Исследования триботехнических свойств полимерных материалов в период приработки

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 621.89:541.3 Т.О. Алматаев

Андижанский машиностроительный институт Республика Узбекистан

ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЕРИОД ПРИРАБОТКИ

Аннотация. В статье приведены результаты исследования влияния вида полимеров и режимов трения на продолжительность приработки полимерных материалов при трении с различными материалами. Исследована кинетика изменения величины трибоэлектрического заряда (q), температуры в зоне трения (Т), коэффициента трения (f), высоты микронеровностей (Rz) и радиуса вершин неровностей (r) в период приработки.

Ключевые слова: полимер, режим, трение, период, приработка, триботехника, свойства, материал, температура, коэффициент, износ, высота, микронеровность, радиус, поверхность.

T.O. Almataev

Andizhan machine-building institute, Uzbekistan The Republic of Uzbekistan

RESEARCH OF THE TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF POLYMER MATERIALS DURING THE BREAK-IN PERIOD

Abstract. The article shows the results of the research of the effect of a polymer type and friction modes on the break-in period of polymer materials in condition of friction with different materials. The paper covers the research of kinetics of triboelectric charge change (q), friction zone temperature change (Т), friction coefficient change (f), microroughness height change (Rz), and asperity tip radius change (r). All changes listed above were studied during the break-in period.

Keywords: polymer, mode, friction, period, break-in, triboengineering, characteristics, material, temperature, coefficient, runout, height, microroughness, radius, surface.

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении широкое применение находят полимерные материалы и покрытия, что обусловливается их высокими антифрикционными, антикоррозионными и другими физико-механическими, эксплуатационными свойствами, возможностью регулирования свойств и др.

Наиболее полного эффекта от применения полимерных материалов можно достичь при условии знания и учета комплекса свойств и особенностей поведения полимерных материалов в различных условиях эксплуатации, рационального выбора их для рабочих органов машин.

Широкое применение полимеров и других синтетических материалов в отраслях машиностроения значительно улучшает технико-экономические показатели продукции, снижая их массу, трудоемкость изготовления и себестоимость, а также повышая коррозионную стойкость.

Однако полимерные материалы обладают такими недостатками, как низкая механическая прочность, недостаточная теплопроводность и теплостойкость, высокий коэффициент теплового расширения, гигроскопичность, сравнительно высокая стоимость и дефицитность.

В настоящее время имеется ряд задач, решение которых представляет как научный, так и практический интерес. Недостаточно изучены:

- долговечность машиностроительных полимерных материалов и покрытий на их основе, особенно в начальный период их работы, т.е. в период приработки;

- преждевременное отслаивание покрытий от металлической подложки.

В связи с этим исследования физико-механических и триботехнических свойств полимерных материалов и покрытий, повышение их работоспособности при трении с различными материалами, отвечающие современным требованиям машин и механизмов, является актуальной задачей.

Цели работы:

- исследование закономерностей триботехнических свойств полимерных материалов при трении с волокнистыми материалами, особенно в период приработки;

- определение оптимальных режимов приработки полимерных материалов.

Для достижения этих целей в работе были поставлены следующие задачи:

- изучить триботехнические свойства полимерных материалов при фрикционном взаимодействии с различными парами трения в зависимости от режимов трения;

- определить оптимальные режимы прирабатыва-емости полимерных материалов при трении с волокнистыми материалами

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

К полимерным материалам и покрытиям на их основе, применяемых в рабочих органах машин и механизмов, работающих в зоне трения, предъявляются следующие требования: низкий коэффициент трения, высокий класс чистоты поверхности, низкая интенсивность изнашивания и электризуемость, высокая адгезия к металлу, технологичность, недефицитность и невысокая стоимость.

С учетом функционального назначения, условий эксплуатации, технологичности и недефицитности в качестве объекта исследования были выбраны эпоксидная смола (ЭД), фурано-эпоксидная смола (ФАЭД-20), полиэтилен и пентапласт.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для подготовки поверхности металлических деталей к нанесению полимерных покрытий применяли способ притирки деталей с помощью эксцентриковой ротационной щетки по патенту № 03685 [1].

Определение параметров шероховатости произвели при помощи щупового профилометра и профиллогра-фа типа «Калибр-250».

