CC BY
68
участке установившегося износа (рис.1, график 5)
Выводы. Проведенные исследования показывают, что комбинированная ионно-лучевая обработка обеспечивает повышение изностойкости инструментальных твердых сплавов при резании. Основными причинами повышения эксплуатационных свойств инструментальных материалов, подвергнутых комбинированной ионно-лучевой обработке, является образование твердых растворов замещения, а также легирование более глубоких слоев, гомогенизация структуры поверхности.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что предлагаемый способ модифицирования поверхности при соответствующем выборе режима облучения целесообразно использовать для повышения эксплуатационных свойств твердосплавного инструмента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полещенко К.Н.,.Вершинин Г.А., Геринг Г.И. и др.//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1998, №2, С. 140-143.
2. Платов Г.Л., Леонов Е.Ю., Аникин В Н., Аникеев А.И./ Порошковая металлургия, 1988, №2, С.87-89.
3. Гринберг П.Б., Полещенко К.Н., Повороэнюк С.Н. и
Ю. К. МАШКОВ, Л. Ф. КАЛИСТРАТОВА, А. Н.ЛЕОНТЬЕВ, О. А. МАМАЕВ, В. А. ЕГОРОВА ОмГТУ Омский танковый инженерный институт
УДК 678.073:661.481
Введение. Проблема структурной модификации и приспосабливаемое™ полимерных композиционных материалов (ПКМ) при работе в металлополимерных трибосисте-мах (ТС) изучается в связи с необходимостью решения актуальной задачи повышения надежности и ресурса многих ответственных узлов трения машин и технологического оборудования. Вследствие преждевременного старения и повышенного износа уплотнительных, направляющих и опорных элементов конструкций металлополимерных узлов трения снижается технический уровень и эффективность использования техники.
Повышение износостойкости и срока службы вышеназванных металлополимерных узлов трения зависит, в первую очередь, от физико-механических и триботехничес-ких свойств ПКМ, применяемых при изготовлении уплотнительных и направляюще-опорных элементов соответствующих узлов трения. Результаты экспериментальных исследований свойств и физико-химических процессов модифицирования полимеров, в частности политетрафторэтилена (ПТФЭ), показывают, что при определенных условиях внешнего энергетического воздействия при технологической переработке и трении возможно развитие термодинамических процессов структурно-фазовых превращений и формирование модифицированных структур, сопровождающееся существенным изменением физико-механических свойств и повышением износостойкости композиционных материалов на основе ПТФЭ. Коллективом три-бологов и материаловедов ОмГТУ накоплен значительный экспериментальный материал, отражающий влияние вида и параметров структурной организации на физико-механические и триботехнические свойства многокомпанент-ных систем на основе ПТФЭ, содержащих волокнистые и дисперсные наполнители-модификаторы [1-5].
Результаты комплексных исследований с применени-
др.//Трение и износ. 19(1998), №4, С.480-486
4. Полещенко К.Н., Полетика М.Ф., Геринг Г.И., Вершинин VA.IIФизика и химия обработки материалов, 1995,№3, С.29-33
5. Повороэнюк С.Н., Полещенко К.Н., Кульков С.Н., Вершинин Г.А.// Поверхность. Физика, химия, механика, 1995, №11, С.74-77.
6. Калистратова Н.П. Модификация твердых сплавов мощными ионными пучками и послерадиационной термической обработкой: Автореф. дис....канд.техн. наук/Омск, 1998,21с.
7. A.C. SU1642786 А1
8. Кабалдин Ю.Г.//Вестник машиностроения, 1997,№7, С.31-37
ГЛАДЕНКО Алексей Анатольевич - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой физики ОмГТУ.
ПОЛЕЩЕНКО Константин Николаевич - к.т.н., доцент кафедры радиационной физики и материаловедения ОмГУ.
ПРОКУДИНА Наталья Анатольевна - ассистент кафедры физики ОмГТУ.
ем методик рентгеноструктурного, электронномикроско-пического, термографического анализов позволили изучить и обобщить закономерности влияния отдельных и комплексных наполнителей на процессы структурообразова-ния и фрикционного взаимодействия модифицированного ПТФЭ и характеристики триботехнических свойств последнего [1-3]. В частности, установлено, что увеличение степени кристалличности ПТФЭ, модифицированного измельченным углеродным волокном, и одновременное уменьшение среднего межслоевого расстояния, характерного для аморфной фазы ПТФЭ, приводят к увеличению упругих модулей сдвига в и Юнга Е, которые прямо влияют на триботехнические свойства ПКМ [5].
