CC BY
7МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 620.178.16
ЛИСТОВЫЕ МЕТАЛЛОФТОРОПЛАСТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ЗАДАННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
В.Н. КОРНОПОЛЬЦЕВ1, канд. техн. наук, докторант, А.М. ГУРЬЕВ2 доктор техн. наук, профессор, (1БИП СО РАН, г. Улан-Удэ, 2АлтГТУ, г. Барнаул)
Статья поступила 28 марта 2011 г.
Корнопольцев В.Н. - 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Байкальский институт природопользования СО РАН, e-mail: kompo@mail.ru
Рассматривается возможность управления физико-механическими и триботехническими характеристиками рабочего слоя листовых металлофторопластовых материалов (ЛМФМ) за счет создания на стальной подложке пористого металлокерамического бронзового слоя с заданной структурой и регулируемым объемом свободного пространства.
Ключевые слова: металлофторопластовый материал, пористый слой бронзы, ресурс, скорость скольжения.
Введение
В настоящее время многие области современного машиностроения занимаются вопросами применения антифрикционных комбинированных самосмазывающихся подшипниковых материалов. Возможность комбинирования в подшипнике различных свойств, требуемых при его эксплуатации, позволяет изготавливать материалы со специальными управляемыми свойствами.
Большой шаг в разработке самосмазывающихся материалов сделан при создании на стальной подложке металлокерамического пористого бронзового слоя с последующей пропиткой полимерами (например, ПТФЭ) [1-2]. В таких материалах сочетается жесткость стальной основы, теплопроводность бронзового слоя и антифрикционные качества наполненного фторопласта. Самым известным и востребованным является материал DU (pV1000 ч = 0,8 МПа м/с) фирмы «Glacier co. ltd». Материал получают в виде стальной ленты бесконечной длины с припеченным толщиной 0,3 мм пористым слоем из сферической бронзы, поры которого заполняются смесью ПТФЭ с мелкодисперсным свинцом. Отечественным аналогом является материал, разработанный в ИМАШ, у которого по аналогии с материалом DU пористый слой формируется из сферической бронзы, а поры заполняются смесью ПТФЭ с дисульфидом молибдена DU (pV1000 ч= = 0,2 МПа м/с) [2]. Материалы способны работать без смазки, в широком диапазоне температур (от -200 до +280 °С) при высоких удельных нагрузках (>100 МПа). Однако долговечность подшипников из промышленных листовых металлофторопластовых материалов (ЛМФМ) значительно снижается при повышении ско-
рости скольжения из-за развивающейся высокой температуры в зоне трения. Промышленным аналогам присущ и неравномерный коэффициент трения, резко возрастающий по мере износа рабочего слоя. Устранение этих недостатков стало целью исследования.
Методика проведения исследования
Трибоиспытания проводились по схеме вращающийся вал - неподвижный частичный вкладыш на машине трения СМТ-1 (Р = 20 кг, 5 = 2 см2). Время непрерывной работы машины - 7.. .8 ч. В качестве контртела использовалась диффузионно-борированная втулка из стали 45, d^.d^ = 22:38 мм, b = 35 мм, Ra ~ 0,63 мкм, толщина диффузионного слоя « 250 мкм, HV = 14,5.15,5 ГПа. Температуру образца измеряли с обратной стороны вкладыша хромель-копелевой термопарой. Линейный износ Ah определяли микрометром МТ как разность толщин вкладыша до и после испытания каждые 7.8 ч. Графические зависимости температуры и износа строили по среднеарифметическим значениям этих характеристик, полученным при испытаниях трех образцов ЛМФМ. В качестве аналога был выбран материал марки DU (Glacier Metal Co Ltd, Великобритания). Пористость металлокерамического каркаса определяли стандартным методом развертки поперечных и продольных шлифов.
ИК-спектры продуктов износа получали методом НПВО на ИК Фурье-спектрометре Excalibur HE 3100 фирмы Varian Inc (США). Дифференциально-сканирующая калориметрия проведена на синхронном термоанализаторе STA 449 C Jupiter, фирмы NETZSCH (Германия).
