Модифицированные антифрикционные материалы на основе политетрафторэтилена: получение, свойства и применение в машиностроении (02.08.2010)

Автор: Рогов Виталий Евдокимович

ПТФЭ-ПИ 0,54 10–12

ПТФЭ-ПБИ 0,56 5–6

ПТФЭ-ПБИ 0,88 5–6

ПТФЭ-ПБИ 0,94 6–7

В процессе деформирования не наблюдалось отслаивания покрытия от матрицы, что свидетельствует об адгезионном взаимодействии полимеров. В виду несовместимости полимеров данный факт можно объяснить образованием переходного слоя.

В связи с тем, что фторопластовые изделия с полимер-полимерными покрытиями перспективны для применения в качестве уплотнительных манжет, для которых основной причиной выхода из строя при высоких температурах и давлениях является затекание полимера в зазоры, было изготовлено специальное устройство для определения сравнительной оценки затекания. Исследование по затеканию материала в зазоры 0,15 и 0,25 мм при температуре 423 К и различных усилиях на данном устройстве показало, что текучесть полимер-полимерного покрытия в зазоры до 10 раз меньше чем у исходного полимера и не зависит от размеров зазоров. Снижение затекания в зазор можно объяснить повышением твердости покрытий, так как результаты измерения микротвердости HV50 выявили, что микротвердость покрытий до 2 раз больше чем у ПТФЭ.

Триботехнические испытания фторопластовых втулок показали (табл. 7), что массовый износ в процессе трения для исследованных покрытий уменьшается до 80 раз по сравнению с исходным ПТФЭ. При этом наибольшей износостойкостью обладают покрытия с ПБИ. Коэффициент трения для всех полученных композиций меняется незначительно (его величина стабильна во время работы).

Таблица 7. Триботехнические характеристики образцов из ПТФЭ с ТППАПГ

Материал покрытия Коэффициент трения Массовый износ,

0,94 0,09 25–30

Исследование структуры поверхностного слоя показало, что в процессе совместного прессования порошкового ПТФЭ и слоя раствора термостойких полимеров, нанесенного на формообразующую поверхность пресс-формы, происходит смачивание частиц полимера и их перемешивание, что вызывает значительное изменение надмолекулярной организации матрицы. Так в основной ламеллярной (ленточной) структуре ПТФЭ (рис 15а) образуются сферолиты (рис. 15б).

Рис. 15. Фотографии поверхности ПТФЭ с ТПП на основе ПБИ

В процессе трения во взаимодействие с контактирующей поверхностью вступают уже не отдельные макромолекулы и образования типа «лент», а надмолекулярные образования – сферолиты, которые препятствуют деформациям, сопровождающим трение и изнашивание материала.

Наряду с этим, известно, что азотсодержащие полигетероарилены с пяти – и шестичленными гетероциклами (полиимиды, полибензимидазолы, полибензоксаксазолы и др.) сами обладают антифрикционными свойствами.

В виду того, что разброс линейных размеров заготовок из ПТФЭ при изготовлении варьируется в пределах 3–5 %, возникла необходимость создания технологии, позволяющей исключить механическую обработку поверхности с полимер-полимерным покрытием. Разработанный способ получения требуемых размеров по наружной или внутренней поверхности изделий осуществляется прессованием, спеканием, охлаждением и отличается тем, что формирование размеров заготовок достигается путем нагрева их при температуре 643(5 К до расплава в ограничивающих оправках без давления, а необходимые линейные размеры формируются многократной термообработкой в соответствующей оснастке (рис. 16).

Рис. 16. Ограничивающая оправка для изменения размера цилиндрической

заготовки из ПТФЭ с ТППАПГ по наружному диаметру

Установлено, что при нагревании заготовки в ограничивающей оправке происходит направленное расширение полимерной детали в свободное пространство, с последующим противоположным процессом усадки при охлаждении с изменением размеров до 6–8 %.

Исследования также показали, что после термообработки в данной оправке наружные и внутренние размеры изделия изменяются в сторону уменьшения, а высота детали увеличивается. Это объясняется структурно-механическим поведением отдельных элементов надмолекулярной структуры (звенья, сегменты макромолекул), которые во время термообработки в ограниченном объеме меняют месторасположение в материале вследствие свободного температурного расширения и запоминают его при охлаждении, а поскольку данные процессы происходят в расплаве, то предыдущее расположение забывается. Выявлено, что остаточные внутренние напряжения деформации после повторных термообработок изделий в оправках отсутствуют или существенно меньше, чем при воздействии внешней нагрузки. Это можно объяснить тем, что изменение объемной деформации при воздействии температуры без давления происходит практически по всему объему полимера, тогда как изменение объемной деформации от действия внешнего давления (различные виды калибровок) носит локальный характер, что и создает внутренние напряжения в изделиях.

Сравнительные испытания работоспособности точеных и прессованных манжет показали, что уплотнения, изготовленные с помощью разработанной технологии, обладают более качественными рабочими поверхностями и характеризуются высокой размерной стабильностью. Установлено, что при неоднократном нагреве заготовок до 523 К (рабочая температура эксплуатации ПТФЭ) полученные данным способом размеры не изменяется.

Применение данного способа в серийном производстве позволит целенаправленно изменять размеры заготовок в нужном направлении, а также получать требуемый размер по наружной или внутренней поверхности изделия, что крайне необходимо при изготовлении изделий с полимер-полимерными покрытиями, так как позволяет сохранить структуру поверхностного слоя.