Триботехнические свойства полимерных материалов и покрытий на их основе определяются на усовершенствованном трибометре, на который был получен патент Республики Узбекистан № 1989 [2].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксплуатационные факторы-давления и скорость скольжения, в экспериментальных исследованиях моде-

лировали как их произведение, т.е. фактор PV. Выбранные значения фактора PV для экспериментальных исследований соответствуют реальным условиям эксплуатации машин и механизмов.

Известно [3; 4], что при трении полимерных материалов с волокнистым материалом в отличие от трения твердых тел процесс фрикционного взаимодействия сопровождается образованием плотности трибоэлектрическо-го заряда и температуры в зоне трения. В большинстве случаев их значения достаточно велики, особенно температуры в зоне трения, что может значительно изменить поверхностные свойства взаимодействующих материалов.

В связи с этим нами исследована кинетика изменения величины трибоэлектрического заряда , температуры в зоне трения (Т), коэффициента трения высоты микронеровностей и радиуса вершин неровностей (г) в период приработки.

На рисунке 1 показано, что для одного класса полимеров продолжительность приработки различна. Например, для полиэтилена и эпоксидного полимера при значении фактора PV = 0,04 МПа* м/с температура и плотность трибоэлектрического заряда в зоне трения в начальный период приработки интенсивно увеличиваются, а затем, достигая максимальной величины (Ттр=312 и 309оК, q=4,4 и 4, 2 * 10-4 Кл/м2), и стабилизируются. Видно, что время, при котором величина исследуемых параметров достигает стабильных значений, зависит от вида и свойств материала покрытий. Так, для стабилизации плотности трибоэлектрического заряда полиэтилена потребовалось (1,2- 1,6)*103 со времени, тогда как это величина для эпоксидных покрытий составляет (2,8 - 3,0)*103 с.

ччом(л/1.г

600 1200 1800 2400 3000 3600 4

ПЭВП -ФАЭД-20 -И-ГГНП -*-ЭД-1в

Рисунок 1 - Зависимость плотности трибоэлектрического заряда полимерных покрытий от продолжительности их приработки, ри =0,04 Мпа* м/с

Стабилизация величины установившейся температуры в зоне трения наблюдается тогда, когда плотность трибоэлектрического заряда имеет уже постоянную величину С увеличением фактора PV максимум установившейся температуры смещается в сторону меньшей продолжительности приработки, т.е. продолжительность приработки уменьшается.

Абсолютная величина установившейся температуры изменяется по-разному, в зависимости от вида материала покрытий (рисунок 2). При PV=0,04 МПа .м/с наибольшее значение температуры в зоне трение наблюдается у полиэтиленовых (314 К) и фурано-эпоксидных (312 К) полимеров, что объясняется их физико-механическими свойствами и структурой.

Тпо 315

290 -1-1-1-1- ,

000 1500 1Э00 2400 300 0 3000

—ПЭВП -ФАЭД-20 -е— ПНП —— ЭД-1В

Рисунок 2 - Зависимость температуры в зоне трения полимерных покрытий от продолжительности их приработки, ри =0,04 Мпа*м/с

Коэффициент трения (^ для эпоксидного полимера в зависимости от продолжительности приработки монотонно увеличивается и после (3,5-4,5) *103 с стабилизируется (рисунок 3). Увеличение коэффициента трения в начальный период приработки, по-видимому, объясняется изменением поверхностных (параметров шероховатости) свойств покрытий, способствующих повышению фактической площади контакта (ФПК) [3; 4; 5], и трибоэлект-рической составляющей силы фрикционного взаимодействия за счет увеличения плотности трибоэлектрическо-го заряда.

I

0.34

600 1200 1300 2430 3000 3600

•ПЭВП -ФА2Д-20 -=-ПИП -ЗИЯЙ

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента трения полимерных покрытий от продолжительности их приработки, ри =0,04 МПа*м/с

Результаты исследования показали (рисунки1-3), что в отличие от эпоксидного покрытия в силу низкой микротвердости и прочности период приработки фурано-эпок-сидных покрытий завершается значительно быстрее, чем эпоксидных. Аналогичные результаты получены для пен-тапластовых и полиэтиленовых полимерных материалов. Причем продолжительность приработки пентапласта меньше, чем из эпоксидного полимера, а фуроно-эпок-сидного полимера больше, чем из полиэтилена.