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕ,
Результаты исследования и их обсуждение
Причиной неудовлетворительной работы промышленных аналогов при трении без смазки с высокими скоростями скольжения является большое содержание бронзы в рабочем слое, которое составляет до 75 об.%. Исследования [3-5] триботехнических свойств ЛМФМ показывают, что наилучший период износостойкости проявляется в период трения, когда площадь пятен бронзового каркаса не превышает 10...15 % от общей площади контакта трущейся пары. Затем наступает период более интенсивного износа, причем с повышением скорости скольжения временная зависимость износа приобретает нелинейный характер, т. е. длительную работу ЛМФМ при трении без смазочного материала с высокими скоростями скольжения можно обеспечить только при наличии высокой объемной доли ПТФЭ. Правило Шарпи для ЛМФМ в полной мере соблюдается тогда, когда содержание твердых включений на поверхности трения (в данном случае бронзового каркаса) на порядок меньше содержания более мягкой и податливой окружающей их ПТФЭ композиции. Однако существующие методы не позволяют регулировать в больших пределах объем свободного пространства пористого слоя, получаемого спеканием свободно насыпанного слоя сферической бронзы.
Нами ведется работа получения ЛМФМ кассетным методом [6.8]. От промышленных методов он отличается тем, что изготовление листов идет не в виде непрерывной ленты, а пластинами заданного размера, кратными будущим деталям. Производительность процесса обеспечивается изготовлением материалов пакетами, содержащими несколько десятков пластин одновременно. Универсальность метода позволяет получать на стальной основе антифрикционные покрытия любой толщины, состава и конструкции.
Для создания самосмазывающегося материала изначально было предложено припекать к стальной основе бронзолатунную сетку, выпускаемую для бумагоделательной промышленности [6]. Это решило проблему получения равномерного по толщине слоя с сообщающейся лабиринтной системой пористого пространства большого объема. Впоследствии установлено, что припекание сетки через промежуточный слой бронзы позволяет обеспечить прочность сцепления бронзового каркаса со стальной основой до 200.250 МПа, улучшить условия теплоотвода за счет увеличения площади контакта бронзового каркаса с подложкой, получить бронзовый каркас с требуемым содержанием легирующих элементов, например оловом, а большое свободное пространство сетчатого каркаса удается заполнять сухими порошковыми композициями на основе ПТФЭ методом прямого прессования [8.9]. Существенным положительным отличием кассетного метода также является спекание
фторопластовой композиции под давлением, создаваемым предварительным сжатием пакета и расширением ПТФЭ при спекании. Известно, что при спекании ПТФЭ под давлением получают более компактную полимерную матрицу, обладающую лучшими физико-механическими свойствами. Кроме того, при спекании ПТФЭ под давлением, имея ограничения в перемещении при термическом расширении кроме незаполненных при прессовании пор, можно ожидать более прочной связи ПТФЭ композиции с металлическим пористым каркасом за счет механической связи.
Рис. 1. Поперечный шлиф ЛМФМ:
1 - стальная основа; 2 - промежуточный слой бронзы; 3 - каркас из бронзолатунной сетки;
4 - фторопластовая композиция
Как показали исследования [9] по выбору наполнителя во фторопластовую композицию, наилучшими результатами по преодолению допустимых скоростей скольжения обладают свинецсодержащие композиции. Установлено, что при использовании в качестве наполнителя порошкового свинца более 50 мас. %, при спекании ПТФЭ-композиции под давлением происходит его диспергация полимерной матрицей, образуется каркасная свинцовистая структура внутри матрицы полимерного связующего. Спекание ПТФЭ под давлением определило также пороговую концентрацию свинца в ПТФЭ, которое составляет не более 63.64 мас.%. Выше этой кон -центрации плавящийся при спекании свинец частично вытесняется из объема рабочего слоя [9].
