книги из ГПНТБ / Бобровников Г.А. Применение синтетических материалов при ремонте и модернизации машин

Макромолекула поликапролактама построена по следующей схеме:

... — NH — (CH2)S — CONH — (СН2)3 - CONH - (СН2)5 - СО - ...

Из схемы видно, что молекула поликапролактама имеет зако­ номерное строение, так как полиметиленовые группы (СН2)5 сое­ динены между собой амидными группами (CONH) в виде цепоч­ ки. Следовательно, макромолекулы капрона имеют нитевидную

форму.

Полимеризация капролактама проводится при температуре

и отходы капрона, поступающие в основном с предприятий легкой промышленности.

Капрон содержит некоторое количество маномера — капролак­ тама, который снижает его механические свойства. В ряде случаев отходы капрона имеют повышенное содержание капролактама, что приводит к еще более значительному снижению их механиче­ ских свойств.

В табл. 9 приведены некоторые сравнительные данные механи­ ческих свойств капрона-крошки и отходов капрона.

Уменьшить количество низкомолекулярных соединений как в самом капроне, так и его отходах можно тщательной промывкой или кипячением в воде. Такая операция способствует повышению качественных характеристик капроновых изделий.

Тем не менее из данных, приведенных в табл. 9, видно, что более ответственные детали, подверженные воздействию более значительных нагрузок, следует изготовлять из капрона-крошки, в то время как для неответственных (малонагруженных) деталей

* Кроме реакции полимеризации, при получении полимеров широко при­ меняется также реакция поликонденсации, которая проходит с выделением аммиака, углекислого газа, воды или других побочных низкомолекулярных веществ [20, 51]. Обе эти химические реакции лежат в основе синтеза поли­ меров, вследствие чего пластмассы часто принято классифицировать на полимеризационные и поликонденсационные.

30

целесообразно использовать отходы капрона, тем более, что они примерно в два раза дешевле капрона-крошки.

Основным способом производства деталей из капрона являет­ ся литье под давлением. Так как капрон является термопластиче­ ской смолой, то при изготовлении неответственных деталей воз­

* Поданным НИИпластмасс и Киевского технологического института легкой промышлен­ ности.

На механические и другие свойства деталей из капрона, кроме качества сырья, в большой мере влияет степень окисления рас­ плавленной массы капрона, температура пресс-формы в момент заливки, давление при заполнении пресс-формы, качество ее по­ верхности, режимы последующей термообработки капроновых де­ талей и другие факторы. Поэтому для получения качественных деталей и изделий требуется строгое соблюдение соответствующих режимов на всех стадия'х технологического процесса их изготов­ ления.

Известно, что капрон относится к волокнообразующим полиме­ рам, которые имеют нитевидную структуру молекул. При произ­ водстве капроновое волокно подвергают специальной вытяжке, в результате чего достигается ориентация (параллелизация) мо­ лекул вдоль оси волокна. При упорядоченном — параллельном рас­ положении молекул они сближаются, увеличивается интенсивность межмолекулярного взаимодействия, вследствие чего происходит по­ вышение прочности волокна. Этим объясняется то обстоятельство, что прочность капронового волокна в несколько раз превышает прочность капрона-крошки.

В деталях из капрона, полученных обычными способами, моле­ кулы не могут иметь упорядоченного (ориентированного) располо­ жения. Вполне возможно, что одним из направлений в повышении прочности деталей и изделий из полиамидов является создание та­ ких технологических процессов их производства (например, методом выдавливания из расплавленной массы с последующей вытяжкой), при которых обеспечивалось бы получение изделий с упорядочен­ ным расположением молекул.

31

Основные физико-технологические свойства капрона характери­ зуются следующими данными [2]:

■32

капрона должны быть просушены с таким расчетом, чтобы влаж­ ность материала не превышала 0,5%.

В процессе эксплуатации детали из капрона также склонны к поглощению влаги, в результате чего размеры их могут несколько увеличиваться. Поэтому детали, особенно работающие в условиях влажной среды, подвергают нормализации путем кипячения в воде. При кипячении детали насыщаются водой, в результате повышается их объемная и размерная стабильность в рабочих условиях. Кроме того, при кипячении удаляется часть оставшегося после полимери­ зации мономера — капролактама, что повышает механические свойства (прочность) капрона.

При затвердевании капрон дает значительную и неравномерную усадку, что усложняет изготовление пресс-форм для получения точ­ ных деталей. Усадка капроновых деталей зависит от размеров, формы и других факторов, которые не всегда поддаются учету. Поэтому окончательные размеры пресс-формы иногда приходится уточнять опытным путем, т. е. путем получения опытных отливок с последующей корректировкой и подгонкой рабочих размеров пресс-формы.

Малый модуль упругости капрона обусловливает значительные упругие деформации деталей под нагрузкой, что в ряде случаев не­ допустимо с точки зрения нормальной работы как самой детали, так и узла, в который она входит.

К недостаткам капрона следует отнести и сравнительно низкую его теплопроводность, что препятствует отводу тепла от трущихся поверхностей деталей. Наконец, сравнительно низкая теплостой­ кость ограничивает диапазон рабочих температур, при которых ис­ пользование капрона дает удовлетворительные результаты.