Установлено также, что в поверхностных слоях многокомпонентных систем на основе ПТФЭ при определенном уровне внешних энергетических воздействий (тепловой поток, контактное давление, скорость скольжения) независимо от их вида развиваются одинаковые физико-химические (трибохимические) процессы, приводящие к формированию слоистых трибоструктур типа термотроп-ных жидких кристаллов [2].
Сравнительный анализ результатов исследования три-бохимических процессов при трении в чистом ПТФЭ и наполненном волокнистыми, дисперсными или ультрадисперсными материалами показывает, что введение ультрадисперсного наполнителя приводит к более глубоким трибохимическим превращениям деструктивного характера, затрагивающим основную структурную цепь полимера С-С, включая также связи С-Р В то же время наряду с деструктивными процессами возможно проявление структурирования за счет сшивки активных фрагментов трибодеструкции в присутствии активных дисперсных наполнителей, выполняющих каталитическую роль [6].
При определенных нагрузке, скорости скольжения и
СТРУКТУРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА_
РАССМАТРИВАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ ПРИ СТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ СКРЫТОКРИСТАПЛИЧЕСКИМ ГРАФИТОМ (УГС) И КОМПЛЕКСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ (УГС + УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО).
температуре в зоне трения трибодеструкция может приводить к образованию фрагментов макромолекул, обладающих достаточной подвижностью и обеспечивающих их ориентацию в нанометровых поверхностных слоях. Названные процессы, а также увеличение адгезии к контртелу пленки фрикционного переноса благодаря высокой активности ультрадисперсных наполнителей способствуют существенному повышению износостойкости модифицированного ПТФЭ [6,7]. Следовательно, применение активных ультрадисперсных наполнителей-модификаторов можно считать перспективным направлением разработки полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ с высокими характеристиками триботехнических свойств.
Методы и объекты исследования. Объектами исследования являлись ПТФЭ (Фторопласт-4 ГОСТ 10007-80) и композиционные материалы на его основе, содержащие в качестве наполнителя-модификатора ультрадисперсный скрытокристаллический графит (УГС) с удельной поверхностью 55-70 мг/г, полученный из природной графитовой руды и измельченное углеродное волокно (УВ). Концентрация напонителя изменялась от 1 до 30 масс.%.
Введение наполнителя в порошкообразный ПТФЭ выполняли по технологии сухого смешения в мельнице при частоте вращения ножей 7800 мин1. Образцы для исследования структуры, физико-механических и триботехнических свойств изготавливали по технологии холодного прессования при давлении 70-80 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 360+ 3°С.
В первой серии экспериментов исследовали физико-механические свойства при сжатии: временное сопротивление или максимальное напряжение (а^), условный предел текучести (ст ) и предел упругости (о^), которые определяли испытанием цилиндрических образцов диаметром 16 мм и высотой 25 мм согласно ГОСТу 4651-82 на разрывной машине Р-5. Скорость изнашивания и коэффициент трения без смазки определяли на специальной установке, созданной на базе настольного сверлильного станка [1]. Образцы в виде полых цилиндров (dBB= 22 мм, DHap= 28,5 мм) высотой 8 мм испытывали по схеме торцового трения по стальному контртелу (ст.5ХНМ, твердость 50HRC) при контактном давлении 0,5-2,0 МПа и скорости скольжения 0,6 м/с. Согласно методике испытания при каждом значении концентрации наполнителя испытывали 3 образца; каждый образец проходил три испытания продолжительностью по 5 часов. 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.
Исследование структуры выполняли по методикам рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-ЗМ в Со-фильтрованном излучении в области углов дифракции 26=10°-50°. Углы дифракции основных рефлексов рентгенограмм и аморфных гало определяли по положению их центров тяжести. Степень кристалличности х> параметры псеводогексагональной кристаллической решетки а, С и угол у, среднее межслоевое расстояние аморфной фазы С^ и размер кристаллитов Д рассчитывали по формулам, приведенным в [2]. В качестве эталона использовали монокристалл NaCI. Погрешность в определении параметров а ис-2%, Сам-5%,х-5%.