Сравнительные трибоиспытания показали, что ресурс ЛМФМ с бронзовым каркасом из сетки превышает ресурс материала БИ с каркасом из сферической бронзы, но они имеют общий недостаток — рост коэффициента трения с течением времени. По мере изнашивания площадь, занимаемая бронзовым каркасом в рабочем слое материала, изменяется. На рис. 2 представлена графическая зависимость отношения площади, занимаемой бронзой для промышленного аналога, выпускаемого ООО «Фторопласт», г. Бугуль-ма (кривая 1) [10] и для ЛМФМ с пористым слоем из сетки, припеченной через слой порошковой бронзы (кривая 2). Пунктирной линией 3 показан идеальный вариант, когда площадь, занимаемая бронзой, по мере
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
износа остается постоянной и не превышает установленный предел. Увеличение содержания бронзы в области контакта со стальной подложкой ЛМФМ может быть предусмотрено для предотвращения схватывания подшипника с поверхностью вала (контртела) при полном износе рабочего слоя ЛМФМ. В этом случае по росту температуры узла трения можно своевременно определить необходимость замены подшипника на новый без существенного повреждения валов.
ЛМФМ, имеющий столбчатую структуру пористого слоя (рис. 3). В зависимости от шага рифленой поверхности, при помощи которого создается рисунок пористого слоя, можно регулировать нагрузочную способность пористого слоя, его теплопроводность и объем свободного пространства.
.:. Ж1
лЛМ. V} «,< -д.
Площадь, занимаемая бронзой. °
Рис 2. Относительная площадь, занимаемая бронзой в рабочем слоя ЛМФМ
Как видно из рис. 2, для промышленного аналога площадь бронзы по продольному сечению рабочего слоя значительно отличается от предлагаемого варианта. За счет большой объемной составляющей бронзового каркаса площадь бронзы по мере износа рабочего слоя резко возрастает и к середине слоя может составлять до 85.90 %. При этом содержание ПТФЭ в поверхностном слое уменьшается, что приводит к появлению контакта бронзового каркаса с металлом контртела, соответствующему росту температуры, коэффициента трения и интенсификации изнашивания как каркаса, так и за счет сублимации фторорганической смазки [5].
При получении пористого слоя из сетки поведение кривой относительной площади бронзолатунно-го каркаса лучше удовлетворяет условиям кривой 3, но по мере износа также не остается неизменной, что и приводит к нелинейной зависимости триботехни-ческих характеристик.
В соответствии с кривой 3 (рис. 2) для сохранения смазочной способности пористого слоя необходимо технологическое решение получения пористого слоя со столбчатой структурой. Создание такого рельефа прокаткой спеченной полосы на рифленых вальцах неизбежно приведет к закрытию пор и ухудшению связи ПТФЭ композиции с металлокерамическим каркасом. Придание рельефа пористому бронзовому слою во время припекания порошка к ленте пока не рассматривалось ни в одной доступной нам работе, возможно, из-за неосуществимости процесса.
Очевидно, что при кассетном способе получения ЛМФМ, в котором припекание бронзового слоя осуществляется в плотно сжатом пакете на стальной подложке, можно получить любой оттиск непосредственно в процессе припекания пористого слоя. В результате исследовательских работ получен
ft«»
1*1 V ■
I_250 мкм
б
Рис. 3. ЛМФМ, имеющие столбчатую структуру припеченного бронзового слоя:
1 - стальная основа; 2 - шип припеченного слоя бронзы; 3 - фторопластовая композиция
Для образца ЛМФМ, представленного на рис. 3, б, объемная составляющая бронзы практически полностью соответствует кривой 3 (рис. 2) и на глубину рабочего слоя в 0,22.0,25 мм изменяется от 10-15 до 15-20 %. Появляется возможность притирать подшипники с такой структурой пористого слоя по месту посадки изделия.
Большое содержание ПТФЭ в рабочем слое придает рабочему слою ЛМФМ прекрасную самосмазывающуюся способность, а содержание свинца позволяет эксплуатировать материал при скоростях скольжения более 3 м/с. Как показывают сравнительные трибоиспытания [5], разработанные материалы в несколько раз превосходят лучший мировой аналог по ресурсу при повышенных скоростях скольжения при трении без смазки.