Эти недостатки можно в значительной степени устранить путем использования тонкослойных капроновых покрытий. Поэтому так называемый метод капронирования металлических деталей путем нанесения на их рабочие (трущиеся) поверхности тонких слоев капрона все шире начинает применяться в заводской практике.

Весьма важным достоинством капрона является его сравнитель­ но высокая химическая стойкость, особенно к воздействию щелочей, бензина, спирта, слабых растворов кислот и прочих растворителей. Существенное воздействие на капрон оказывают только кислоты высокой концентрации.

Капрон является хорошим электроизоляционным материалом. Однако его диэлектрические свойства значительно снижаются при наличии влаги и низкомолекулярных соединений. Поэтому капрон наиболее целесообразно применять для электротехнических дета­ лей, работающих при повышенных температурах и ударных на­

грузках.

Большой практический интерес представляет использование капрона в качестве антифрикционного материала для изготовле­ ния подшипников скольжения, различного рода втулок, эксцентри­ ков, шестерен и других деталей, работающих на трение. Опыт

показывает, что замена металлических деталей капроновыми в узлах трения машин и механизмов во многих случаях не только дает значительную экономию таких дефицитных металлов и спла­ вов, как бронза и баббиты, но и уменьшает силы трения и износ трущихся поверхностей.

Особенно ценным свойством капрона является его способность работать в условиях недостаточной смазки или вообще без смазки, т. е. при граничном, полусухом и сухом трении. Однако, как уже указывалось, ряд вопросов, связанных с рациональным использо­ ванием капрона для изготовления деталей, работающих на трение, изучен еще мало, а имеющиеся данные либо противоречивы, либо носят случайный характер.

Так, например, до настоящего времени еще нет систематизиро­ ванных данных, основанных на экспериментальных и теоретиче­

о влиянии присадок (графит, дисульфид молибдена, алюминиевые, медные и другие порошки) при различных условиях трения. Такое положение, очевидно, объясняется не только новизной вопроса, но также и тем, что для его решения требуется накопление боль­

стойкости и антифрикционных свойств капрона при некоторых нагрузках и скоростях скольжения без смазки и со смазкой. Кроме того, были проведены предварительные исследования влияния технологии изготовления капроновых образцов (литье под давле­ нием и механическая обработка) на величину их износа и анти­ фрикционные свойства материала.

Для проведения исследований из капрона-крошки способом литья под давлением (автоклав, давление 15—18 кГ/см2, темпе­ ратура нагрева капроновой массы 230—240° С, температура пресс-

из которых затем вырезались сегменты шириной 10 мм и длиной хорды 18 мм.

2.Круглые образцы диаметром 40 мм и толщиной 10 мм.

3.Круглые образцы диаметром 44 мм и толщиной 10 мм. При отливке круглые образцы диаметром 40 мм охлаждались

до комнатной температуры вместе с пресс-формой. Круглые об­ разцы диаметром 44 мм после отливки извлекались из горячей

34

пресс-формы и охлаждались до комнатной температуры на воз­ духе. В дальнейшем эти образцы подвергались механической обработке до получения размеров, по диаметру равных также

40 мм.

Подготовка, контроль качества сырья и полученных образцов производились заводской лабораторией с точным соблюдением специальной инструкции и госта. Термическая обработка всех образцов была одинаковой и заключалась в нормализации путем кипячения их в воде в течение 2 ч с медленным охлаждением (вместе с ванной) до комнатной температуры. Исследования анти­ фрикционных свойств и износостойкости капрона при различных

цов соответствовала 7-му классу. На наружной поверхности сегментов высверливалась лунка под стальной шарик 3. Изготов­ ленные таким способом образцы вставлялись в державку 4, кото­ рая насаживалась на верхний шпиндель машины МИ.

Капроновый образец 2 опирается на стальной закаленный ша­ рик 3, что обеспечивает самоустанавливаемость испытуемого об­ разца на вращающемся стальном ролике — цапфе.

В период испытания верхний вал машины МИ оставался не­ подвижным. Таким образом, испытания проводились на чистое трение скольжения. В качестве критериев антифрикционных свойств капрона служили величина коэффициентов трения испы­ туемой пары, средняя температура рабочих поверхностей капро­ новых образцов, зависимость момента трения от различных усло­ вий испытаний, а также величина износа образцов.

На первом этапе испытания были проведены с целью наблю­ дений за процессом приработки капроновых образцов и измене­ ний момента трения при трении без смазки и со смазкой. В каче­ стве смазки использовалось машинное масло и вода.

Результаты испытаний приведены на фиг. 3 в виде графиков, построенных по данным, полученным на девяти образцах (по три образца для каждой кривой). Путь трения каждого образца со­ ставил 2 км, что соответствует 15 тыс. оборотов стального роли­ ка-цапфы. Испытания в период приработки проводились При удельном давлении 15 кГ/см2.

Из графика (фиг. 3) видно, что время приработки капроновых образцов различно, так как постоянство момента трения насту­

работки.