Как видно из результатов исследований (рисунок 4), существенное влияние на продолжительность периода приработки полимерных материалов оказывает фактор РУ. Увеличение фактора PV приводит к уменьшению продолжительности приработки для всех исследованных по-

лимерных материалов. Например, с увеличением PV от 0,04 Мпа*м/с до 0,1 Мпа*м/с продолжительность приработки для полиэтиленовых и фурано-эпоксидных полимеров снижается от 40*102 и 45*102 с до 18*102с и 28*102 с соответственно.

Г10г.Ф

0,02 0,04 0,06 0.06 0,1 (111

пэвп -=- ФАЭд-го -в- пнп ад-\6

Рисунок 4 - Зависимость продолжительности приработки от энергетического фактора ри

Уменьшение продолжительности периода приработки с увеличением фактора PV объясняется повышением температуры и увеличением плотности трибоэлектриче-ского заряда в зоне трения, приводящие к интенсификации процесса. Установившееся значение исследованных параметров для различных покрытий неодинаково, так например, значения установившегося коэффициента трения для ФАЭД составляет 0,35, а для эпоксидных и пен-тапластовых полимеров - 0,27 и 0,35.

Это объясняется физическим состоянием поверхностного слоя полимерных материалов и его изменением в результате фрикционно-термомеханических воздействий. Следует отметить, что продолжительность периода приработки достаточно хорошо коррелируется температурой стеклования и твердости полимеров. Причем чем больше температура стеклования и микротвердость покрытий, тем больше продолжительность процесса приработки (таблица 1).

Для изучения влияния параметров шероховатости на продолжительность периода приработки нами проведены специальные эксперименты, результаты которых представлены на рисунках 5-6.

140 280 420 560 700

ПЭВП -*-оАЭД-2и —в—ПИП -е-ЭД-1в

Рисунок 5 - Зависимость высоты микронеровностей полимерных покрытий от продолжительности приработки, ри =0,1 МПа*м/с

Параметры шероховатости поверхности полимеров в период приработки изменяется по-разному. Так, при значениях PV= 0,04 Мпа*м/с для всех исследованных полимеров наблюдается уменьшение высоты микронеровностей и увеличение радиуса их вершин, а у полиэтилена -наоборот. А с увеличением фактора PV наблюдается увеличение высоты микронеровностей независимо от материала покрытий, и радиус их вершин изменяется в зависимости от свойств покрытий. При этом для каждого полимера свойственно значительное изменение параметров шероховатости полимерных материалов и покрытий на их основе. Чем больше значение радиуса их вершин, тем меньше установившееся значение высоты неровностей.

350

0 -I-1-

НО 280 420 560 700 М

—¿-ПЭВП ФАЭД-20 -ПНП -Э-ЭО-16

Рисунок 6 - Зависимость радиуса вершин неровностей полимерных покрытий от продолжительности приработки, ри =0,1 МПа*м/с

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведенные экспериментальные исследования показали, что на прирабатываемость полимерных материалов существенное влияние оказывает их структура. Полимерные материалы, обладающие сетчатой структурой (фурано-эпоксидный олигомер) и кристаллизирующиеся (полиэтилен), значительно отличаются по продолжительности периода приработки, несмотря на их практически одинаковые физико-механические свойства (таблица 1). Такие различия периода приработки этих полимеров объясняются тем, что фурано-эпоксидные полимеры со сравнительно высокой температурой стеклования способствуют неравномерному распределению контактных давлений, приводящих к повышению фактической площади контакта (ФПК), в результате увеличивается продолжительность их приработки по сравнению с полиэтиленовым полимером.

На интенсификацию периода приработки полимерных материалов существенное влияние оказывают плотность трибоэлектрического заряда и температура в зоне взаимодействия. Результаты исследования по определению их долевого и доминирующего влияния на приработку приведены в таблицах 2-3. В экспериментах плотность трибоэлектрических зарядов изменяли подбором толщины фторопластовых изоляционных прокладок (от 0 до 50 мм), а температура подачи горячего воздуха непосредственно в зону трения при постоянных режимах трения.

Из таблиц видно, что при меньших значениях фактора PV сильнее влияние величины заряда (таблица 2), а при больших (PV> 0,05 Мпа*м/с) - температуры в зоне трения (таблица 3), приводящей к изменению физического состояния поверхностного слоя покрытий. Причем чем больше значения заряда и температуры, тем быстрее завершается процесс разработки.

