книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов
..pdfУДК 678.046 :621.891 + 539.375
П о г о с я н А. К. Трение и износ наполненных полимерных материа лов. М., «Наука», 1977.
Рассматривается оптимальный выбор типа и количества наполнителей и подкрепляющих веществ, а также формы и размеров их частиц с учетом конкретных условий трения. Проанализировано воздействие наполнителей на процессы трения и износа. Изучена.роль наполнителей на трибометри ческие характеристики материалов на основе полиатилена и политетрафтор этилена. Даны практические рекомендации для эффективного использова ния наполненных полимерных композиций в узлах трения в качестве анти фрикционных и фрикционных материалов. Рассматривается вопрос прогно зирования работоспособности фрикционных пар по результатам ускорен ных испытаний с применением теории подобия, анализа размерностей и статистических методов обработки экспериментов.
Рассчитана на научных и инженерно-технических работников, специа лизирующихся в области создания новых материалов на полимерной осно ве и конструирования узлов трения.
Табл. 31, ил. 51, библ. 139 назв.
Ответственный редактор
профессор, доктор технических наук
А. В. ЧИЧИНАДЗЕ
20304—087 |
|
|
П |
802—77 |
© Издательство «Наука», 1977 г. |
055(02)— 77 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время вопросы повышения надежности и долго вечности узлов трения, создания новых конструкционных матери алов приобретают исключительно важное значение.
Полимеры играют все большую роль в производстве конструк ционных материалов. Узлы трения, в которых применены поли мерные материалы, имеют малый вес, работают бесшумно, обла дают демпфирующей способностью, электро- и теплоизоляцион ными и другими положительными качествами. Материалы на полимерной основе способны работать в вакууме, в химически активной, пищевой и тому подобных средах. Они пригодны как для подшипников скольжения, так и для тормозных устройств с высоким и устойчивым в широком диапазоне нагрузок и скорос тей коэффициентом трения и т. д.
Перед исследователями открыты большие перспективы даль нейшей модификации композиций на полимерной основе путем использования различных наполнителей и подкрепляющих ве ществ. К наиболее важным методам следует отнести и химичес кую модификацию, смешение полимеров, пластификацию, приме нение поверхностно-активных веществ и др.
На практике существуют сотни потенциально возможных на полнителей и подкрепляющих веществ для улучшения фрикцион ных и износных характеристик девственных полимеров, применяв* ных в качестве элементов пары трения. Но в настоящее время выбор типа и количества наполнителей не всегда производится по научному принципу, а иногда это делается с надеждой на слу чайность. Вопрос сложен, и потому рекомендации в основном носят количественный характер, а данные экспериментов не всег да применимы для их распространения в ряде подобных случаев при изменении условий работы. Воздействие наполнителей на ме ханизмы трения и износа мало изучено.
Фрикционные и износные характеристики полимерных мате риалов определяются не только физико-механическими свойства ми, но и в достаточно большой степени условиями испытания, природой и состоянием поверхности трения. Среда при этом иг рает важную роль. Необходимо изучать роль этих факторов в процессах трения и износа наполненных и подкрепленных поли-
3
мерных материалов, а также влияние переносной пленки. При этом следует учесть то, что нередко наполнители сами принимают активное участие в сложных механохимических процессах на по верхности раздела трущихся тел.
Существует достаточный опыт исследовательских работ в на шей стране и за рубежом по получению ценных полимерных композиций с самыми различными наполнителями. Однако сле дует признать, что все возможности в этой плодотворной области создания новых материалов далеко не исчерпаны и диапазон ис пользования композиционных материалов на основе полимеров пока сравнительно невелик и не всегда отвечает растущим тре бованиям.
В задачу предлагаемой книги входило освещение общего со стояния вопроса по этой проблеме и попытка обобщения опыта работы многих исследований, внесших большой вклад в дело соз дания наполненных полимерных композиций, применяемых в раз личных узлах трения, а также результатов исследований автора.