Во второй серии экспериментов изучали влияние пластической деформации и изотермического отжига в течение 2 часов при температуре 300°С на параметры надмолекулярной структуры и внутренние напряжения образцов ПКМ с содержанием УГС 3, 10, 15, 20, 25 и 30 масс.%. При этом дополнительно по рентгенограммам, полученным от образцов в исходном состоянии, после деформирования и после отжига рассчитывали относительное изменение объема элементарной ячейки е =AV/Vik<. Объем элементарной ячейки V вычислялся по экспериментальным значениям ее параметров а, в, с согласно выражению
sin у = -
V • с"
(2)
где а', в\ с* - параметры кристаллической решетки в обратном пространстве (а=90°).
Как известно, значение величины е позволяет оценить внутренние напряжения I рода (о,+ о2), но для этого необходимы дополнительные сведения о концентрационных зависимостях для указанных образцов модуля Юнга и коэффициента Пуассона. Оценить внутренние напряжения II рода при используемой методике съемки рентгенограмм оказалось невозможным вследствие малого размытия дифракционных пиков, поскольку они находятся в малых дифракционных углах, что не позволило применить метод гармонического анализа формы рентгеновских линий с достаточной степенью надежности.
Результаты экспериментов. Оценку влияния содержания УГС на износостойкость ПКМ производили по концентрационной зависимости скорости изнашивания и зависимости последней от контактного давления при сухом трении ПКМ. Полученная концентрационная зависимость скорости изнашивания образцов при скорости скольжения 0,6 м/с и контактном давлении 1,5 МПа имеет три характерных участка (рис.1). В области концентрации 1-8% УГС (первый участок) наблюдается резкое снижение скорости изнашивания в 7,5 раз. На втором участке в интервале концентрации 10-18% скорость изнашивания практически не изменяется. В области концентрации свыше 18% (третий участок) наблюдается увеличение скорости изнашивания в 3 раза. При этом коэффициент трения снижается, имея минимум при 8% УГС, и при дальнейшем увеличении концентрации изменяется незначительно, увеличиваясь от 0,13 до 0,17. Зависимость скорости изнашивания от контактного давления имеет линейный характер. Скорость изнашивания ПКМ с содержанием УГС в количестве 10 масс.% повышается примерно в 6 раз при увеличении давления от 0,5 до 2,0 МПа (аналогичная зависимость получена для образцов с содержанием УГС 20 масс.%).
Характер полученных концентрационных зависимостей
V =
в с sin а
(1)
а угол у кристаллическои ячеики
С.мвес*,
Рис.1 Концентрационная зависимость скорости изнашивания модифицированного ПТФЭ.
механических свойств ПКМ при сжатии образцов (рис.2) показывает прямую их связь с характеристикой износостойкости. На участке от 1 до 10 масс% все показатели механических свойств возрастают и имеют максимальные значения при концентрации 10 масс.%. Следовательно, концентрацию в 8-10 масс.% можно считать критической для УГС. Увеличение временного сопротивления и, что особенно важно, предела текучести и условного предела пропорциональности способствует повышению износостойкости. Рентгенограммы исходных поверхностей отражают аморфно-кристаллическую структуру ПТФЭ и содержат основную полезную информацию в области углов 20=1О°-ЗО°. Наличие углерода в ПКМ начинает проявляться на рентгенограммах, начиная с 7 масс.%, а при 25 масс.% и выше рентгенограммы содержат ярко выраженный рефлекс самостоятельной фазы с межплоскостным расстоянием с!=0,338 нм. Параметры надмолекулярной структуры, рассчитанные для каждого значения концен-
Таблица 1
Параметры надмолекулярной структуры поверхности ПКМ (первая серия экспериментов)
Параметр УГС,% 2 4 7 10 15 20 25 30
а, нм исходи. 0,560 0,560 0,560 0,560 0,560 0,560 0,560 0,560
трение 0,560 0.560 0,560 0,561 0,559 0,560 0,560 0,559
С, нм исходи. 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47
трение 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47
Сам.НМ исходи. 1,60 1,57 1,56 1,57 1,54 1,56 1,55 1,58
трение 1,57 1,56 1,57 1,56 1,58 1,57 1,57 1,57
X, % исходи. 65 60 54 56 54 53 65 63
трение 72 67 60 62 61 61 61 63
D, нм исходи. 50 50 60 50 60 50 65 50
трение 68 55 65 60 60 65 65 55
трации УГС, приведены в табл.1.
