Обоснование процесса получения композиционных антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными техническими характеристиками методом химического наноконструирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование процесса получения композиционных антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными техническими характеристиками методом химического нано-конструирования

Дерлугян Ф.П., Щербаков И.Н.

ФГУП ОКТБ «Орион», г. Новочеркасск

Основным критерием надежности и долговечности работы машин и механизмов является работоспособность трущихся пар, представляющих собой подшипниковые узлы скольжения. Износ движущихся элементов приводит к преждевременному выходу их из строя. Для создания надежной техники требуется наличие износостойких материалов и покрытий, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в различных средах, и климатических условиях. Данную проблему усугубляет еще и тот факт, что эти материалы работоспособны в узлах трения только при наличии в зоне контакта смазок и масел. Смазки при нарушении герметичности узлов загрязняют окружающую среду, пагубно влияя на флору и фауну, а сами материалы должны быть стойкими к действию биологически активных сред, какими являются активно развивающиеся биологические объекты и особи.

Создать универсальный материал, работоспособный в узлах трения без смазки и обладающий широким спектром физико-механических, теплофизических и триботехнических свойств не представляется возможным. Однако разработать материал с комплексом определенных свойств для конкретного узла трения стало возможным за счет применения композиционного подхода при формировании будущего материала.

Так возникла необходимость в наличии широкого круга антифрикционных самосмазывающихся композиционных материалов с заданными свойствами. Анализ данной проблемы показывает, что в стране нет производств, обеспечивающих в достаточном объеме такими материалами современное машиностроение. Многообразие матричных связующих материалов, наполнителей и многофункциональных добавок позволяет направленно регулировать свойства разрабатываемых композитов.

Комплекс теоретических, научно-исследовательских, экспериментальных, конструкторских и технологических работ, объединенных для реализации процесса модификации свойств известных полимерных материалов, рассматривается нами как процесс химического наноконструирования композиционных самосмазывающихся материалов с заданными техническими характеристиками. Основные элементы процесса объединены в схему, представленную на рис.1. Главным этапом данного процесса является обоснование выбора исходных компонентов и их влияние на свойства полученного полимерного композита.

Полимерная основа композита. Целесообразность использования полимеров в машиностроении в качестве матрицы конструкционных материалов антифрикционного назначения обусловлено следующими факторами: низким в сравнении с металлами коэффициентом трения; высокой для конструкционных материалов удельной прочностью (отношение прочности к плотности); способностью воспринимать упругие деформации, препятствующие образованию адгезионного сцепления в зоне трения полимер-металл; стойкостью к действию многих агрессивных по отношению к металлам жидких и газообразных сред; стойкостью к действию абразивных частиц, которые внедряясь в полимерный материал, предотвращают узлы трения от заеданий и задиров; способностью гасить колебания, что снижает шумовые эффекты при трении, поглощает вибрацию, вызывающую фретинг-коррозию; снижением веса подшипниковых узлов вследствие низкого удельного веса: снижением металлоемкости и экономии цветных металлов; технологичностью переработки в изделия; возможностью образовывать композиты с прогнозируемыми свойствами.

Полимеры обладают и рядом свойств, ограничивающих область их применения. К ним можно отнести: склонность к старению и биоповреждениям; деформирование под нагрузкой; сравнительно невысокую теплостойкость, низкие теплофизические характеристики; высокое водопоглощение, нестабильные триботехнические характеристики.

Рис.1. Схема химического наноконструирования композиционных полимерных антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными ТХ

Расширение сферы использования полимеров ведется в двух направлениях [1]. Первое - синтезирование новых полимерных материалов с заданными свойствами. Этот путь сложен и требует значительных материальных затрат на научные исследования и организацию производства. Второе - это модификация свойств известных типов полимеров. Наиболее доступным и приемлемым видом модификации является создание композиционных материалов, представляющих собой многокомпонентную систему, способную изменить первоначальные свойства полимера.

Опыт применения полимерных материалов в узлах трения машин показывает, что основой композита для антифрикционных материалов могут являются: полиамиды, полиолефины, фторопласты, пентапласты (ПБО), эпоксидные смолы. В табл. 1 приведены свойства данных полимеров [2]. Из них широко используют термопластичные материалы полиамидной группы [3].