Достаточно подробно анализирован опыт оптимального выбо
ра типа и количества наполнителей |
и подкрепляющих |
веществ |
в широком диапазоне. Предложены |
лимитирующие |
факторы |
свойств наполнителей, рекомендации по выбору их типа и коли чества, а также формы и размеров частиц в зависимости от экс плуатационных условий и основного полимерного материала как для антифрикционных, так и для фрикционных узлов трения. Изучена роль наполнителей и подкрепляющих веществ в процес сах трения и износа наполненных полимерных материалов. Рас смотрены вопросы влияния поверхностного состояния, среды, переноса материалов, истирания поверхности трения и другие на триботехнические параметры пар трения.
Рассмотрены вопросы трения и износа наиболее популярных подшипниковых материалов для узлов сухого трения на основе полиэтиленов и политетрафторэтилена, а также фрикционные композиционные материалы как наполненные системы с учетом их особенностей.
Следует признать необходимость достаточно полного анализа процессов трения с вероятностно-статистической точки зрения. Большое внимание уделено новейшим методам изучения процес сов трения, таким, как физическое моделирование, применение теории подобия, анализа размерностей и статистических методов обработки экспериментальных данных.
Затронутая в книге проблема достаточно сложна, многие ее вопросы находятся еще в стадии решения и носят дискуссионный характер, поэтому любые замечания и пожелания автором будут приняты с благодарностью.
Глава I
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА НАПОЛНИТЕЛЕЙ
§ 1. ВЫБОР ТИПА И КОЛИЧЕСТВА НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Выбор типа и количества наполнителей является главной про блемой при создании новых композиций на полимерной основе потому, что поведение различных наполнителей не всегда может быть достоверно точно предсказано. Хотя это положение и ме няется к лучшему, но все же выбор наполнителя чаще и больше основан на результатах экспериментов, чем на каком-либо пони мании механизма влияния на свойства.
Если правильно подобрать тип и количество наполнителей, то это приведет к следующим общим положительным воздействиям на полимерные материалы [7, 11, 37, 40, 58, 69, 82, 105, 113]:
1.Износостойкость может повышаться примерно в 1000 раз.
2.Сопротивление ползучести или деформированиюпод на грузкой может повышаться примерно в 10 раз.
3.В зависимости от используемого наполнителя теплопровод ность может повышаться в 5 раз или более.
4.В зависимости от применяемого наполнителя коэффициент линейного расширения может понижаться примерно в 5 раз.
5.Выбором соответствующих наполнителей можно контроли ровать электрические свойства композиций.
6.В зависимости от назначения узла трения можно контроли ровать значения коэффициента трения.
7.В условиях изменений температур при трении можно полу чить теплостойкие композиции для достаточно большого диапа
зона изменений температур.
8. При работе в условиях химически активных сред можно сохранить химическую инертность основного полимерного мате риала.
На практике доступны вообще сотни потенциальных наполни телей. Для ограничения такого большого диапазона могут быть предложены следующие лимитирующие факторы свойств напол нителей [7, 11, 40, 54, 69, 82, 105]:
1. Теплостойкость. Наполнитель должен выдерживать темпе ратуру, равную температуре спекания соответствующего поли мера.
2. Конфигурация частиц наполнителя. Волокна и пластинки могут придать материалу максимум подкрепления посредством
5
перекрытия, но они повышают анизотропность материала; произвольная форма частиц способствует их наилучшей механической связи с полимером, но в то же время они могут быть абразивами; сферические частицы уменьшают возможность абразивного из носа, но уменьшается также подкрепление и способность меха нической связи с основным материалом.
3.Величина частиц. Если частицы будут намного больше час тиц основного материала, то смесь получится неоднородной и поэтому свойства композиции будут отличаться в различных ее частях. Если же частицы будут намного меньше, то частицы по лимера могут быть покрыты ими и тем самым понизится адгезия между ними. Кроме того, величина частиц может повлиять на термо- и электросвойства композиции.
4.Отделка поверхности частиц. До известной степени это гра ничит с конфигурацией частиц. Если бы можно было найти сред ство образования поперечных связей между полимером и напол нителем, то износостойкость, возможно, можно было бы повысить.