В шестой главе даны рекомендации по практическому использованию разработанных модифицированных ПКМ на основе ПТФЭ в машиностроении.

Практически все современные машины и механизмы имеют подвижные сочленения, поскольку должны выполнять необходимые рабочие функции, связанные с передвижением, вращением, подъемом, скольжением и т. д. При этом параметры работы подвижных соединений в зависимости от назначения могут изменяться в широком диапазоне – скорости скольжения от 10–3 до 102 м и более, нагрузка от 10–3 до 103 кг и больше, температуры от криогенных до 1273 К и выше. Перечисленные обстоятельства не позволяют создать универсальный антифрикционный материал, способный работать в узлах трения различного назначения. Отсюда возникает необходимость разработки множества различных материалов трения, удовлетворяющих по износостойкости конкретно заданным условиям работы подшипников. В настоящее время значения предельных параметров трения (давление, скорость и температура) для используемых материалов, в том числе и фторопластовых композитов, определены.

В данной работе все разработанные материалы предназначены для длительной эксплуатации без смазочного материала в диапазоне температур от минус 473 К до плюс 523 К. Было показано, что использование свинецсодержащих наполнителей увеличивает износостойкие свойства композитов до 3 раз, что позволяет значительно повысить надежность и долговечность подшипников скольжения из фторопластовых композиций, работающих в экстремальных условиях. В связи с объективными ограничениями в получении массивных фторопластовых свинецсодержащих заготовок даны рекомендации по изготовлению изделий в готовом виде или с предельно низким допуском на механическую обработку для работы в узлах трения специального назначения.

Исследования показали, что свинецсодержащие наполнители (дисперсный Рb и PbO2) значительно улучшают эксплуатационные свойства и при многокомпонентном наполнении, например, материал КВН-3. Данный материал используется в аппаратуре микрокриогенной техники в паре с анодированным алюминием с гарантированным ресурсом работы до 3000 часов.

И все же для полимерных материалов скорость скольжения выше 0,5 м/с и нагрузка выше 10 МПа являются предельными.

В случае комбинированных материалов представленные величины значительно увеличиваются. Так для МФЛ скорость скольжения может достигать до 5 м/с, а давление до 25 МПа при этом критерий работоспособности подшипников скольжения pv может достигать значений до 1,0 МПа·м/с.

Хотя листовой армированный фторопластовый материал конструктивно имеет принципиальное отличие от МФЛ в виде отсутствия металлической основы, фрагменты зоны фрикционного контакта отличаются незначительно, вследствие наличия гетерогенной структуры, содержащей бронзу и фторопласт, поэтому допустимые значения режимов трения МФЛ можно перенести на данный материал.

Основное отличие у ЛАФМ в сравнении с МФЛ заключается в большей толщине полимерной смазки, находящейся в пористом пространстве сетки, что позволяет сохранять работоспособность до величины предельно допустимого износа. По предварительным данным использование данного материала позволяет увеличить срок службы подвижного соединения с таким материалом в десятки, а в некоторых случаях и в сотни раз.

Возможность получения ЛАФМ больших размеров дает перспективу использования их в крупногабаритных подвижных соединениях в виде направляющих при подъеме различных шлюзов и других трибосопряжений работающих без смазки.

Выявлено, что полученные ЛАФМ не обладают хладотекучестью и это позволяет значительно расширить сферу применения данных материалов особенно в тех отраслях промышленности, где необходимо предохранять продукцию от попадания смазочного материала.

Основным предназначением фторопластовых изделий с легированным поверхностным слоем являются уплотнительные устройства различных механизмов, причем разработанный способ нанесения термостойких покрытий на поверхность полимера позволяет модифицировать только рабочую поверхность изделия с сохранением эластичных свойств чистого ПТФЭ.

Испытания V-образных фторопластовых манжет с легированным поверхностным слоем в амортизаторах гидроподвески автомобиля «БелАЗ» грузоподъемностью в 10 тонн показали, что при использовании данных манжет существенно увеличивается ресурс герметизации, при этом межремонтный срок обслуживания подвесок увеличился в 2–4 раза.

С точки зрения экономической эффективности использование данных технологий сулит значительные экономические выгоды. Так, в случае получения фторопластовых изделий с минимальным припусками позволит сэкономить до 70–80 % фторопластового сырья, уходящего в стружку при механической обработке. При этом долговечность и надежность таких узлов за счет износостойкости вырастет в несколько раз.

Основные результаты и выводы

1. Выявлены основные закономерности поведения свинецсодержащих наполнителей в полимерной матрице (ПТФЭ) при спекании в различных газовых атмосферах и сформулированы практические рекомендации и технологические регламенты изготовления:

а) при спекании композиций, содержащих фазы свинца (дисперсные порошки свинца, оксида и диоксида свинца), на воздухе имеют место экзотермические процессы, приводящие к нарушению сплошности изделий;

б) снижение температуры спекания на 15–20 К или введение технологической добавки в виде дисульфида молибдена в пределах 3–5 % для изделий массой до 0,1 кг с диоксидом свинца позволяет получать качественные изделия.

2. Установлены зависимости между гранулометрическим составом свинцового порошка и износостойкими свойствами полученных композиций:

а) при объемном модифицировании политетрафторэтилена выше 50 мас. % промышленным свинцовым порошком марки ПСА при определенных режимах трения наблюдается процесс образования свинцового покрытия на контртеле, которое является абразивом для данного полимерного композита и приводит к интенсивному изнашиванию;


загрузка...