В пределах погрешности параметры кристаллической ячейки а и с не изменяются и имеют усредненные значения до и после испытания трением а=0,56 нм и С=1,47 нм. Размер кристаллитов не зависит от концентрации модификатора и колеблется около усредненного по всем образцам значения 54,4 нм. После трения размер кристаллитов незначительно увеличился до усредненного значения 61,6 нм. Наибольшая чувствительность к содержанию ультрадисперсного наполнителя характерна для степени кристалличности %. С увеличением концентрации х уменьшается и имеет наименьшие значения в области концентраций 7-20%. Дальнейшее увеличение концентрации наполнителя вызывает повышение степени кристалличности до максимального значения.
Рентгенограммы поверхностей деформированных трением образцов по фазовому составу не отличаются от рентгенограмм образцов в исходном состоянии. Параметры кристаллической ячейки также не изменились. В тоже время концентрационные зависимости степени кристалличности и среднего межслоевого расстояния Сам аморфной фазы существенно отличаются от соответствующих зависимостей для образцов в исходном состоянии. Степень кристалличности % увеличилась на 11-15% для всех
механических свойств при сжатии:
1 - временное сопротивление (аш);
2 - условный предел текучести (о) );
3 - условный предел пропорциональности^ ).
концентраций, кроме 25 и 30 масс.% УГС, при этом область минимальных ее значений расширяется до 25 масс.%. Сам для образцов, прошедших испытание, практически не зависит от концентрации наполнителя, и его усредненное значение составляет 1,569 нм, что на 6,7% больше параметра с кристаллической ячейки.
Полученное изменение концентрационных зависимостей параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ свидетельствует о существенном влиянии фрикционного воздействия на организацию последней и вызывает ее перестройку. В условиях трения степень кристалличности возрастает, а влияние концентрации наполнителя на этот параметр проявляется только в области малых концентраций. При этом в аморфной фазе формируется сложная структура с практически одинаковым средним межслоевым расстоянием независимо от концентрации наполнителя.
Принимая во внимание существенную роль пленки фрикционного переноса в металлополимерных трибоси-стемах, исследовали структуру пленок на металлическом контртеле. Рентгенограммы пленок переноса показывают, что структура пленки является полностью аморфной и содержит кристаллиты наполнителя графита. Развернутые рефлексы a-Fe поверхности стального контртела с
предела прочности ПКМ:
1 -с4%СКГ;
2 - с 15% СКГ.
пленкой переноса и без нее свидетельствуют об ослаблении рентгеновского излучения полимерной пленкой. Оценка ее толщины, выполненная с использованием закона поглощения J=J0exp (-|it) при коэффициенте поглощения см-1 [1] дала значение -15-20 мкм.
Совместный анализ рентгенограмм с поверхностей образцов в больших и малых углах, а также развернутых рефлексов с поверхностей стальных контртел позволяет сделать вывод о сложном влиянии УГС на структуру двойной системы ПТФЭ-УГС. Введение наполнителя не влияет на параметры кристаллической ячейки, они остаются постоянными для всех концентраций УГС, следовательно, УГС участвует в формировании структуры только аморфной фазы ПТФЭ. В зависимости от содержания УГС возможно формирование надмолекулярной структуры различного фазового состава. При концентрации менее критической (10 масс.%) в процессе холодного прессования и свободного спекания образуется двухфазная аморфно-кристаллическая структура модифицированного ПТФЭ. Введение УГС более 10 масс.% дает трехфазную структуру: кристаллическая и аморфная фазы ПТФЭ, кристаллическая фаза УГС и мезофаза - межфазный слой, покрывающий кристаллиты графита. В процессе фрикционного взаимодействия с контртелом наблюдается сильное текстуриро-вание поверхностных слоев образцов модифицированного ПТФЭ, сопровождающееся повышением степени кристалличности на 7-8 масс.% и усреднением среднего межслоевого расстояния в аморфной фазе. С увеличением концентрации наполнителя степень текстурирования снижается вследствие усложнения фазового состава надмолекулярной структуры.
Во второй серии экспериментов с целью дальнейшего повышения механических свойств ПКМ и улучшения их теплопроводности, что необходимо для расширения области применения ПКМ в тяжелонагруженных и скоростных узлах трения, проводили исследование ПКМ, содержащих измельченное УВ дополнительно к УГС. Ранее проведенные исследования показали, что углеродное волокно повышает предел прочности, модуль упругости, теплоемкость и теплопроводность, а также способствует повышению износостойкости ПКМ.