5.Структура и физические свойства частиц. Так как смесь полимера с наполнителем "будет обладать свойствами где-то ме жду этими компонентами, то для уменьшения ползучести тре буется наполнитель с высоким модулем упругости и высокой прочностью на разрыв; для предотвращения повышения значений коэффициента трения требуется пластичный наполнитель, обес печивающий низкие значения сопротивления по сдвигу (срезу)
ипониженную поверхностную активацию; для уменьшения изно са следует применять наполнители с высокой теплопроводностью, а, строго говоря, факторы в данном аспекте все еще не полностью раскрыты.
6.Химические свойства. Они влияют на химическое сопротив ление композиционных материалов, что может в свою очередь повлиять на износные свойства.
7.Другие свойства. Нежелательно, если наполнитель легко агломерирует, так как это делает смешивание трудным; если на полнитель является гигроскопичным и вступает в реакцию с по лимером, так как это приводит к трудностям при фабрикации смеси.
8.Однородность наполнителя является очень важным факто ром, и обычно синтетические или легко производимые материалы предпочитаются натуральным.
9.Наполнители должны быть доступными н дешевыми.
На основании сказанного в качестве примера (табл. 1) из множества потенциальных наполнителей выбраны самые общие для политетрафторэтилена (ПТФЭ) [82].
При создании новых композиционных материалов на поли мерной основе первостепенное значение имеет не только подбор наиболее эффективных типов наполнителей из очень большого количества потенциально возможных, но и их рациональное ис пользование с учетом конкретных условий работы. Практика;
6
Т а б л и ц а |
I |
|
|
|
|
|
|
Наполнитель |
|
|
Форма |
|
|
Примечание |
|
Стекло |
Обычно размельченные волокна |
Минимальное соотно |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
шение длины частицы |
Уголь и графит |
|
|
|
|
|
|
к ее диаметру 10 :1 |
Обычно в форме мелкого порошка Величина частиц |
|||||||
|
кокса, |
натуральный |
или синтетичес |
обычно 60 мкм |
|||
|
кий графит. Частицы |
обычно произ |
|
||||
.Металлы |
вольной формы |
|
|
|
|
||
Например, бронза в виде произволь То же |
|||||||
Окиси металлов |
ных или сферических частиц |
|
|
||||
Окись свинца и окись кадмия в виде |
Величина частиц |
||||||
|
мелкого порошка |
|
|
|
обычно 5—10 мкм, так |
||
|
|
|
|
|
|
|
как большие по раз |
Другие |
1. Различные типы керамических ма |
меру недоступны |
|||||
|
|||||||
|
териалов, |
включая и слюду, приме |
|
||||
|
няемые |
в |
виде |
частиц и |
волокон. |
|
|
|
2. M0 S2 |
в |
виде |
мелкого |
порошка. |
|
3. Асбесты, имеющие много полезных свойств, но они их меняют неожидан но и различным образом при спека нии. В настоящее время асбесты не рекомендуются в качестве наполните ля для ПТФЭ.
знает немало примеров, когда одни и те же наполнители или их сочетания в тех же или иных объемах по весу оказывают самые разные влияния на фрикционные характеристики пар трения в зависимости от эксплуатационных условий и от того, какой основ ной полимерный материал применяется.
