Применение полимерных композиций в узлах трения

УДК 667.6

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ

© 2008 г. Н.Б. Владимирская, Э.А. Сухоленцев, Т.В. Сухоленцева

The possibility of chemical and electrochemical modification of jointed surfaces in the friction nodes by aqueous fluorine containing polymers was examined. Antifriction characteristic for different version of friction pare were studied. The conveniences for the using of aqueous fluorine containing polymer compositions in the friction pare were established.

Одной из актуальных проблем современного машиностроения является повышение надежности и долговечности конструкций. Этому способствует создание композиционных материалов и покрытий с заданными трибологическими характеристиками, обеспечивающими стабильную работу узлов трения и отвечающими современным экологическим требованиям.

Среди антифрикционных материалов наиболее эффективными в настоящее время являются композиционные покрытия на основе органопласта, представляющего собой полимерное волокно, включающее армирующий каркас из полиимидных и поли-феновых волокон и матричное фенолкаучуковое связующее. Однако, несмотря на высокие износостойкость и самосмазываемость, прочностные свойства технических тканей остаются сравнительно низкими [1]. Существенным резервом повышения прочностных характеристик является создание на поверхности органопластового покрытия модифицирующего слоя, адгезионно прочно с ним связанного.

Исходя из того, что по антифрикционности лучшие результаты показывают полимер — полимерные пары [2, 3], а также учитывая, что стабильность их работы определяется состоянием обеих соприкасающихся поверхностей [4], исследования проводили в двух направлениях: модифицировали поверхности как тела, так и контртела. В качестве общего модификатора трущихся поверхностей использовали фторполимер в чистом и в наполненном виде. Выбор для этих целей фторполимеров обусловлен их стабильно низким коэффициентом трения в широком диапазоне температур [5], а также наличием в органопласте полифеновых волокон, что обеспечивает на его поверхности прочную адгезионную связь с модифицирующим слоем.

Модификация поверхностного слоя композиционного покрытия на основе органопласта

Фторполимеры для модификации поверхностного слоя органопласта применялись как самостоятельно, так и в смеси с коллоидным графитом, способствующим увеличению прочности и антифрикционности покрытий. Содержание графита и фторполимера в композиции варьировалось от 5 до 10 и 15 % (по массе) соответствен-

но. Трибологические испытания исходных и модифицированных органопластов проводили по методике, соответствующей ГОСТ 23.211—80, на специальной установке «ФК», сконструированной РГУПС [3]. Результаты сравнительных три-бологических испытаний приведена в табл. 1.

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, наличие на поверхности органопласта модифицирующего фторполимерного слоя приводит к снижению коэффициента трения как в момент стра-гивания, так и в процессе приработки. Еще больший эффект наблюдается с введением в модифицирующий состав графита. Слои модификатора после испытаний не разрушены. Состояние поверхности в зоне трения указывает на их значительную адгезию к внешней поверхности органопласта за счет прочного межфазного взаимодействия модификатора со всеми составляющими органопласта.

Модификация поверхности контртела

Модификация поверхности контртела осуществлялась в водной фторполимерной композиции, наносимой электрохимическим способом, позволяющим получать по всей конфигурации контртела равномерные по толщине и составу пленки. Биндером в такой композиции служил водоразбав-ляемый карбоксилсодержащий олигомер. Для наполнения композиции использовали дисульфиды молибдена и сурьмы (MoS2 и Sb2S5), нитрид бора (В^, аэросил ^Ю2), алюмосиликатный наполнитель типа ГРЭС и полиамид ПА—6. Изучение три-бологических характеристик проводилось на машине трения МИ—1 по схемам: 1) ролик по ролику и 2) ролик-вкладыш. Электрохимическое покрытие наносили по схеме 1— на рабочую поверхность верхнего ролика, по схеме 2 — вкладыша. Образцы для испытаний по схеме 1 изготавливались из стали 16Х16Н3МАД. По схеме 2 — материал ролика— сталь 18ХГТ, вкладыша— сталь 35Х.

Как видно из табл. 2, наиболее низкие коэффициенты трения при испытании по схеме 1 в устно-вившемся режиме (наибольшее контактное давление 240 МПа, скорость скольжения— 0,036 м/с) наблюдаются у пар трения, на верхний ролик которых нанесено электрохимическое покрытие из водных фторполимер-олигомерных композиций, наполненных MoS2 и В^ а также ПА—6 и

Таблица 1

Трибологические характеристики исходного и модифицированного органопласта

Органопласт Удельная нагрузка, МПа Коэффициент трения по стали Время приработки, ч

в момент страгивания после приработки

Исходный 40 60 160 0,13-0,16 0,12-0,15 0,09-0,10 0,08-0,09 0,07-0,09 0,06-0,08 3,0-4,0 3,0-3,5 2,0-3,0

Модифицированный фторполимером 40 60 150 0,08-0,09 0,06 0,05 0,07 0,06 0,04 0,75-0,80 0,90 0,60-0,66

