент для полиамида; кН - коэффициент для наполнителя; УПА и ¥Н - объёмы на дорожке трения соответственно полиамида и наполнителя.
Оказалось, что на несущую грузоподъемность узла трения размеры частиц наполнителя существенного влияния не оказывают.
Этому могут быть следующие объяснения. Во-первых, поскольку обнаружена и показана особая роль теплоемкости наполнителя, то потенциально, что на
грузоподъемность оказывать влияние общая масса введенного в полиамидную матрицу упрочняющего вещества. Во-вторых, несмотря на разные размеры наполнителя в процессе приработки происходит его дробление на более мелкие фрагменты с последующим равномерным распределением по всей площади дорожки трения рис. 9., 10. причем процесс возобновления дробления поддерживается во время трения. При истирании поверхности к ней подаются глубинные частицы наполнителя, которые, в свою очередь, дробятся и таким образом поддерживают общее равномерное распределение мелких частиц на поверхности трения.
Рисунок 9 - Фрагменты дробления крупных частиц наполнителя. (Явно видно направление движения тела сопряженного с композитом и след из мелких фрагментов)
Дробление более мелких частиц очевидно подвержено тем же законам по которым происходит разрушение более крупных элементов. На рис. 1°. показаны фрагменты распада мелких частиц на отдельные фрагменты величина которых может быть подсчитана. Основанием для подсчета размеров элементов распада частиц наполнителя является размер стороны кадра, равный - 125 мкм.
Для всех рассмотренных композитов с порошками металлов оказалось, что коэффициент трения по сравнению с чистым полиамидом П - 6/66 существенно возрастает (в среднем в 3 раза). Выяснилось, что размеры частиц металла (от 50 мкм до 1мм) не оказывают значительного влияния на коэффициент трения.
Большинство наполнителей не улучшают прочностные свойства рассмотренных композитов. Оказалось, что предельные нагрузки (в среднем в 2 раза)
увеличиваются только для композитов с алюминием и углеродными волокнами наполнителями.
Рисунок 10 - Фрагменты разрушения мелких частиц наполнителя на отдельные элементы
Грузоподъемность наполненного композита возрастает, если теплоемкость наполнителя значительно больше, чем матрицы.
В процессе трения, за счет дробления частиц наполнителя и их фрикционного переноса происходит их оптимальное распределение по поверхности контакта.
Особый стратегический интерес представляют собой исследования направленные на выявление специфических свойств, в том числе триботехнических, полиамидов наполненных фуллеренами и фуллереновыми сажами. Широкому использованию в промышленности нано-размерных материалов для изготовления пар трения препятствует их высокая стоимость и отсутствие исследований способствующих эффективному внедрению в производство.
Поэтому на данном этапе исследований требовалось получить результаты позволяющие сравнить антифрикционные свойства металлонаполненых композитов, широко используемых в промышленности и полиамиды модифицированные фуллереном.
Технология изготовления образцов полностью соответствовала предыдущим испытаниям и промышленному изготовлению подшипников.
Трибометрическим исследованиям были подвергнуты образцы с содержанием фуллереновой сажи от 0,2 до 14% от массы полимера. Результаты представлены в табличной форме и в виде графиков.
Зависимость изменения коэффициента трения от действующей нагрузки при скорости скольжения V = 0,124м/с образцов с покрытием из полиамида и содержанием 4% сажи представлены в табл. 4.
Таблица 4 - Зависимость изменения коэффициента трения от действующей нагрузки
Нагрузка, Н 48 98 148 198 248
Коэф. тр. 0,3 0,23 0,36 0,316
Зависимость изменения коэффициента трения стального контртела по полиамидному покрытию с добавлением 4% фуллереновой сажи от действующей нагрузки при скорости скольжения V = 0,284 м/с представлены в Табл.5.
