Разработка износостойких маслонаполненных композитов на основе политетрафторэтилена
Петрова П.Н., Федоров А.Л.
(ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)
In given work results of researches on development of wear resistant polymeric composite materials based on polytetrafluoroethylene are presented. For obtaining of these composites spontaneous impregnation processes of porous polymeric half products by engine oils were used.
Для создания надёжной современной техники требуется разработка высокоэффективных износостойких материалов для обеспечения надёжной и долговечной работы узлов трения механизмов, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в агрессивных средах, при переходных режимах и в вакууме. В связи с этим, развитие исследований по созданию новых материалов с максимально улучшенным комплексом служебных характеристик, а также разработка новых способов получения таких материалов являются актуальными.
Для создания новой перспективной техники с более жесткими условиями работы трибологических систем требуются новые ПКМ с повышенным комплексом эксплуатационных свойств, уровень качества которых обусловлен их составом, оптимальностью характеристик, тщательностью изготовления на всех стадиях технологической цепочки, сравнительно недорогих и технологичных в изготовлении [1].
Использование композитов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) в узлах трения повышает надежность и долговечность механизмов, обеспечивает стабильную эксплуатацию в условиях агрессивных сред, глубокого вакуума и при криогенных температурах, к тому же ПТФЭ биологически и физиологически нейтрален.
В данной работе приведены результаты по разработке новых износостойких ПКМ на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), полученных по технологии жидкофазной пропитки моторным маслом предварительно сформованных пористых полимерных заготовок с последующим затвердением жидкой фазы в процессе переработки.
Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработана технология получения образцов с микропористой структурой. Преимуществом технологии получения пористых заготовок из ПТФЭ и композитов на его основе является то, что для ее реализации не требуется использования фреонов и других компонентов, которые при взаимодействии между собой выделяют газообразные вещества, которые обладают теми или иными недостатками, среди которых основными являются использование неприемлемых по экологическим соображениям фреонов.
Реализация разработанной технологии получения микропористого политетрафторэтилена и заполнения пор жидкими моторными маслами, позволившая создать маслонаполненные триботехнические полимерные материалы с повышенной износостойкостью, в промышленности не требует специального технологического оборудования. Все технологические операции могут выполняться на обычных прессах и в нагревательных электрошкафах.
Объектами исследования являются политетрафторэтилен (ГОСТ 10007-80) и моторные масла марки М-8В и Ravenol на основе полиальфаолефинов. Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработана технология получения образцов с микропористой структурой, заключающаяся в снижении удельного давления прессования порошковых заготовок.
На основе разработанной технологии получается пористый композит, обладающий достаточной прочностью для сохранения приданной им формы при последующих операциях. Установлено, что прочность при сжатии композитов на основе ПТФЭ и природных наполнителей при 10 и 25% деформации практически не зависит от пористости образцов и модифицирования моторным маслом. Значения модуля упругости композитов, выдержанных в течение 24 ч в моторном масле, больше на 25%, чем у композитов, изготовленных по стандартной технологии (табл.1).
Таблица 1-Физико-механические свойства ПКМ
|
Композит |
σсж при 10% деформации, МПа |
σсж при 25% деформации, МПа |
E, МПа |
|
Ф-4 (исх. по станд. технологии) |
14 |
23 |
328 |
|
Ф-4 (пористый) |
14 |
22 |
267 |
|
Ф-4+5мас.% цеолит (модифицированный моторным маслом) |
16 |
25 |
390 |
|
Ф-4+5мас.% цеолит |
16 |
27 |
445 |
|
Ф-4+5мас.% цеолит (пористый) |
15 |
26 |
295 |
*σсж – прочность при сжатии; E – модуль упругости.
Это свидетельствует о повышении твердости и жесткости композитов, пропитанных моторным маслом. Таким образом, разработанная технология получения пористых ПКМ не приводит к снижению их прочности, а, наоборот, при их жидкофазном наполнении моторным маслом повышается модуль упругости, на основании чего уже можно косвенно утверждать о формировании жесткоцепной структуры композита в процессе переработки.