Таблица 1

К наиболее распространенным алифатическим полиамидам,

производимым в промышленном масштабе, относятся:

- полигексаметиленадипинамид - (Полиамид 66)

[-HN(CH₂)₆NHCO(CH₂)₄CO-]_n

- полигексаметиленсебацинамид - (Полиамид 610)

[-HN(CH₂)₆NHCO(CH₂)₆CO-]_n

- поли-Е-капромид - (Полиамид 6)

[-HN(CH₂)₅CO-]_n

- поли-W-энантоаамид - (Полиамид 7)

[-HN(CH₂)₆CO-]_n

- поли-W-ундеканамид - (Полиамид 11)

[-HN(CH₂)₁₀CO-]_n

- полидодеканамид - (Полиамид 12)

[-HN(CH₂)₁₁CO-]_n

Свойства их изменяются в широких пределах в зависимости от структуры. Молекулы полиамидов в твердом состоянии имеют конформацию плоского зигзага. Максимальная степень кристалличности зависит от симметрии звеньев и от регулярности их расположения в макромолекуле. Физико-мемеханические свойства полимеров представлены в табл. 2 [2].

Таблица 2.

Расширение сферы их применения привело к изысканию путей и средств управления структурой поверхностных слоев трибосистем на наноуровне.

Пластификация полимеров.

Теоретические основы создания полимерных самосмазывающихся материалов были заложены проф. Кутьковым А.А. и продолжены его учениками в научно-производственном центре ОКТБ «Орион» [4].

Процесс пластификации сопровождается введением в полимеры многофункциональных пластификаторов, повышающих эластичность и пластичность материала при переработке и эксплуатации. Непременным условием пластификации является термодинамическая совместимость пластификатора с полимером, которая зависит от их природы. На практике широко применяют как хорошо совместимые, так и ограниченно совместимые с полимером пластификаторы. [5]. Свойства системы полимер-пластификатор зависят от способа пластификации.

Различают внешнюю (межпачечную) и внутреннюю пластификации [6]. Непременным условием внешней пластификации является совместимость полимера с пластификатором. Молекулы пластификатора уменьшают силы межмолекулярного взаимодействия между цепями полимера, частично замещая связи звеньев макромолекул. Молекулы пластификатора раздвигают полимерные цепи и окружают их, образуя промежуточные слои. Цепи полимера становятся более гибкими, эластичными, что и сказывается на повышении пластичности полимера. Внутренняя пластификация сопровождается химической реакцией, в результате которой изменяется структура самой цепи полимера. Это приводит к ослаблению межмолекулярных связей между крупными элементами надмолекулярной структуры. Пластификатор не способен равномерно распределяться в объеме полимера, а действует на границе раздела между элементами, изменяя механические и термодинамические свойства.

Если количество введенного в полимер пластификатора превышает концентрацию, соответствующую равновесному пределу его совместимости с полимером, то избыток пластификатора может выделяться из системы в процессе эксплуатации материала, особенно при воздействии внешних факторов. Была предложена модель «выпотевания» пластификатора из объема полимера на поверхность трения при повышении температуры в зоне локального фрикционного контакта с металлом. Данная модель и послужила началом создания нового класса самосмазывающихся пластмасс.

Технология химического конструирования самосмазывающихся полимерных композиций [7] предусматривает высокую пластификацию полимерной матрицы. Известно, что для процесса пластификации полимера достаточно введение от 3 до 7% пластификатора. Чтобы одновременно придать полимеру и свойства самосмазывания необходимо ввести в матрицу до 20% пластификатора-смазки. Веществами, способными одновременно быть пластификатором для полимера и образовывать на поверхностях трения полимер-металл смазочные пленки, являются высшие жирные кислоты (олеиновая, стеариновая, рицинолевая), масла их содержащие (хлопковое, маисовое, касторовое), а также спирты, эфиры и др. соединения, имеющие дифильное строение (полярная группа и длинная углеродная цепь). Возможность введения этих компонентов в качестве пластификатора в расплав полиамидов при полимеризации обусловлено многими факторами, основным из которых является температурная совместимость расплава полимера и пластификатора. Температурный диапазон переработки полиамидов представлен в табл. 2. Из многообразия отечественных смазочных материалов, содержащих в своем составе высшие жирные кислоты и сохраняющих смазочные свойства при этих температурах, можно выделить масла и технические жидкости, представленные в табл. 3. Однако следует учитывать, что смазочные свойства синтетических жидкостей ниже, чем у масел.

Таблица 3

Для авиационного масла нагрузка заедания составляет 600-800 Н, а для ПФМС-4 она не превышает значения 100 Н. Жидкие смазочные материалы не всегда удается ввести в нужном количестве в полимер на стадии его переработки в изделия. Возможны случаи отделения масла от расплава полимера, неравномерное его распределение в объеме. Наиболее перспективным стало использование пластичных смазок, состоящих из смеси минеральных и синтетических масел, стабилизированных мылами высших жирных кислот или другими загустителями.

