CC BY
49
ХИМИЯ И ФИЗИКА МАТЕРИАЛОВ
Ю. К. МАШКОВ, Л. Ф. КАЛИСТРАТОВА, Н. П. КАЛИСТРАТОВА, О. А. МАМАЕВ
Омский государственный технический университет Омское военное танковое училище
УДК 678.743:661.666.2.004.62163
СТРУКТУРА И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННОГО УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ ГРАфИТОМ
птфэ_
ИЗУЧЕНО ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ГРАФИТОВОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА СТРУКТУРУ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА (ПТФЭ). СООТВЕТСТВУЮЩАЯ МАЛЫМ КОНЦЕНТРАЦИЯМ НАПОЛНИТЕЛЯ (ДО 10%) ДВУХФАЗНАЯ АМОРФНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ОБЛАДАЕТ НИЗКИМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА СУХОГО ТРЕНИЯ ЗА СЧЕТТЕК-СТУРИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЛАСТЕЙ МАТРИЦЫ ПТФЭ. ПРИ БОЛЬШИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ГРАФИТА ОБРАЗУЕТСЯ МНОГОФАЗНАЯ СТРУКТУРА, В КОТОРОЙ ПРОЦЕСС ТЕКСТУРИРОВАНИЯ ПРИ ТРЕНИИ ЗАТРУДНЕН.
Повышение износостойкости и срока службы металло-полимерных узлов трения машин и технологического оборудования связано с улучшением физико-механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ), исходная структура которых в основном определяется видом и качеством наполнителей, а также технологией изготовления ПМК.
Результаты комплексных исследований модифицированного политетрафторэтилена (ПТФЭ) позволили выявить основные закономерности влияния отдельных (например, углеродное волокно) и комплексных (кокс, дисульфид молибдена, бронза) наполнителей на процессы образования как исходной надмолекулярной структуры ПТФЭ, так и выгодных для трения трибоструктур [1-21.
К настоящему времени хорошо изученными двухком-понентными системами ПКМ на основе ПТФЭ являются только композиции, армированные углеродным волокном [3-5], Показано, что улучшение вязко-упругих и триботехнических характеристик материала наблюдается при концентрации углеродного волокна до 10 масс. %, введение наполнителя в больших количествах способствует разрыхлению материала.
Подобного рода исследованиям структуры и износостойкости новых двухкомпонентных систем посвящена настоящая работа.
Объектом изучения являлись композиционные материалы на основе ПТФЭ (ГОСТ 10007-80), содержащие в качестве наполнителя-модификатора ультрадисперсный скрытокристаллический графит (СКГ) с удельной поверхностью 55 - 70 м2/г, полученный из природной графитовой руды. Концентрация наполнителя изменялась от 1 до 30 масс. %.
Образцы для исследования структуры, физико-механических и триботехнических свойств изготавливали по технологии холодного прессования при давлении 70 - 80 МПа с последующим холодным спеканием при температуре 360 ± 3 °С. Для рентгеноструктурного анализа были использованы рабочие образцы в виде колец, содержащие 2, 4, 7,10,15, 20, 25, 30 масс.% СКГ.
Съёмка рентгенограмм производилась на установке ДРОН-ЗМ на фильтрованном Со-излучении. Углы дифракции основных рефлексов рентгенограмм и аморфных гало определяли по положению их центров тяжести. Степень кристалличности х, параметры псевдогексагональной кристаллической решетки а, с и угол у, среднее межслоевое расстояние аморфной фазы Сам и размер кристаллитов О рассчитывали по формулам, приведенным в [1]. Относительные погрешности в определении параметров решетки составляли: для а и с - 2 %, для Саи и х - 5 %.
Скорость изнашивания и коэффициент трения определяли на специальной установке, созданной на базе настольного сверлильного станка [1]. Образцы в виде полых цилиндров (с/т= 22 мм, Оиар= 28,5 мм) высотой 8 мм испытывали по схеме торцового трения по стальному контртелу (СТ.5ХНМ, твердость 50НРС) при контактном давлении 0,52,0 МПа и скорости скольжения 0,6 м/с. Скорость изнашивания оценивали по потере массы образцов в единицу времени и определяли среднее значение скорости изнашивания. Момент трения фиксировали с помощью цифрового милливольтметра и рассчитывали коэффициент трения.
Оценку влияния содержания СКГ на износостойкость ПКМ производили по зависимости скорости изнашивания от контактного давления при сухом трении образцов для различных концентраций наполнителя. Установлено, что в
8 16 24 С, масс. %
Рис.1. Концентрационная зависимость скорости изнашивания композитов ПТФЭ+СКГ
■ -ПТФЗ • - графит СКГ
пленка переноса
А
30%
15*
А%
2%
29
40
30
20
10
Рис.2. Рентгенограммы исходной поверхности полимерной системы ПТФЭ+СКГ И
70
65
60
55
50
12
18
24 30
С, Хмасс.
Рис.3. Концентрационные зависимости степени кристалличности материала исходных поверхностей (1)
и поверхностей трения (2)
области малых концентраций СКГ (1 -8 масс.%) наблюдается резкое уменьшение скорости изнашивания в 7,5 раза. В интервале концентраций 10 -18 масс.% скорость изнашивания практически не изменяется, а при содержании наполнителя свыше 18 масс.% указанная характеристика увеличивается в 3 раза. При этом коэффициент трения уменьшается, достигая минимума при 8 масс.% СКГ, дальнейшее увеличение концентрации наполнителя способствует его незначительному увеличению от 0,13 до 0,17.