Установлено, что повышение пористости изделия из ПТФЭ приводит к сорбционному проникновению жидкой смазки на большую глубину, что сопровождается снижением скорости массового изнашивания, в зависимости от нагрузки при трении, в 75-190 раз и коэффициента трения до 2-х раз по сравнению с немодифицированным ПТФЭ. Это объясняется тем, что поры выполняют роль резервуаров для смазочного вещества, которое по мере изнашивания выдавливается из объема полимерного материала и способствует формированию смазочных слоев на поверхностях трения [2]. Выдавливание смазочного вещества происходит также вследствие фрикционного нагрева и теплового расширения детали.
Несмотря на это, недостатком разработанных материалов, содержащих жидкие смазки, является ограниченность ресурса работы узла трения. Это связано с относительно небольшим количеством жидкой смазки, которую можно ввести в полимерный материал без существенного усложнения технологии изготовления и переработки. В связи с этим, в данной работе использованы активированные в планетарной мельнице в течение 2-х мин природные цеолиты и шунгиты, характеризуемые высокой адсорбционной способностью.
Сравнение результатов триботехнических исследований композитов полученных жидкофазным наполнением различными маслами показали, что более износостойкими композитами являются композиты, содержащие минеральное моторное масло. Это связано с тем, что сорбция смазок полимерами и эффективность смазывания зависят от вязкости смазочных масел [3]. Снижение вязкости масла способствует лучшей сорбции его полимером, и поэтому триботехнические характеристики маслонаполненных композитов, обусловленные проявлением сорбционного эффекта на низковязких маслах, выражены более ярко. Установлено, что при использовании синтетического масла на основе полиальфаолефинов полимер сорбирует его в 4-5 раза меньше, чем при использовании моторного масла М-8В, который характеризуется в два раза меньшей вязкостью.
В связи с этим, с целью повышения количества введенной жидкой смазки в объем полимера повышена температура пропитки полимерной заготовки моторным маслом до 150ºС. Установлено, что повышение температуры пропитки композита жидкой смазкой приводит к увеличению количества введенного жидкофазного компонента в объем полимерного образца в 2-20 раз. Износостойкость композита при этом возросла в 320 раз, по сравнению с композитом, полученным пропиткой образца при комнатной температуре, и в 725 раз по сравнению с исходным полимером. Это связано со снижением вязкости жидкой смазки и термическим расширением полимерного образца. Эти процессы способствуют интенсификации процессов проникновения компонентов жидкой смазки в пористую структуру полимера. Установлено также, что интенсивность изнашивания полимерных композитов, полученных пропиткой при высокой температуре, мало меняется при повышении нагрузки от 1 до 2 МПа.
Установлено, что дополнительное введение диспергированных до наноразмерного уровня природных наполнителей, которые характеризуются высокой адсорбционной активностью, приводит к интенсификации сорбционного проникновения жидкой смазки в объем полимерного связующего. Это приводит к повышению износостойкости композита до 1000 раз по сравнению по сравнению с ПТФЭ, полученного по стандартной технологии. Показано, что наиболее эффективными сорбентами, для получения износостойких композитов, являются цеолиты (рис.1).
Рисунок 1- Зависимость скорости массового изнашивания от природы наполнителей: 1- маслонаполненный ПКМ на основе ПТФЭ и шунгита; 2- маслонаполненный ПКМ на основе ПТФЭ и цеолита
Это связано с тем, что цеолит, благодаря своей структурной особенности, впитывает большее количество жидкой смазки. Количество впитанного масла для композитов с содержанием цеолита 2-4 раза больше, по сравнению с композитами, содержащих шунгит.
На основании проведенных исследований показана перспективность жидкофазного наполнения ПТФЭ и композитов на его основе моторными маслами с целью получения композитов с повышенной износостойкостью и нагрузочной способностью. Разработана технология получения микропористых композитов на основе политетрафторэтилена и заполнения пор жидкими моторными маслами при разных температурах, позволившая создать маслонаполненные триботехнические полимерные материалы с повышенной износостойкостью и нагрузочной способностью, способных обеспечить работу узлов трения в отсутствии смазки. На основании проведенных исследований показана перспективность использования разработанных композиционных материалов для изготовления деталей, работающих в условиях трения и износа, в том числе для криогенной техники.
Литература
1. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В. И., Калистратова Л.Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. -М.: Машиностроение, 2005.
2. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах: учеб.для вузов.- Мн.: Высш.шк., 1999.
3. Ван Кревелен Д.В. Cвойства и химическое строение полимеров.- М.: Химия, пер. с англ.-1976.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-03-98502-р_восток_а)