На машине трения были проведены сравнительные испытания смазочной способности отобранных пластичных смазок, результаты которых представлены в таблице 4. В качестве критериев оценивались: несущая способность смазки (критическая нагрузка заедания), антизадирные, антиизносные и антифрикционные свойства.

химический композиционный полимерный смазочный

Таблица 4

Наилучшей смазочной способностью обладает смазка № 158, которая и была опробована в качестве смазки-пластификатора при химическом наноконструировании самосмазывающегося композита. Однако при эксплуатации пар трения в экстремальных условиях образующиеся смазочные слои между полимером и металлом могут разрушаться. Это приводит к резкому локальному повышению коэффициента трения, поверхностному разогреву, схватыванию поверхностей, а в дальнейшем к деструкции полимера и выходу из строя узла трения.

При прорыве смазочной пленки роль последней могут выполнять твердые смазочные материалы (ТСМ), имеющие высокие триботехнические характеристики и исключающие задир при пуске и остановке высокоскоростных узлов трения [8].

Твердые смазочные материалы. По механизму смазочного действия их можно разделить на две группы. Смазки первой группы модифицируют химически поверхности трения. Пленки, образующиеся вследствие химической реакции, снижают коэффициент трения, износ и предотвращают схватывание. К таким ТСМ прежде всего следует отнести йодистые соединения металлов, фосфаты, хлориды и некоторые окислители.

К смазкам второй группы относятся вещества, химически не взаимодействующие с поверхностями трения. Обладая слоистой структурой, они проявляют высокие антифрикционные свойства. К этой группе относят графит, дисульфиды молибдена и вольфрама, нитрид бора, фталоцианин меди, слюду, тальк и др. Их влияние в качестве добавок на смазочную способность смазок изучено достаточно полно [8,9]. Наибольшее распространение в качестве твердых смазочных материалов получили первые два - это графит и дисульфид молибдена.

Механизмы смазочного действия ТСМ имеет ряд противоречивых представлений. Объясняется это сложностью процессов, происходящих на атомном и молекулярном уровнях в частицах твердой смазки при трении. И графит и МоS₂ обладают слоистой структурой. Атомы углерода в графите размещены в правильных шестиугольниках и связаны прочными ковалентными связями. Легкость сдвига между слоями, расположенными на значительном расстоянии друг от друга, объясняется их слабыми связями. Была попытка аналогичного объяснения смазочной способности и МоS₂ . Однако при сопоставлении эффективности смазочного действия графита и МоS₂ в различных средах и климатических условиях были обнаружены различия в характере их действия. Так графит проявляет свои лучшие смазочные способности на воздухе, в присутствии влаги, паров воды, различных загрязнений, в сравнительно легких режимах работы узлов трения. Насыщая поверхностные слои графита, они способствуют его лучшей адгезии к сопрягаемым поверхностям и обеспечивают при трении скольжение по разрываемым слабым связям между слоями. МоS₂ не обеспечивает смазочные свойства во влажной атмосфере, а проявляет наилучшую смазочную способность при работе в тяжелых режимах трения, а также в вакууме и инертных газах (рис.2).

Объяснение такому явлению было выдвинуто в гипотезе о конформационных переходах в кристаллических структурах с тригонально-призматической координацией атомов, к которым относится и структура МоS₂ [10]. Высокая смазочная способность МоS₂ объясняется не за счет скольжения одного слоя относительно другого, а за счет конформационных превращений в поверхностном слое кольца с тригонально - призматической координацией атомов молибдена и серы из оной конформации (выпуклой) в другую (вогнутую) через плоскую конформацию. В условиях повышенных нагрузок, скоростей, температур, в среде инертных газов роль структурно-кинетического механизма скольжения в поверхностном слое МоS₂ возрастает.

Противоположное действие на смазочные свойства графита и МоS₂ окружающей среды и условий использования дало предпосылку к формированию комплексной твердосмазочной добавки, содержащей смесь графита и МоS₂ и предназначенной для работы в переходных режимах эксплуатации, в т.ч. воздух - вакуум. Механизм совместного действия смеси графита и МоS₂ можно условно разбить на этапы:

1.При работе узла трения в легком, кратковременном режиме

( при малых нагрузках и скоростях) в присутствии кислорода, во влажном воздухе, в интервале температур от минус 40 до плюс 40⁰С - свои лучшие смазочные свойства проявляет графит.

2.При работе узла в тяжелом режиме, при высоких нагрузках и скоростях, когда в зоне трения происходит значительный разогрев и испарения паров воды, а также при работе в вакууме и др. инертных газах лучшие смазочные свойства проявляет МоS₂.