Таблица 1 - Зависимость периода приработки и коэффициента трения от физико-механических свойств исследуемых полимерных материалов

Материал Коэффициент трения Модуль упругости, МПа Темп. стеклования, К Микротвердость, МПа Адгезии проч., МПа Время приработки, М0"2,с

ПЭВП 0,40 730 230 68 22 30

ФАЭД-20 0,36 820 310 85 30 40

ЭД-16 0,30 2220 342 192 45 70

ПНП 0,28 1100 298 122 28 56

Примечание: при PV =0,04 Мпа*м/с

Таблица 2 - Зависимость продолжительности приработки КПМ от фактора ри при различных значениях плотности трибоэлектрического заряда

Значения плотности трибозаряда ^*10,Кл/м) Продолжительность приработки ПНП (Р102,с) при различных значениях ри

0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

1,75 51 48 46 45 44,5 44

2,75 49 46 44 43 42 41,5

3,75 47 41,5 38,5 37,5 37 36,5

Таблица 3 - Зависимость продолжительности приработки КПМ от фактора ри при различных значениях температуры в зоне трения

Значения температуры в зоне трения(Т,0 К) Продолжительность приработки ПНП (1*102,с) при различных значениях ри

0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

300 53,5 53 52 50 47,5 44

306 51,5 51 49,5 47 43,5 38,5

312 49,5 48,5 46,5 44 40 33,5

Анализ результатов исследования показывает (рисунки 1-6, таблицы 1-3), что среди исследованных полимерных материалов наименьшее значение продолжительности периода приработки наблюдается у полиэтиленовых и фурано-эпоксидных полимеров. Пентапласт имеет наименьшее установившиеся значение коэффициента трения, несмотря на то, что температура стеклования, модуль упругости и микротвердость у пентапласта выше, чем у фурано-эпоксидных композиций. Это, видимо, связано со структурной особенностью пентапласта, наличием симметрично расположенных хлорметильных групп, которые экранируют основную цепь полимера от внешних воздействий.

ВЫВОДЫ

1 Процесс приработки полимерных материалов при трении с волокнистыми материалами сопровождается изменениями поверхностных свойств полимеров. Эти изменения, в свою очередь, влияют на физико-механические и триботехнические свойства полимеров, особенно в начальный период трения.

2 Через определенное время триботехнические параметры стабилизируется, причем стабилизация по времени происходит по следующей последовательности: сначала стабилизируется плотность трибоэлектрического заряда (q), потом температура в зоне трения (Т ), в конце коэффициент трения (f), т.е. образуется ранжированный ряд q < T < f, не зависящий от вида и свойства материала.

3 На основе анализа результатов исследования в качестве основного фактора, определяющего продолжительности периода приработки полимерных материалов при трении с волокнистыми материалами, выбран коэффициент трения, после стабилизации величины которого процесс приработки считается завершенным, т.е. пара трения полностью прирабатывался.

Список литературы

1 Носиров И. З., Алматаев Т. А., Косимов И. С. Способ притирки

поверхностей детали и притир. Патент Р Уз № 03685. Бюл. № 6, 30.06.2008.

2 Джумабоев А. Б., Алматаев Т. А. [и др.] Дисковый трибометр.

Патент РУз № 1389. 01.12.1994.

3 Негматов С. С. Основы процессов контактного взаимодействия

композиционных полимерных материалов с волокнистой массой. Т. : Фан, 1994. 296 с.

4 Джумабаев А. Б. Методологические основы исследования разработки

антифрикционных материалов рабочих органов машин хлопкового комплекса : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1990. 36 с.

5 Белый В. А., Свириденок А. И., Петроковец М. И. [и др.] Терние и

износ материалов на основе полимеров. Минск : Наука и техника, 1976. 430 с.

УДК 621.763:621.317.42 Н.А. Икромов

Андижанский машиностроительный институт Республика Узбекистан

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

Аннотация. В работе приведены результаты исследования влияния внешнего магнитного поля на физико-механические свойства и структуру наполненных полимерных покрытий.

Ключевые слова: влияние, полимер, покрытия, магнитные поля, физико-механические свойства, напряженность, композит, наполнитель.