Таблица 5 - Зависимость изменения коэффициента трения стального контртела по полиамидному покрытию с добавлением 4% фуллереновой сажи от действующей нагрузки
Нагрузка, Н 48 98 148 198 248
Коэф. тр. 0,32 0,31 0,38 0,45
В процессе проведения опытов было обнаружено, что при нагрузке 248 Н на пару трения происходит интенсивное разрушение композиционного материала.
Осциллограмма процесса трения стали по композиту при скорости скольжения V = 0,284 м/с, показана на рис. 11.
Рисунок 11 - Осциллограмма процесса трения стали по композиту
Зависимость изменения коэффициента трения полиамида+4% сажи от действующей нагрузки при скорости скольжения V = 0,413 м/с приведены в табл.6.
Таблица 6 - Зависимость изменения коэффициента трения полиамида+4% сажи от действующей нагрузки
Нагрузка, Н 48 98 148 198 248
Коэф. Тр. °,38 °,53 °,53 °,62 °,59
Численные значения коэффициента трения при скорости скольжения V = °,58 м/с от действующей нагрузки покрытия из полиамида+4% сажи показаны в табл. 7.
Таблица 7 - Значения коэффициента трения при скорости скольжения V = 0,58 м/с
Нагрузка 4,8 9,8 14.8 19,8
Коэф. Тр. °,36 °,3 °,35 °,53
На рис. 1 2. показана осциллограмма изменения силы трения композиционного материала при скорости скольжения 0,58 м/с.
Рисунок 12 - Изменение силы трения при ступенчатом изменении наргузки
Нагрузка на пару трения Н
Рисунок 13 - Зависимость изменения коэффициента трения от нагрузки
В результате проведенных иссле-
дований изучены триботехнические свойства металлсодержащих композитов, раскрыта картина воздействия наполнителей на процессы теплопроводности и приведены зависимости изменеия коэффициента трения от нагрузки.
Литература
1. Стукач А.В. Ремонт упорных подшипников скольжения покрытиями на основе композитов. /Технико -технологические проблемы сервиса. №1. 2008. -с. 8 - 11
2. Стукач А.В. Трибометрический комплекс торцевого трения. Повышение износостойкости и долговечнсти машин и механизмов на транспорте. Сборник трудов Третьего Международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо - 2005». СПб, Изд-во СПбГПУ, 2005, -с.273 - 276
3. Стукач А.В. Повышение надежности уплотнений опорных катков базовых машин с гусеничным движителем./ Технико-технологические проблемы сервиса. №2(12). 2010. -с. 21 - 24
4. Айзисон И.Л., Основные направления развития композиционных термопластичных материалов./ И.Л. Айзисон, Б.Е. Восторгов, М. Кацевман Л -М.: Химия, 1988.
5. Айнбиндер С.Б. Полимерные пары, обладающие низким коэффициентом трения. / С.Б. Айнбиндер, Л.М. Либерман //Механика полимеров. 1973, №5, с.933 - 935
6. Александров А.П., Труды I и II конф. по высокомолекулярным соединениям, / Александров А.П.// Изд - во АН СССР. 1945. -с. 49.
7. Башкарев А.Я. Пластмассы в строительных и землеройных машинах/ А.Я. Башкарев, Н.И. Миронов, В.П. Семенов -Л.: Машиностроение, Ле-нингр. Отделен ие. 1981. -191 с., ил.
8. Безруков 71. В.И. Разработка гибкого автоматического модуля электрокаплеструйной технологии с микропроцессорным управлени-ем.//Автоматическое управление и оптимизация технологических процессов: Материалы краткосрочного семинара/ В.И. Безруков, С.Д., Романенко О.А. Доронин. -Л.: ЛДНТП. 1984. С. 49 -53
9. Белый В.А. О расчете тонкослойных полимерных подшипников скольжения // Полимеры в промышленности: Сб. науч. тр. -Гомель: АН БССР, 1968. -с. 157 - 176.
1 Стукач Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Техническая механика” СПбГУСЭ, тел.: 248-71-18, моб. 8-904-552-97-15