3.В промежуточных режимах работы узла трения, а также в переходных режимах воздух-вакуум возможно проявление совместного смазочного действия графита и МоS₂.

Учитывая, что триботехнические свойства композиционного полимерного материала будут во многом определяться совместным действием пластификатора (смазки) и твердых смазочных наполнителей, то очевидным является общая оценка их смазочной способности.

Исследования по влиянию твердых смазочных материалов на свойства пластичных смазок [9] показали, что введение в смазки до 10% наполнителей не изменяет их реологических свойств. Были проведены исследования ТСМ (графит марки С-1 и МоS₂ марки МВЧ-1) на смазочную способность пластичной смазки №158 при массовой доле 3; 5 и 10 %. Смазочная способность композиций оценивалась по критической нагрузке заедания и коэффициенту трения (табл.5).

Таблица 5

Лучшую смазочную способность проявила пластичная смазка с добавлением 5% наполнителя. Это количество и было принято при формировании комплексной твердосмазочной добавки, состоящей из смеси графита и МоS₂. При проведении экспериментов нами изменялось соотношение компонентов. Наилучшие результаты проявила смесь в которой на каждые 100 вес. % графита добавлялось 25 вес. % МоS₂. В целом смазочная способность автомобильной смазки №158 улучшилась более чем на 40 %.

Получение композиционного материала. После теоретического обоснования выбора исходных компонентов в виде связующего, многофункционального пластификатора и комплексной твердосмазочной добавки, осуществляя поэтапный процесс химического наноконструирования, представленного на рис. 1, нами был получен композиционный полимерный антифрикционный самосмазывающийся материал, обладающий улучшенными триботехническими свойствами по сравнению с полиамидом П-610 (табл. 6). В 4 раза увеличился фактор работоспособности, в 2 раза снизился коэффициент трения, увеличилась гидрофобность композиции, а также улучшились и др. показатели, в частности коэффициент теплопроводности и коэффициент линейного термического расширения. Созданный композиционный антифрикционный самосмазывающийся материал расширил возможную область применения исходного полимера.

Выводы

1.Практически подтверждена предложенная схема химического наноконструирования полимерных композиционных материалов с регулируемыми техническими характеристиками. Схема представляет собой законченный цикл, включающий научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технологические работы, начиная от составления ТЗ на материал с требуемыми техническими характеристиками до эксплуатации разработанного материала в узле трения машины.

Таблица 6

2. Данная схема может быть применима при создании композиционных износостойких металлических покрытий с заданными свойствами, обеспечивающих требуемый ресурс работы в агрессивных жидкостях и газах.

3.Существенно расширена область применения композиционных материалов в трибосопряжениях, обеспечивающая работоспособность в экстремальных условиях эксплуатации при высоких нагрузках, скоростях, температурах, различных средах и климатических условиях.

4.Предложено применение в композиционных антифрикционных материалах комплексной твердосмазочной добавки на основе графита и молибденита с целью обеспечения смазочной способности материала в переходных режимах эксплуатации.

5.Работа выполнялась в рамках гранта Президента РФ № МК-1859.2010.8 для государственной поддержки молодых ученых

Список литературы

1.Белый В.А. Проблемы создания композиционных материалов и управление их фрикционными свойствами // Трение и износ. Минск: Наука и техника. 1982, т.3, с.389-395

2.Николаев А.Ф. Технология пластических масс / М.: Химия. 1990, 368 стр.

3.Полимеры в узлах трения машин и механизмов: Справочник / Под ред. А.В. Чичинадзе.// М.: Машиностроение. 1980. 208 с.

4.Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия / М: Машиностроение , 1976, 152 стр.

5.Энциклопедия полимеров. М.: 1974, т 2., 1032 стр.

6.Брацихин Е.А., Шульгина Э.С. Технология пластических масс. Л.: Химия,1982, 324 стр.

7.Конструирование антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами / П.Д.Дерлугян, В.Т.Логинов, А.С.Сухов, И.Д.Дерлугян // Известия СКНЦ ВШ. Технические науки. Ростов-на-Дону,1987, №3, с.61-67

8.Твердые смазки: опыт применения и перспективы / В.Н.Пучков, А.П. Семенов, В.Т.Павлов // Трение и смазка в машинах и механизмах. М: Машин., №11,2007, с.36-46

9.Фукс И.Г. Добавки к пластичным смазкам./ М.: Химия, 1982

10.Псевдовращение и конформацимонные переходы в кристаллических структурах с тригонально-призматической координацией атомов / В.А.Щеголев, И.Д.Дерлугян, П.Д.Дерлугян // Структурная химия. Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1987, т.28 №2, с.86-90.

Размещено на Allbest.ru