Томсон и др. [138] полагают, что использование M0S2, асбеста, углерода, графита и меди в качестве наполнителя для ПТФЭ по вышает с увеличением их содержания коэффициент трения. При этом наблюдается значительный разброс значений коэффициен та трения при использовании различных наполнителей. Для на полнителей указанных типов Майлс и Сарджент [111] нашли, что коэффициент трения почти не зависит от типа и количества на полнителя. Кроме того, M0S2 и графит не имеют никаких преиму ществ по сравнению с волокном стекла, асбестом и медью. К та кому же выводу приходит и О’Роурке [119], который позже [120] отметил, что коэффициент трения, скорее всего, зависит от коли чества наполнителя, чем от его типа. Исключение составила только окись кадмия. Он показал, что композиция на основе ПТФЭ с 25%-ным стекольным волокном имеет высокую износо стойкость только при низких скоростях скольжения (до 50 см/сек), а при более высоких скоростях эффективны бронза и окись кадмия. По его мнению, существует только одно оптималь ное содержание наполнителя, по крайней мере для бронзы —
7
30 об.% или 60—70 вес.%. Брискоу, Погосян и Тейбор (69] пред полагают, что при определенных условиях смесь наполнителей СиО и РЬ30 4 повышает износостойкость полиэтилена высокогодавления (ПВД), но коэффициент трения остается практически неизменным. При этом значительное уменьшение износа наблю далось при высоких скоростях скольжения и при относительно гладких поверхностях контртела. Одновременно не наблюдалось сколько-нибудь значительного повышения износостойкости поли этилена низкого давления (ПНД) при идентичных условиях. ПВД был использован в качестве объекта исследований и Б. В. Дерягиным [22]. В его опытах наполнителем служили устой чивые к окислению порошки железа дендритной формы, получен ные путем электролиза по методу А. Г. Баграмяна. Наполнение полиэтилена высокодисперсиым порошком железа в количестве 80 и 90 вес.% практически не изменяло его фрикционных свойств в условиях статического трения в широком интервале нормаль ных нагрузок. А наполнение порошком окиси железа Fe30 4 в ко личестве 90 вес.% приводило к заметному возрастанию коэффи циента трения.
На основе анализа физико-химических и мехаиохимических процессов, происходящих в зоне фрикционного контакта, комп лексного исследования природы наполнителя и связующего, их соотношения в композициях, дисперсности наполнителей и адге
зионного взаимодействия на границе |
полимер ■— наполнитель и |
их влияния на физико-механические |
и фрикционные свойства |
пар трения производилось создание новых самосмазывающихся материалов [9, 12]. Исходя из перспективных требований ряда отраслей промышленности, авторами разработаны две группы самосмазывающихся материалов для пар трения [11]: 1) компо зиции типа ПВФК на основе полимерной матрицы и активных наполнителей и типа АПД на основе прессованной древесины и пластичных наполнителей, предназначенные для работы в каче стве подшипников скольжения машин и приборов без внешней смазки; 2) электропроводные материалы, обладающие стабиль ными электрокоммутационными характеристиками в условиях изменяющейся окружающей среды. Определены оптимальные составы материалов и разработана гамма марок новых металлополимерных композиций, успешно используемых в узлах тре ния различных машин и оборудования.
При очень низких температурах [93] и в условиях высокого вакуума [73] наблюдается значительное изменение коэффициен та трения для наполненных полимеров, но это явление никак не связывается ни с типом наполнителей, ни с их количеством. Что касается влияния наполнителей на износостойкость в усло виях вакуума, то здесь результаты более определенные [73]. Например, стеклянные волокна, медь и порошок кокса повышают износостойкость, в то время как.МоБг и серебро увеличивают износ. Добавление M0S2 в .композиции, наполненные стеклово-
8
локиами, не приводит к заметному улучшению износостойкости. В работе [83] для уплотнений из наполненных ПТФЭ вновь коэффициент трения представляется независимым от наполни теля, в то же время Ганц и Пархоменко [84] на основании лабо раторных работ и испытаний считают, что выбор типа наполни теля является важным этапОхМ в создании новых антифрикци
онных композиций.
Коэффициент трения резин, как утверждают Г. М. Бартенев и В. В. Лаврентьев [5], в первую очередь определяется типом каучука, наполнители влияют гораздо слабее.