Интересно отметить, что износ капроновых образцов в период приработки весьма незначительный. Так, при настоящих испыта­ ниях абсолютный износ по весу капронового образца при трении без смазки за 12 тыс. оборотов ролика составил всего 0,17 мг. Можно предположить, что в трущихся капроновых деталях в па­ ре со стальными приработка происходит в основном не за счет износа, а за счет упругих свойств капрона и пластических дефор­ маций микронеровностей, тем более, что повышение температуры на поверхности скольжения способствует сглаживанию этих мик­ ронеровностей.

Температурный режим трущейся пары оценивался по темпе­ ратуре капронового образца на расстоянии 2 мм от поверхности трения с помощью нихром-константовой термопары [9].

Схема установки термопары показана на фиг. 4.

Показания температур регистрировались через каждые 2 тыс. оборотов шпинделя машины. Средние значения температур опре­ делялись по трем образцам, испытывавшимся при одном и том же режиме трения.

График изменения коэффициента трения в зависимости от удельного давления при различных смазках представлен на фиг. 5. Приведенные на данном графике коэффициенты трения являются

36

средними величинами из многих значений, полученных в резуль­ тате обработки зафиксированных диаграмм моментов трения. Спе­ циальная проверка машины перед началом опытов показала, что ошибка в замере моментов трения не превышала 0,25%.

Как и следовало ожидать, коэффициент трения при смазке маслом резко уменьшается во всем диапазоне удельных давлений по сравнению с сухим трением. Вода также способствует значи­ тельному снижению коэффициента трения.

Для выяснения зависимости коэффициента трения от скорости скольжения были изготовлены стальные ролики диаметром 30, 40, 50 мм, что соответствует окружной скорости, равной 0,3,' 0,4 и 0,5 м/сек. Материал, твердость, чистота рабочих поверхностей ро­ ликов были одинаковыми.

Испытания показали, что изменение скорости скольжения в ука­ занных пределах мало влияет на величину коэффициента трения. Износ образцов определялся путем повторного взвешивания на аналитических весах с точностью 0,2 мг при строго одинаковых операциях предварительной подготовки. Стальные контробразцы перед взвешиванием промывались спиртом и просушивались.

Абсолютный износ по весу предварительно приработанных об­ разцов при удельном давлении 20 кГ/см2 и трении без смазки пос­ ле 50 тыс. оборотов стального ролика (что соответствует пути трения, равному 6,25 тыс. м) составил всего 0,5—0,7 мг. Износ стальных образцов, работавших в паре с капроновыми при насто­ ящих условиях испытаний, определить вообще не удалось, так как ’величина его оказалась меньше чувствительности весов. Можно полагать, что, работая в паре с капроном, стальные образцы при заданных условиях испытания практически износа не получили.

Проведенные испытания показали, что применение смазки (масло, вода) существенно улучшает антифрикционные свойства капрона. Однако и без смазки в паре со сталью при умеренных

37

скоростях скольжения 0,3—0,5 м/сек и удельном давлении до 30—■ 40 кГ/см2 капрон обладает вполне удовлетворительными анти­ фрикционными свойствами и высокой износостойкостью.

На втором этапе исследования проводились сравнительные ис­ пытания износостойкости и антифрикционных свойств капроновых образцов, изготовленных способами литья под давлением и меха­

машины, на который устанавливался стальной контробразец, оста­ вался неподвижным. Путь трения определялся по количеству обо­ ротов нижнего шпинделя машины, а величина износа — периоди­ ческим взвешиванием образцов на аналитических весах с точ­ ностью до 0,2 мг. Смазка осуществлялась путем погружения ниж­

38

Результаты испытаний на износ капроновых образцов, получен­ ных литьем под давлением и механической обработкой (при удель­ ном давлении 15 кГ/см2, без смазки), представлены на фиг. 7. Приведенные кривые износа построены по данным, полученным на пяти образцах для каждой кривой. Из этих кривых видно, что аб­ солютный износ образцов, обработанных механическим способом, существенно больше износа литых образцов.

Известно, что структура изделий из полиамидов неоднородна и состоит из кристаллических и аморфных участков [10]. При из­ готовлении деталей из полимеров можно изменять соотношение этих двух фаз как за счет изменения ре­ жимов и технологии их изготовле-

ния, так и за счет последующей термической обработки. Суще­ ственное влияние, например, оказывает скорость охлаждения детали в пресс-форме: при уменьшении скорости охлаждения количество кристаллической составляющей увеличивается и на­

оборот [11].

В наших испытаниях изготовление литых образцов производи­ лось в пресс-форме, подогретой до 60—70° С, с медленным охлаж­ дением их вместе с пресс-формой до комнатной температуры, в то время как заготовки, предназначенные для механической обра­ ботки, после отливки тут же извлекались из пресс-формы и ох­ лаждались более быстро до комнатной температуры. Можно по­ лагать, что при медленном охлаждении на поверхности литых образцов образуется зона повышенного содержания кристалличе­ ской фазы, оказывающая положительное влияние на величину износа как в период приработки, так и в период установившегося

режима трения.

Подобным образом проводились испытания партии образцов, при использовании в качестве смазки воды. Температура воды

39