7.3 Самосмазывающиеся подшипники скольжения на основе прессованной древесины

Широкое внедрение в машиностроение новых композиционных материалов позволяет экономить цветные и черные металлы, существенно улучшить эксплуатационные свойства машин и оборудования, увеличить их долговечность, снизить материалоемкость, трудоемкость, себестоимость.

В этой связи особого внимания заслуживает новый класс недефицитных, износостойких, долговечных антифрикционных самосмазывающихся материалов на основе древесины, модифицированной минеральным маслом с присадками, и полимеров для узлов трения, работающих в абразивных и агрессивных средах при переменных температурах, нагрузках до 15 МПа и скоростях скольжения до 1,5 м/с [50].

7.3.1 Антифрикционные самосмазывающиеся древесно-полимерные материалы для подшипников скольжения

Особенностью древесины, как материала, созданного природой, является совершенство ее структуры, обусловливающей высокую прочность при наличии 25–40 % от объема древесинного вещества, составляющего клеточную стенку, и 60–75 % полостей (пустот). Из них крупные полости–сосуды 1 имеют диаметр от 0,07 до 0,4 мм, длину в среднем 100 мм, но в некоторых породах – до 2–3,5 м; мелкие полости 2 (рисунок 7.11, б) имеют диаметр в среднем 0,05 мм, длину 0,7–1,6 мм. Все полости сообщаются через поры (диаметром 4–8 мкм) клеточной стенки.

Рисунок 7.11 – Одноосное прессование древесины (ДП-О) (а ,в, г) и микро-структуры торцового среза натуральной древесины березы (б) и прессованной (д): 1 – заготовки; 2 – кассета; 3 – пуансон; 4 – нажимная планка; 5 – фиксаторы; 6 – пресс-форма (матрица); 7 – прессованная древесина

Разработаны различные способы уплотнения (прессования) натуральной древесины без разрушения клеточных стенок. При степени уплотнения 25–40 % ее прочностные показатели повышаются в 2–3 раза и они выше, чем у полимеров (таблица 7.5).

Наполнение древесины металлами, смолами, комбинированными материалами, включающими металлы и смолы, также позволило резко улучшить ее физико-механические свойства. Работает такая древесина хорошо только при постоянной смазке. При этом несущая способность и износостойкость ее не ниже, чем у деталей из баббита, бронзы, антифрикционного чугуна.

Таблица 7.5 – Свойства антифрикционных материалов

Показатель	Бронза	Полиамид П6 (капрон)	Фторопласт–4	Древесина натуральная (береза)	Древесина модифицированная и уплотненная, ε = 35…40 %
Плотность, г/см3	8,8	1,3	2,12–2,88	0,57–0,65	1,15–1,25
Предел прочности при сжатии, МПа	170	70–80	12–20	40–53*	115–125*
Твердость по Бринеллю, МПа	300	100–110	30–40	38–50*	115–130*
Коэффициент трения при работе в режиме самосмазки	–	0,2–0,4	0,08–0,15	0,56*	0,06–0,1*
Предельная температура трения, С	–	110	284	150	120–150
* Данные относятся к древесине, испытанной на торец.

Однако применение такой древесины невыгодно и неэкономично, так как для обеспечения постоянной смазки необходимы специальные смазочные устройства, как и для металлических подшипников скольжения.

Прессованная древесина, пропитанная минеральным маслом, обеспечивает длительную работу узла трения в режиме самосмазки при небольших нагрузках до 2 МПа и скоростях скольжения до 0,25 м/с, обусловливающих генерирование в контактной зоне тепла до температуры 40 ˚С, свыше которой вязкость масла резко снижается, оно интенсивно выделяется из микрополостей древесины в контактную зону и выносится из нее. Истощение смазки приводит к разрушению граничного слоя в контакте металл–древесина, что вызывает увеличение силы трения, и в течение непродолжительного времени наступает катастрофический износ древесины. При таком модифицировании нагрузочная способность ее используется частично.

Специфические же свойства уплотненной древесины: высокая механическая прочность, износостойкость, невозможность внезапного аварийного выхода из строя деталей, изготовленных из нее, – делают природный полимер незаменимым для создания на его основе недефицитных самосмазывающихся антифрикционных материалов.

Некоторые синтетические полимеры линейной структуры обладают хорошими антифрикционными самосмазывающимися свойствами, однако они не выдерживают больших нагрузок, задолго до температуры их плавления размягчаются, и детали формоизменяются. Кроме того, они дефицитны и дороги.

Особый интерес представляет фторопласт, который хорошо работает при сухом трении, но в чистом виде выдерживает незначительные нагрузки до 0,3 МПа вследствие хладотекучести и низкой стойкости на истирание. На его основе приготавливаются суспензии, которые вводятся в пористые каркасы, получаемые спеканием металлических порошков или сеток. Такие материалы работают на самосмазке в широком диапазоне скоростей и нагрузок, практически не изменяя своих антифрикционных свойств в температурном интервале от – 200 до + 200 С. Высокая работоспособность объясняется формированием в процессе трения термостойкого граничного смазочного слоя макромолекулами фторопласта.

Древесина, наполненная суспензией фторопласта и уплотненная на 45 – 50 %, имеет до 20 – 25 % недопрессованных сообщающихся микрополостей (рисунок 7.12, б,в), что обусловливает аккумулирование антифрикционных полимеров во всем ее объеме, которые в процессе работы поступают в зону трения и формируют на ее контактной поверхности термостойкие граничные смазочные слои 5.

