CC BY
49
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (80). 2009
УДК 678.743.4:539.2/.8:534.28
Д. А. НЕГРОВ Е. Н. ЕРЕМИН
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕССОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУРНО-МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА__________________________________________
В статье рассматривается влияние параметров ультразвукового прессования (амплитуда колебаний пуансона, время и усилие прессования) на механические и триботехнические свойства композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Показано, что ультразвуковое прессование приводит к повышению предела прочности, снижению скорости изнашивания и коэффициента трения исследуемого материала.
Ключевые слова: ультразвуковое прессование, структурно-модифицированный политетрафторэтилен, предел прочности, интенсивность изнашивания, коэффициент трения.
тилена, такие как введение модификаторов в полимерную матрицу и изменение режимов технологических операций (измельчение и перемешивание компонентов, прессование, термообработка) позволяют частично решить эту проблему.
Для более эффективного решения этой задачи необходимо применение новых методов и технологических способов, которые бы позволили существенно повысить механические и триботехнические свойства полимеров, и тем самым расширить область их применения в производстве. Поэтому данная работа, посвященная исследованию влияния параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства структурно-модифициро-ванного политетрафторэтилена, является актуальной.
Основной технологией, используемой при производстве изделий из полимерных композиционных материалов, является прессование из порошков заготовок и их последующее спекание. При прессовании фактически закладываются будущие свойства изделий — плотность, прочность, упругость, износостойкость и равномерное распределение этих характеристик по всему объему изделия [2].
Для повышения качества прессования получили применение способы уплотнения порошков с наложением вибрации [3]. Поддействием вибрации силы трения и сцепления частиц уменьшаются. При этом повышаются: текучесть порошков, равномерность укладки частиц полимера, разрушаются арочные структуры.
Перспективным способом вибрационного воздействия является наложение ультразвуковых колебаний на прессуемый материал, благодаря которым существенно облегчается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка. Это положительно влияет и на характер изменения сил трения от давления прессования, дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях.
Целью данной работы является исследование влияния параметров ультразвукового прессования на
В настоящее время детали узлов трения, изготовленные из различных металлов и сплавов, постепенно заменяются полимерами и полимерными композиционными материалами, в частности на основе политетрафторэтилена [1). Это позволяет понизить себестоимость изделий, повысить их надежность и долговечность. В то же время область применения этих материалов очень ограничена, поскольку они обладают недостаточно высоким пределом прочности, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при трении и интенсивному изнашиванию.
Существующие способы повышения механических и триботехнических свойств, политетрафторэ-
Рис. 1. Схема установки для прессования изделий из политетрафторэтилена с наложением ультразвуковых колебаний:
1 - основание; 2 - шаровая опора; 3 - пресс-форма;
4 - волновод-пуансон; 5 - траверса; б - магнитострикцион ный преобразователь; 7 - направляющая колонна;
8 - рукоятка; 9 - гидроцилиндр;
10 - гидравлическая система
8 10 12 14 18 18 20
Амплитуда колебаний, мкм
Рис. 2. Зависимость предела прочности полимерного композиционного материала от амплитуды колебания волновода-пуансона
29
« 27
с
2
£ 25
с 23
г
5
а.
= 21
60 90
Время прессования,с
с ультразвуком без ультразвука Рис. 3. Зависимость предела прочности от времени прессования
механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена.
Объектом исследования являлся композиционный материал на основе политетрафторэтилена с комплексным наполнителем-модификатором: 8% - скрытокристаллический графит, 6% — углеродное волокно, 2% - М052.
Методика исследования включала два этапа. На первом этапе определялись основные технологические параметры ультразвукового прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона, время и усилие прессования), а также влияние этих параметров на предел прочности структурномодифицированно-го политетрафторэтилена. Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.
На втором этапе методикой предусматривалось исследование влияния режимов ультразвукового прессования на триботехнические характеристики (скорость изнашивания, коэффициент и момент трения) исследуемого материала.
Для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, методом ультразвукового прессования, была собрана специальная установка на базе гидравлического пресса МТ — 50 (рис. 1). Применен ультразвуковой генератор УЗГ 3 — 4, имеющий входную мощность 5 кВт и работающий в частотном диапазоне от 17,5 до 23 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний был взят маг-нитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18, с
резонансной частотой колебаний 17,8 кГц.