Модифицированный фторполимером + графит 40 60 160 0,06 0,04 0,03 0,05 0,04 0,03 0,20 0,43 0,25

Таблица 2

Триботехнические свойства покрытий

Покрытие на Коэффициент трения

поверхности верхнего Начало Установившийся

ролика + олигомер испытании режим

1. Фторполимер 0,190 0,110

2. Фторполимер+ MoS2 0,060 0,055

3. Фторполимер+ГРЭС 0,100 0,080

4. Фторполимер + BN 0,060 0,040

5. ПА-6 + BN 0,069 0,052

6. Фторполимер + MoS2 + BN 0,061 0,045

7. Фторполимер + M0S2 + Sb2S5 0,101 0,90

8. ПА-6 + MoS2 0,127 0,101

ные по схеме 2, также показали наименьший коэффициент трения при постоянных нагрузках.

Введение с олигомером фторполимера и MoS2 в обоих случаях (см. табл. 2 и 3) показало несколько худшие результаты, вероятно, из-за присутствия влаги, способствующей окислению MoS2 при фрикционном взаимодействии поверхностей трения. Этот процесс, согласно [6], способен влиять на абразивный износ поверхности, что приводит к возрастанию коэффициента трения.

При исследовании несущей способности пар ролик—вкладыш отмечено, что наименьший коэффициент трения (0,05—0,07) имеют пары, рабочая поверхность вкладышей которых модифицирована композицией с чистым фторполимером, фторполимером +3% MoS2 и фторполимером+ + SiO2 (рис. 1). Однако у первых двух пар (рис. 1, кривые 1, 2) предельно допустимое давление невысоко (~ 30 МПА), а у пары с модифицирующей добавкой фторполимер +SiO2 (рис. 1, кривая 5) несущая нагрузка увеличивается до 70 МПа, но при этом монотонно возрастает коэффициент трения с 0,050 до 0,220. Наиболее вы-

Отмечена хорошая адгезия покрытий с металлической основой, а также частичный перенос модифицирующей добавки на нижний ролик, благодаря чему обеспечивается низкий коэффициент трения.

Таблица 3

Зависимость величины коэффициента трения от нагрузки и состава модифицирующей добавки покрытия вкладыша

Покрытие на рабочеИ поверхности вкладыша олигомер+ Коэффициент трения при нагрузках

5,6 МПа 8,0 МПа

Фторполимер + MoS2 + BN 0,129 0,100

Фторполимер+ MoS2 0,209 0,141

Пары трения с вкладышем, на поверхность которого нанесено покрытие состава 6, испытан-

сокую несущую способность (до 75 МПа) показала пара трения, вкладыш которой модифицирован покрытием из композиции олигомер + +фторполимер +MoS2+BN, коэффициент трения при этом остается относительно стабильным.

2,50 X 2,00

и

s

§ 0,50 m о ü

0,00 0

00

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от удельной нагрузки и состава модифицирующей добавки: 1 — фторполимер; 2 — фторполимер +3 % (по весу) MoS2; 3 — фторполимер +20 % (по весу) MoS2; 4 — фторполимер +9 % (по весу) MoS2;

5 — фторполимер +SiO2;

6 — фторполимер +MoS2+ BN

Повышение концентрации MoS2 с 3 до 20 % (по массе) (рис. 1, кривые 2, 3, 4) приводит к последовательному росту коэффициента трения с 0,059 до 0,140 и стабильной работе пар до достижения предельно допустимого удельного давления (45 и 50 МПа). Увеличение несущей способности, вероятно, связано с тем, что часть MoS2, не связанного адсорбционно с олигомером, выкрашивается с поверхности покрытия и в зоне трения работает как самостоятельная смазка. Оптимально содержание MoS2 в покрытии составляет 9 %. При таком наполнении покрытия коэффициент трения во времени снижается в большей степени, чем при работе пары, на поверхность вкладыша которой нанесено фторполимер-олиго-мерное покрытие без наполнения (рис. 2).

На долговечность покрытия, как известно [3], влияют не только режимы трения, но и шероховатость контактирующей с ним металлической поверхности. В исследуемых случаях чистота рабочей поверхности ролика после испытаний заметно не изменилась. Среднее отклонение профиля до и после испытаний составило 0,88—0,32 мм, что соответствует 7—8 классу шероховатости.

Рис. 2. Изменение коэффициента трения во времени: 1 — модифицирующая добавка фторполимер и MoS2; 2 — фторполимер

Фрикционные характеристики модифицированных органопластиков в паре трения полимер-полимер

С учетом ранее полученных результатов по изучению трибологических свойств модифицирующих составов в паре трения полимер—металл исследовались трибологические параметры в парах трения полимер-полимер. Результаты сравнительных испытаний показали (табл. 4), что пары трения полимер-полимер работают значительно лучше пар трения полимер— сталь: снижается коэффициент трения, а также уменьшается время приработки.