На рисунке 7.12 представлены микроструктуры торцевого среза древесины березы и схематическое изображение ее продольного среза, находящегося в контакте с металлическим контртелом 6. В случае Iполости клеток заполнены минеральным маслом, а в случаеII– фторопластом. Показано, что молекулы минерального масла, длина которых 0,7 – 2 нм, образуют тонкий и неустойчивый граничный смазочный слой (рисунок 7.12,I). Они не перекрывают даже поперечного сечения мицелл целлюлозы, диаметр которых 5–7 нм. В то же время полимерные макромолекулы, длина которых достигает 6000 нм, при их ориентационной вытяжке в направлении скольжения перекрывают полностью клеточную стенку, толщина которой 1400–5800 нм, формируя граничные смазочные слои толщиной в сотни и тысячи раз больше (рисунок 7.12,II) толщины граничных смазочных слоев, образуемых молекулами минерального масла.

Чем больше действует нагрузка, тем большее ориентационное состояние приобретают длинные цепные макромолекулы полимера, а следовательно, и повышается прочность граничного смазочного слоя. Соответственно, чем больше ориентация, тем меньше сопротивление их относительному скольжению.

Следовательно, на контактных поверхностях образуются вторичные структуры – рабочие слои, обладающие высокой прочностью, несущей способностью и деформативностью.

a)

б)

в)

I

А

В

С

А

В

С

МС-20

l  20 нм

v

v

4

3

2

1

5

6

А

В

С

 15 мкм

 20 мкм

ПЭ, Ф-4Д

l  400……6000 нм

6

5

R_a = 0,63

R_a = 0,63; r_п = r_пр = 300…700 мкм

II

Рисунок 7.12 – Модель формирования граничного смазочного слоя 5 при трении по металлу 6 торцовой поверхности уплотненной древесины (ε = 40 %), наполненной минеральным маслом (I) и полимером (II): а, б, в – микроструктуры торцового среза березовой древесины (а – целлюлоза разрушена грибком; б – наполненной суспензией фторопласта; в – наполненной и уплотненной); 1 – сосуд: 2 – полость механической клетки; 3 – клеточная стенка; 4 – лигнинный скелет

Для разрушения такого слоя необходимо приложить большие сдвиговые усилия, которые и обеспечивают высокую работоспособность древесины в режиме самосмазки в широком интервале температур и нагрузок по сравнению с прессованной древесиной, пропитанной чистым минеральным маслом. Кроме того, сформированные полимерными макромолекулами граничные слои на трущихся поверхностях предотвращают прямой контакт древесины с контртелом.

Научно обоснованное использование антифрикционных полимеров для модификации древесины позволило создать новый класс износостойких антифрикционных самосмазывающихся древесно-полимерных материалов (АСДПМ) с заданными свойствами, обеспечивающими высокие эксплуатационные показатели узлов трения [63].

Разработаны многокомпонентные наполнители на основе минеральных масел, высших жирных кислот, мономера, полиэтилена, полиизобутилена, пентапласта, кремнийорганической жидкости для направленного регулирования на стадии модифицирования антифрикционными свойствами древесины.

В зависимости от нагрузки и скорости скольжения коэффициент трения находится в пределах 0,12–0,05.

Самоупрочняющиеся процессы при трении антифрикционных древесно-полимерных материалов. В процессе работы АСДПМ происходит упрочнение контактной поверхности, микротвердость которой после испытаний в 2,5–3 раза больше микротвердости до испытаний. Максимальное значение ее наблюдается также вблизи контактной зоны, постепенно уменьшаясь в глубь образца, и при удалении на 4–5 мм от контактной поверхности упрочнение прекращается. У прессованной древесины, пропитанной чистым маслом, наоборот, наблюдается снижение микротвердости вблизи поверхностного слоя, что объясняется деструкцией древесины (рисунок 7.13).

Рисунок 7.13 – Микротвердость самосмазывающейся прессованной древесины по толщине образца до (1, 2, 3) и после (1', 2', 3') испытаний: 1, 1' – древесина модифицированная чистым минеральным маслом; 2, 2' – пластигелем; 3, 3' – суспензией фторопласта

Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что основную роль в образовании упрочненного поверхностного слоя играют макромолекулы полимеров. Под действием давления и генерируемого при трении тепла они вступают в физико-химическое и химическое взаимодействие с компонентами древесины, образуя прочный синтетический комплекс полимер-древесина, и ориентируются в направлении скольжения, формируя на контактной поверхности граничные смазочные слои, устойчивые к действию высоких температур и давлений. Минеральные масла, кремнийорганические жидкости способствуют лучшей ориентации и подвижности полимерных макромолекул, о чем свидетельствует низкий коэффициент трения при высоких давлениях, находящийся в пределах 0,05–0,06.

Образование полимерных пленок переноса на металлическом контртеле при работе в контакте с антифрикционными древесно-полимерными материалами. Рентгеноструктурными и микроскопическими исследованиями и измерениями микрогеометрии контактной поверхности металлического контртела установлено, что в процессе работы происходит перенос макромолекул полимера на металлический вал. Они взаимодействуют с его окисным слоем и формируют тонкие пленки, сглаживающие микронеровности. После приработки шероховатость поверхности снижается сR_a = 1,25…2,5 доR_a = 0,32…0,63 мкм (рисунок 7.14). При работе с древесиной, пропитанной чистым маслом, микроструктура контактной поверхности ролика не изменяется, профилограммы поверхности ролика до и после работы мало отличаются. Эти исследования подтверждают, что в процессе контактирования под действием механических напряжений и температур происходит термодеструкция полимеров с образованием реакционноспособных радикалов, которые взаимодействуют как с реакционноспособными компонентами древесины, так и с окисной поверхностью металла, образуя микротонкие износостойкие антифрикционные покрытия – пленки, эффективно разделяющие сопряженные поверхности и в комплексе обеспечивающие низкое и стабильное трение, высокую работоспособность, износостойкость и долговечность узла трения при работе в режиме самосмазки в широком диапазоне температур и нагрузок.