Перед прессованием проводится смешивание порошков полимерного композиционного материала в смесителе с частотой вращения ножей не менее 2800 мин с последующим засыпанием его в закрытую пресс-форму 3, закрепленную на шаровой опоре 2. Ультразвук включали одновременно с касанием вол-новода-пуансона 4 поверхности порошка. При этом ультразвуковые колебания передавались пресс-фор-ме и всей массе порошка. Под действием колебаний пуансона частицы порошка совершают также колебательные движения, при этом происходит перемещение и укладка частиц. Мелкие частицы распределяются и заклиниваются между крупными, что способствует уплотнению и укрупнению контактов между частицами.
После ультразвукового прессования отпрессованную заготовку подвергают спеканию, технология которой включает в себя следующие этапы: 1 — нагрев до температуры 360±5 °С со скоростью 1,5 — 2,0°С/мин;2 — выдержка при этой температуре (8 — 9 мин на 1мм толщины стенки изделия); 3 - охлаждение до температуры 327 "С со скоростью 0,3 — 0,4 °С/мин; 4 - охлаждение от 327 °С до комнатной температуры вместе с печью.
Соблюдая те же режимы спекания, для сравнения, изготавливали образцы без воздействия ультразвуковых колебаний на прессуемый композиционный материал.
Анализ экспериментов показал, что влияние амплитуды колебаний волновода-пуансона на предел
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N>3 (80), 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N>2 (ВО). 2009
С
2
і
г
о
а.
с
с:
ф
5
а.
С
Усилие прессования. МПа
с ультразвуком без ультразвука
Рис. 4. Зависимость предела прочности от усилия прессования
прочности композиционного материала носит ярко выраженный экстремальный характер с максимумом 14 мкм (рис. 2). При этом усилие прессования составляло 65 МПа, а время прессования 90 секунд.
Результаты исследований зависимости предела прочности от времени прессования показали, что оптимальное время прессования составляет 90 секунд (рис. 3). При этом у образцов изготовленных методом ультразвукового прессования придел прочности выше на 15%, по сравнению с образцами, изготовленными по технологии без применения ультразвука. Дальнейшее увеличение времени прессования не приводит к изменению предела прочности.
Зависимости предела прочности от усилия прессовании показаны на рис. 4. Как видно, графики зависимостей имеют экстремальный характер с максимумом при усилии 65 МПа. При этом образцы, изготовленные методом ультразвукового прессования, имеют больший предел прочности.
Образцы для триботехнических испытаний были изготовлены методом ультразвукового прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона 14 мкм, усилие прессования 65 МПа, время прессования 90 секунд). Испытания образцов проводили на специальном стенде МДС — 2 [4], скорость скольжения составляла V = 0,75 м/с, при давлении Р = 2 МПа без смазки.
Мтв. И--И
гО.б
•0,5
0.4
■0,3 |0.3
•0.2 0.2
■0.1 ■0.1
| - Традиционная технология - Технология с УЗК
Рис. 5. Характеристики триботехнических свойств ПКМ: нашивания, I; 2 - момент ’ коэффициент трения, Г
Результаты триботехнических испытаний приведены на рис. 5.
В результате проведенных исследований установлено, что применение ультразвукового прессования, в производстве подшипников скольжения из струк-турномодифицированного политетрафторэтилена (время прессования — 90 секунд, усилие прессования — 65 МПа, амплитуда колебаний волновода пуансона — 14мкм), позволяетповыситьпределпрочности на 15%, при этом скорость изнашивания снижается на 23%, а коэффициент трения на 15%.
Результаты исследований были использованы в производстве подшипниковых узлов устройства кругового озвучивания аппарата «Тензилор М».
Обозначения
I - скорость изнашивания, /шр — коэффициент трения, М - момент трения.
Библиографический список
1.Машков, Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: науч. издание. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 1997. - 192 с.
2. Машков, Ю. К., Полещенко, К. Н., Поворознюк, С. Н., Орлов П. В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. — М. : Наука, 2000. — 196 с.
3. Агранат, Б. А., Гудович, А. П., Нежевенко, Л. Б. Ультразвук в порошковой металлургии: науч. изд. - М. : Металлургия, 1986. — 168 с.
4. Машков, Ю. К., Суриков, В. И., Колистратова, Л. Ф., Мамаев О. А. Модификация структуры и свойств композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. — 256 с.
1 - скорость изнашивания, /; 2 - момент трения, М^; 3 •
НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, доцент кафедры «Материаловедение и технологии конструкционных материалов».
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, директор машиностроительного института ОмГТУ, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», доктор технических наук, профессор.
644050, г. Омск, пр. Мира, 11
Дата поступления статьи в редакцию: 26.05.2009 г.
© Негров Д.А., Еремин Е.Н.