Исследования структуры исходных поверхностей ПМК и поверхностей трения показали, что рентгенограммы всех образцов содержат участки аморфного гало от плоскостей (001)втретьем порядке отражения, полученные от неупорядоченных областей матрицы ПТФЭ и дифракционные максимумы (100) и (003) от кристаллических областей с упорядоченной структурой. Для примера на рис.1 приведены рентгенограммы образцов с содержанием наполнителя 2 и 30 масс.%. Рефлекс от СКГ начинает проявляться при концентрациях более 4 масс.%, его относительная интенсивность возрастает по мере увеличения содержания наполнителя.
В пределах погрешности параметры кристаллической ячейки а и с в исходных образцах не изменяются и имеют усредненные значения до и после испытания трением а= 0,56 нм и с = 1,47 нм. Размер кристаллитов D также не зависит от концентрации модификатора и в среднем составляет 54,4 нм. Трение способствует незначительному увеличению размера кристаллитов до 61,6 нм. Наибольшая чувствительность к содержанию ультрадисперсного наполнителя характерна для степени кристалличности с. Зависимость с от концентрации СКГ имеет экстремальный характер, достигающий минимальных значений в области 7-20 масс.% (рис.2). Воздействие трением способствует увеличению степени кристалличности на 11 -15 % для всех концентраций наполнителя, кроме 25 и 30 масс.%, при этом область минимальных значений с расширяется до 25 масс.%. Кроме того, выявлено, что среднее межслоевое расстояние Сам образцов, подвергнутых трению, практически не зависит от концентрации наполнителя, и составляет 1,569 нм, что на 6,7 % больше параметра с кристаллической ячейки.
Таким образом, полученное изменение концентрационных зависимостей параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ свидетельствует о существенном влиянии фрикционного воздействия на организацию структуры материала. В условиях трения степень кристалличности возрастает, причем зависимость с от содержания наполнителя характерна только для малых концентраций СКГ. При этом в аморфной фазе формируется сложная структура с одинаковым средним межслоевым расстоянием, не зависящим от концентрации наполнителя.
Отметим одно существенное различие в рентгенограммах, полученных от исходной поверхности и поверхности трения: интенсивности дифракционных максимумов (003) и (100) значительно выше на рентгенограммах от деформированных поверхностей, причем с увеличением содержания СКГ разность в интенсивностях уменьшается и при концентрациях в 30 масс.% наполнителя наблюдаются равные профили дифракционных максимумов.
Принимая во внимание существенную роль пленки фрикционного переноса в металлополимерных трибосис-темах были проведены исследования ее структуры на металлическом контртеле. Рентгеноанализ пленок переноса показал, что их структура является полностью аморфной. Развернутые рефлексы a-Fe поверхности стального контртела с пленкой переноса и без нее свидетельствуют
об ослаблении рентгеновского излучения полимерной пленкой. По оценкам, ее толщина составляет 15-20 мкм.
Совместный анализ рентгенограмм с поверхностей образцов во всем диапазоне снимаемых брэгговских углов, а также развернутых рефлексов с поверхностей стальных контртел позволяет сделать вывод о сложном влиянии ультрадисперсного скрытокристаллического графита на структуру двойной системы ПТФЭ + СКГ. Показано, что наполнитель участвует в формировании структуры только аморфной фазы ПТФЭ. В зависимости от содержания СКГ возможно формирование надмолекулярной структуры различного фазового состава. При концентрациях менее критической (10 масс.%) в процессе холодного прессования и свободного спекания образуется двухфазная аморфно-кристаллическая структура модифицированного ПТФЭ (структура I). Такая надмолекулярная организация в процессе ее фрикционного взаимодействия с контртелом способна к сильному текстурированию кристаллических областей матрицы композиций, повышению степени кристалличности и уменьшению среднего межслоевого расстояния в аморфной матрице, что, в свою очередь, вызывает значительное снижение скорости изнашивания и коэффициента трения. Композиции с содержанием графита свыше 10 - 15 масс. % являются четырехфазными. Они содержат кристаллическую и аморфную фазы ПТФЭ, кристаллическую фазу графита и мезофазу (межфазный слой, обволакивающий кристаллы ПТФЭ и графита) (структура II). В композициях с высоким содержанием графита вследствие усложнения фазового состава затруднено текстурирование кристаллических областей в поверхностных слоях при трении, что сразу приводит к увеличению скорости изнашивания. Таким образом, в настоящих исследованиях показано прямое влияние структуры сложных композиционных материалов на ихтриботехнические свойства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.К.Машков, Л.Ф.Калистратова, З.Н.Овчар. Структура и износостойкость модифицированного политетрафторэтилена: Науч. изд.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. - С. 143
2. Ю.К.Машков. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: Науч. изд.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. - С.192
3. Особенности влияния армирующего углеродного волокна «Урал Т-10» на структуру и некоторые физико-механические свойства политетрафторэтилена. Кропотин О.В., Суриков В.И., Суриков В.И., Машков Ю.К. //Трение и износ, 1998, т. 19, №4. - С.493-497
4. Кропотин О.В., Калистратова Л.Ф., Суриков В.И. Влияние армирующего углеродного волокна на структуру и вязкоупругие свойства политетрафторэтилена. / Вестник Омского университета.-1997, - N9 3 (5).- С.33-34
5. Кропотин О.В., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. Структура и вязкоупругие свойства армированного углеродным волокном политетрафторэтилена. / Материаловедение,-1997,-№4.-С.19-21
МАШКОВ Юрий Константинович - зав. кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ, д.т.н., профессор.
КАЛИСТРАТОВА Любовь Филипповна - к.ф.-м.н., доцент кафедры физики ОмГТУ.
КАЛИСТРАТОВА Наталья Павловна - старший преподаватель кафедры физики ОмГТУ, к.т.н.
МАМАЕВ Олег Алексеевич - начальник кафедры "Технология производства БТВТ' Омского танкового инженерного института.