Таблица 4

Трибологические характеристики пар трения полимер-полимер

Органо-пласт Средняя толщина, мм Удельная нагрузка, МПа Коэффициент трения по полимерному слою контртела Время приработки, ч

в момент страгивания после приработки

Исходный 0,28-0,29 40 60 160 0,10-0,12 0,08-0,09 0,06-0,07 0,07-0,08 0,07-0,08 0,05-0,06 2,0-3,0 2,0-3,0 1.5-2,0

Модифи-

цирован- 40 0,05 0,05 1,0

ный 21-23 • 10-7 60 0,05 0,05 0,75

фторполи- 160 0,04 0,04 0,50

мером

Удельная нагрузка, МПа

Время, ч

Толщина электрохимического покрытия на контртеле 18-20 мкм, V = 0,0015 м/с, г = 23-24 °С.

Таким образом, в результате исследования трибологических свойств различных пар трения установлена целесообразность применения водных полимерных композиций для поверхностной химической и электрохимической модификации сопряженных поверхностей в узлах трения.

Литература

1. Кохановский В. А. // Управление. Конкурентоспособность. Автоматизация.— 2003.— № 1.— С. 73.

2. Барчан Г. П. , Смоленский Ю. Э. // Повышение надежности и долговечности узлов трения в строительстве транспорта и путевых машинах:

сб. научн. тр.— Ростов-на-Дону, 1989.— Вып. 1.-С. 10.

3. Евдокимов Ю. А. , Мороз К. К. , Сухоленце-ва Т. В. , Фокин И. Н. , Сухоленцев Э. А. // Трение и износ.— 1981.— Т. 11, № 2.— С. 610.

4. Трибоэлектрохимический словарь /Ф.И. Кукоз, М.М. Мамаев, В.Ф. Кукоз, Н.М. Мамаев; под ред. проф. Ф. И. Кукоза. ; Юж. -Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).— Новочеркасск: УПЦ «На-бла», ЮРГТУ (НПИ), 2004.— 320 с.

5. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена: обзор. информ.- М.: НИИ-ТЭХИМ, 1980.— 26 с.

6. Цеев Н. А. Материалы для узлов сухого трения, работающих в вакууме: справочник /Н. А. Цеев, В. В. Козелкин, А. А. Гуров.— М.: Машиностроение, 1991.— 187 с.

НИИ физической и органической химии

Южного Федерального университета, г. Ростов-на-Дону 5 июня 2008 г.

УДК 669.295

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОЙ ФАЗОВОЙ РАЗУПОРЯДОЧЕННОСТИ В МЕТАЛЛООКСИДНОМ АКТИВНОМ ПОКРЫТИИ ТИТАНОВОГО АНОДА

© 2008 г. Ж.И. Беспалова, В.В. Иванов, И.В. Смирницкая, Л.Н. Фесенко, Ю.Д. Кудрявцев

The authors have examined structural characteristics of the phases of titanium anode active coat on the basis of cobalt and manganese oxides, electrically precipitated from water solutions of their salts . It has been assigned that the structure of the investigated oxides of the metals or solid solutions on their basis are characterized by the tightest packing of atoms with rutile and corundum structures or rutile and spinel structures

Введение

Направленный синтез тонких пленок заданного состава и кристаллической структуры на поверхности металлов и сплавов актуален для современной техники и технологий. Представляет интерес формирование анодных слоев на титане, содержащих наряду с ТЮ2 не только соединения благородных металлов, но и оксиды переходных и редкоземельных металлов, например, Со3О4, Мп02, Fe3O4 РЬ02, сложные оксиды со структурой шпинели и т.д. [1]. Электрофизические и электрокаталитические свойства анодов на основе оксидов неблагородных металлов во многом определяется такими специфичекими факторами, как степень и характер нарушения стехиометрии, тип и природа структурных дефектов, особенности транспорта носителей тока, особенности электронного строения приповерхностного слоя и др.

С целью выяснения специфики титановых анодов с металлооксидным покрытием (Пк) на основе оксидов кобальта и марганца в данной работе проведено исследование структурных ха-

рактеристик фаз, которые несомненно будут оказывать влияние на течение анодных реакций.

Методика эксперимента

Подготовку поверхности титановых пластин марки ВТ 1—0 (общей геометрической поверхностью 8 см2) проводили по [2]. Предварительно подготовленную поверхность титана погружали в электролит, содержащий соли кобальта и марганца. Электролитически активное Пк на поверхность титана электроосаждали при плотности тока 0,2—0,03 А/см2, рН 4, температуре 87 °С в течение 60 мин. Противоэлек-троды— нержавеющая сталь. Полученное Пк обжигали на воздухе при 380 °С. На поверхности титана получали активное Пк толщиной 10 мкм.

Исследование морфологии, фазового состава и структуры полученных Пк осуществляли с помощью сканирующего микроскопа QUANTA 200, рентгеноспектрального микро-