Митчелл и Пратт [ИЗ] пришли к выводу, что при создании подшипниковых материалов на основе ПТФЭ важно не количе ство, а тип наполнителя. Они считают, что бронза имеет незначи тельное воздействие на коэффициент трения, M0S2 снижает его значение, а кизельгур, наоборот, повышает на 25%. С другой стороны, износостойкость этих материалов главным образом предопределяется наличием бронзы [125]. После бронзы наилуч шее влияние на повышение износостойкости оказывают уголь или графит, потом керамические материалы, включающие стек ло, другие металлические элементы, и наименьшее воздействие имеет M0S2. Как в [125], так и в работе [112] еще раз предлагает ся оптимальное содержание наполнителей ограничить 30 и 40 об. %. Такое содержание предлагается и Р. М. Матвеевским [40]. Для повышения износостойкости фторопласта-4 при трении по стали без смазки в качестве наполнителя им применялись свинец, серебро, нитрид бора, графит, бронзы ОФЮ-1 и СуСб-12. Результаты испытаний показали, что все введенные во фторо пласт-4 наполнители резко снижают интенсивность износа при трении (на 2—3 порядка). Наиболее высокой износостойкостью отличаются композиции со стружкой антифрикционных бронз в качестве наполнителя.
Как правило, наполнение вначале приводит к повышению из носостойкости вследствие увеличения прочности и жесткости. С возрастанием количества наполнителя износ увеличивается из-за падения прочности. И. И. Фарберова и С. Б. Ратнер [58] предлагают вводить 30—40 вес. % наполнителя (тальк) для по вышения износостойкости фторопласта и полиамида П-68 при их трении по гладким поверхностям. В условиях абразивного износа оптимальное количество наполнителя меняется. Так, на пример, минимальный абразивный износ полипропилена дости гается при содержании наполнителя (двуокись титана) в коли честве 10 вес. % [57]. С другой стороны, авторы работы [132] указывают на повышение износостойкости ПТФЭ при добавле нии всего лишь 2,5 об. % окиси алюминия. Правда, наблюдается дальнейшее уменьшение износа с повышением содержания оки си алюминия до 10 об. %. При более высоком содержании на полнителя испытания не проводились, и рекомендуемые цифры не могут быть окончательными.
9
Существует такой подход использования наполнителей,, главной целью которого является образование тонких пленок на поверхностях контактирующих тел в процессе трения, облада ющих малым сопротивлением сдвигу, малой адгезией и большим сопротивлением внедрению отдельных микронеровностей контр тела. Авторы такого направления, например [53], считают, что для образования подобной пленки не требуется вводить много наполнителей и 2— 10% обычно считается достаточным. По их мнению, чем выше дисперсность, меньше плотность и легческользят друг по другу чешуйки наполнителя, тем меньше его нужно вводить. Для расчета предельной степени наполнения частицами, близкими по форме шарообразным, предлагается следующая формула:
где фи— объемная доля наполнителя; d — размер (диаметр) частицы наполнителя; 6 — толщина слоя полимера, необходимо
го для сплошного обволакивания частицы наполнителя.
В общем случае применение наполнителя вызвано необходи мостью создания композиционных материалов, структурой по верхностного слоя которых можно было бы управлять и соответ ственно направленно регулировать трибохимические процессы в зоне трения. Достижение этой цели возможно за счет модифи кации поверхности трения непосредственно в процессе фрикци онного взаимодействия. Введение в материал комплекса хими ческих соединений необходимых металлов с различными темпе ратурами разложения и в строго процентном соотношении позволяет [10] повысить нагрузочную способность композиций,, а также регулировать фрикционные свойства за счет последова тельного разложения соединений такого типа.
Встречаются работы, например [81], где приводится целый ряд рекомендуемых наполнителей, но без определенного уточ нения их номинального содержания. Немало и противоречивых данных в литературе. Так, например, если, согласно Митчеллу и Пратту [113, 125], M0S2 немного повышает износостойкость ПТФЭ, то по [81] считается, что этот наполнитель значительно ее уменьшает.
Было отмечено также [81, 119, 120, 129], что добавление M0S2: и угля в композиции, подкрепленные волокнами стекла, умень шает коэффициент трения. Но это'не подтверждается другими исследователями [73, 82, 83].
Поэтому, хотя введением наполнителя в полимер для улучшения его фрикционных и износных характеристик пользуются довольно широко, четкого правила выбора типа наполнителя и количества его в полимере пока нет. Противоречивость данных разных исследователей нельзя объяснить только различием ме тодов и условий испытаний. Требуется более детальный анализ
10