Продолжите
Рис. 4. Сравнительные трибоиспытания ЛМФМ:
1 - материал DU ( V = 2 м/с); 2 - ЛМФМ с пористым каркасом из сетки (V = 3 м/с); 3 - ЛМФМ со столбчатой структурой пористого слоя ( V = 3 м/с). р = 2 МПа, контртело - диффузионно-борированная Ст 45
а
МАТЕРИАЛОВЕ,
Рис. 5. ИК-спектр ПТФЭ (1) и продуктов трибоде-
струкции (2), переносимых на контртело при трении разработанных ЛМФМ
В результате трения разработанных ЛМФМ между сопряженными деталями обильно образовывается «третье тело» желтого цвета, отсутствующее у изначального образца. ДСК и ИК исследования продуктов износа, перенесенных на контртело, свидетельствуют об образовании низкомолекулярных продуктов трибо-деструкции ПТФЭ, имеющих меньшую температуру начала деструкции, чем ПТФЭ. Основные пики ИК-спектров содержат наиболее интенсивные полосы, относящиеся к валентным колебаниям групп СР2 (1208 и 1152 см1). Тем не менее спектр имеет существенное отличие от исходного полимера, что дает основание полагать, что при трении происходят изменения на молекулярном уровне. Слабые пики на ИК-спектрах, относящиеся к фторидам и оксидам металлов, могут говорить об их незначительном количестве, и главным фактором длительного устойчивого трения является фторорганическая смазка, образование которой может носить достаточно сложный характер. Более полная расшифровка данных дифференциально-сканирующей калориметрии и ИК-спектров продуктов износа ЛМФМ ставятся в задачи дальнейшего исследования.
Разработанный метод получения ЛиАМ по производительности уступает автоматическим линиям производства ленточных материалов, но не требует специального оборудования и может быть внедрен на любом ремонтном предприятии (например, для обеспечения собственных нужд). В настоящее время на лабораторном оборудовании отработан опытный образец шириной 0,1, длиной 0,24 м, позволяющий
изготовить подшипник скольжения с рабочим диаметром 70.75 мм.
Выводы
Результатом НИОКР стал метод получения листовых металлофторопластовых материалов на стальной подложке (ЛМФМ), который от промышленных методов отличается возможностью получения антифрикционных материалов с заданными физико-механическими и триботехническими свойствами. Триботехнические сравнительные испытания показывают, что разработанные ЛМФМ за счет создания на стальной подложке бронзовых слоев с заданной структурой значительно превосходят лучшие отечественные и зарубежные промышленные аналоги при трении без смазки в условиях повышения скорости скольжения.
Список литературы
1. Mitchell, Pratt // Conf. on Lubrication and Wear. - Paper № 101. - Mech. Eng., 1957.
2. Семенов А.П., Савинский Ю.В. Металлофторопласто-вые подшипники. - М.: Машиносторение, 1976. - 192 с.
3. Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения - М.: Машиностроение, 1968. - 140 с.
4. Pratt G.C., Montpetit M.C., Lytwynec M.D. Bearing material and method of making PTFE based tape suitable for impregnation into a porous metal matrix of the bearing material. Patent of Australia № 582577. AU-B-41845/85-1985.
5. Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Могнонов Д.М. Испытания металлофторопластовых листовых антифрикционных материалов при скоростях скольжения до 3 м/с // Трение и износ. - 2009 - Т. 30, № 4. - C. 385-389.
6. Корнопольцев Н.В. Способ получения биметаллического металлофторопластового материала. П/т РФ № 1418999. B22F7/04 - 1993.
7. БузникВ.М., Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Рогов В.Е. Способ получения биметаллического материала. Пат РФ № 2277998, опубл. 20.06.06, бюл. № 17.
8. Бузник В.М., Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Рогов В.Е. Способ получения комбинированного метал-лофторопластового материала. Пат РФ № 2277997, опубл. 20.06.06, бюл. № 17.
9. Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Могнонов Д.М. и др. Оптимизация состава металлофторопластового материала на стальной подложке // Химия в интересах устойчивого развития. - 2005 - № 13. - C. 757-765.
10. Ахвердиев К.С., Воронцов П.А., Семенов А.П. Расчет и конструирование гидродинамических подшипников скольжения с металлополимерными вкладышами. - Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 1999. - 205 с.
A sheet metal-teflon material with given working characteristic
V.N. Kornopoltsev, A.M. Guriev
A possibility of management physico-mechanical and tribo- technical feature of a sheet metal-teflon material (SMTM) worker layer to account of the creation on steel substrate porous bronze cermet coating with given by structure and controlled volume free space is considered.
Key words: metal-teflon material, porous layer of bronze, resource, velocity of the slide.