В данной работе исследовали влияние содержания углеродного волокна в количестве 1-5% на характеристики механических свойств ПКМ, содержащих УГС, при сжатии и скорость изнашивания в условиях сухого трения со стальным контртелом по методикам, изложенным выше.
На рис. 3, 4 приведены зависимости механических свойств ПКМ от содержания УВ для ПКМ с содержанием УГС в количестве 4 и 15%. Предел прочности резко возрастает при введении минимального количества УВ -1%. При дальнейшем увеличении концентрации УВ наблюдается повышение аа но с меньшей интенсивностью. Наибольшее повышение прочности при концентрации УВ 15 масс % составляет 66 - 67%. Предел текучести в меньшей степени зависит от концентрации УВ и его максимальное увеличение составляет 21 - 22%.
Концентрационные зависимости скорости изнашивания (рис.5) позволяют анализировать не только влияние УГС, но и УВ на скорость изнашивания. В интервале концентрации УГС от 3 до 12% скорость изнашивания остается практически постоянной и не зависит от содержания
Й Mfkn <£Э
УВ. Однако при дальнейшем увеличении содержания УГС проявляется заметное влияние содержания УВ. Увеличение концентрации УВ от 1 до 5% при содержании УГС 15 масс % вызывает наибольшее снижение скорости изнашивания до 60%. При более высокой концентрации УГС степень влияния УВ на скорость изнашивания уменьшается.
Приведенные результаты показывают, что введение УВ в систему ПТФЭ-УГС приводит к повышению основных характеристик механических свойств, что должно способствовать повышению износостойкости ПКМ. Однако совместное влияние волокнистого и ультрадисперсного наполнителей оказывает сложное влияние на износостойкость, которое не пропорционально количеству вводимого УВ и зависит от концентрации УГС. По-видимому, это связано с особенностями механизма формирования структуры тройной системы ПТФЭ-УГС-УВ и требует дополнительного исследования. В то же время получены убедительные доказательства возможности получения высокопрочных ПКМ без снижения износостойкости путем введения комплексного наполнителя.
№
2Q iü 10
0 1 1 1 4
Рис. 4. Концентрационные зависимости предела текучести ПКМ:
1 - с 4% СКГ;
2 - с 15% СКГ.
k 3 <2 & Ш %
Рис. 5. Концентрационные зависимости скорости изнашивания ПКМ с содержанием углеродного волокна:
1 -1 масс. %;
2 - 3 масс. %; 3-5 масс. %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: Научн.изд.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997.
2. Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Овчар З.Н. Структура и износостойкость модифицированного политетрафторэтилена: Научн.изд.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998.
3. Структурная модификация материалов металлопо-лимерных трибосистем / А.А.Гладенко, В.С.Зябликов, Л.Ф.Калистратова, З.Н.Овчар // Трение и износ, 1998, т.19, №4,- С.523-528.
4. Машков Ю.К. Влияние температуры на структуру и триботехнические свойства наполненного политетрафторэтилена//Трение и износ, 1997, т. 18, №1,- С.108-113.
5. Особенности влияния армирующего углеродного волокна/ Кропотин О.В., Суриков Вал.И., Суриков Вад.И., Машков Ю.К. // Трение и износ, 1998, т.19, №4,- С.493-497.
6. Особенности трибохимических процессов в наполненном политетрафторэтилене. / А.А.Охлопкова, А.В.Виноградов, А.П.Краснов, Ю.Н.Устыч //Трение и износ, 1997, т. 18, №1,- С.114-120.
7. Охлопкова A.A., Слепцова С.А. Использование оксидных и нитридных керамик для модификации политетрафторэтилена // Трение и износ, 1999, т.20, №1.- С.80-85.
8. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977.
МАШКОВ Юрий Константинович - д.т.н., профессор, зав. кафедрой "Материаловедение и ТКМ" ОмГТУ.
КАЛИСТРАТОВА Любовь Филипповна - к.ф.-м.н., доцент кафедры физики ОмГТУ . ЛЕОНТЬЕВ Анатолий Николаевич - начальник Омского
* ' танкового инженерного института.
МАМАЕВ Олег Алексеевич - начальник кафедры "Технология производства БТВТ" Омского танкового инженерного института.
ЕГОРОВА Виктория Александровна - аспирант кафедры "Материаловедение и ТКМ" ОмГТУ.
