Антифрикционные металлополимерные материалы для строительных машин, механизмов и транспорта,эксплуатируемых в условиях российского Севера и Арктики

УДК 620.178: 621.384.5

В.Н. КОРНОПОЛЬЦЕВ, канд. техн. наук, Д.М. МОГНОНОВ, д-р хим. наук, О.Ж. АЮРОВА, канд. техн. наук

Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН

Антифрикционные металлополимерные материалы для строительных машин, механизмов и транспорта, эксплуатируемых в условиях российского Севера и Арктики*

Рассмотрена возможность увеличения эксплуатационных параметров листовых антифрикционных материалов при изменении состава композиций на основе политетрафторэтилена и повышения адгезионной связи полимерной композиции с металлическими подложками. Анализ триботехнических показателей обеспечит достоверный скрининг сроков эксплуатации строительных машин, механизмов и транспорта в различных климатических условиях, в том числе российского Севера и Арктики.

Ключевые слова: политетрафторэтилен, дисперсные наполнители, композиты, трение, износ.

V.N. KORNOPOL'TSEV, Candidate of Science

Baikal Institute of Nature Management Siberian Branch of the Russian Academy of Science

Antifriction Metal-Polymer Materials for Construction Equipment, Machinery and Transport Operated in the Conditions of the Russian North and the Arctic*

The possibility of increasing of the operating parameters of sheet antifriction materials at change of composition of composites based on polytetrafluoroethylene and enhance of the adhesive bond of the polymer composites to a metal substrate are considered. Analysis of the tribological characteristics ensures reliable screening of the dates of operation of construction machinery and transport in different climatic conditions, including the Russian North and the Arctic. Keywords: polytetrafluoroethylene, particulate fillers, composites, friction, wear.

Проблема износа и отказа строительной техники, оборудования и транспорта, эксплуатируемых в зимний период в условиях Крайнего Севера и Сибири, во многом связана с низкой работоспособностью смазочных материалов. С увеличением парка крупнотоннажной техники, различного строительного оборудования и транспорта при освоении северных районов возникает необходимость альтернативных материалов, способных работать без смазки.

Одним из перспективных подходов при создании самосмазывающихся материалов является металлокера-мический способ формирования на стальной подложке пористого бронзового слоя толщиной 0,25—0,3 мм, поры которого заполнены композитом на основе различных полимерных материалов и дисперсных наполнителей [1]. При этом появляется возможность получения пористого слоя бронзы и полимерных композиций разнообразных составов. Такие листовые металлополимерные материалы работоспособны в широких интервалах температуры и нагрузок, обладают жесткостью стальной основы, теплопроводностью пористого бронзового слоя, высокими антифрикционными свойствами полимерных композиций, и могут использоваться в узлах трения в виде подшипников, опор скольжения, направляющих и т. п. в строительной отрасли при различных климатических условиях, в том числе российского Севера и Арктики.

Ранее [2, 3] был предложен кассетный способ получения листовых комбинированных материалов путем

применения бронзолатунных сеток для формирования пористого бронзового слоя, свободное пространство которого заполнено полимерным композиционным материалом.

В настоящее время ассортимент возможных полимерных композиций достаточно широк, однако с позиций триботехнического назначения в широком температурном диапазоне эксплуатации (+240 —200оС) наибольший интерес представляют полимерные композиции на основе политетрафторэтилена (фторопласт, ПТФЭ) [4, 5].

Цель настоящей работы — разработка состава и технологии получения листовых антифрикционных метал-лофторопластовых материалов (ЛМФМ), изучение их триботехнических и деформационно-прочностных показателей.

В качестве основы ЛМФМ использовали низкоуглеродистую сталь (Ст10 или Ст20) толщиной 1 мм. В качестве пористого слоя использовали бронзолатунную сетку (ГОСТ 3583—73). Поры бронзового слоя заполняли прямым прессованием композиционной шихтой на основе ПТФЭ марки ПН (ГОСТ 10067-86) и наполнителей: свинец марки ПСА (ГОСТ 16138-78), диоксид свинца (ГОСТ 4616-78) и коксографитовая (КГ) мука, полученная путем размола компонентов в шаровой мельнице. Термообработку изделий выполняли при 367-377оС.

Испытание на износ проводили по схеме вращающийся вал-неподвижный вкладыш

*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президиума РАН 44 П «Поисковые фундаментальные исследования в интересах развития арктической зоны Российской Федерации».

*This work was financially supported by a grant of the Presidium of Russian Academy of Sciences 44 P «Search fundamental research in the development of the Arctic zone of the Russian Federation».

на машине трения СМТ-1. Время непрерывной работы машины составляло 3—15 ч. В качестве контртела использовали втулку из стали Ст45 ^вн^н=22:38 мм, h=35 мм) с диффузионно-борированным покрытием по способу [6], Ril=0,63. Температуру образца измеряли с обратной стороны вкладыша хромель-копелевой термопарой. Линейный износ Ah определяли как разницу толщины вкладыша до и после испытания на микрометре МТ. Данные экспериментов представлены как среднее арифметическое из пяти образцов для каждого изделия.

Прочность при сдвиге определяли на универсальной электромеханической испытательной машине Instron 3367.

При выборе дисперсных наполнителей для ПТФЭ с целью увеличения допустимой скорости скольжения ЛМФМ остановились на порошковом свинце, который в сочетании с бронзой позволяет достичь хороших результатов [7, 8].

Оптимизация количества наполнителя [9] показала, что в предлагаемом кассетном способе получения ЛМФМ существует оптимальная концентрация свинца (62—63 мас. %) как наполнителя полимерной матрицы на основе порошкового ПТФЭ. Однако математическое планирование эксперимента и триботехнические испытания [10] показывают, что с увеличением его процентного содержания можно ожидать повышения износостойкости рабочего слоя ЛМФМ. Увеличение концентрационного наполнения ПТФЭ может быть достигнуто использованием дополнительного наполнителя. Было показано [11], что введение в полимерную матрицу оксида свинца (PbO2) позволяет не только увеличить общее содержание минерального наполнителя, но и положительно сказывается на деформационно-прочностных показателях высоконаполненных композиций на основе ПТФЭ. Установлен композиционный состав для заполнения пористого слоя МФМ, который включает 70—71 мас. % свинца, 4—5 мас. % оксида свинца и 25 мас. % ПТФЭ.

Увеличить объем наполнения ПТФЭ свинцом до 70 мас. % удается путем замены части ПТФЭ коксогра-фитовой мукой в количестве 4—5 мас. %. В этом случае можно ожидать восстановления оксидной пленки на частицах свинца, что обеспечит его большую текучесть для более успешного диспергирования расплавленных частиц свинца в полимерном объеме. Тем не менее вытеснения свинца из полимерной матрицы не наблюдается из-за частичной пропитки углеграфитового материала или повышенной пористости объема композита в присутствии углеграфитового наполнителя.

Проведенные сравнительные триботехнические испытания при V=3 м/с (см. таблицу) и пошаговом увеличении удельной нагрузки с 0,75 до 1,5 МПа продолжительностью 15 ч работы в одном режиме показали, что при использовании в качестве дополнительной добавки двуокиси свинца при средних нагрузках наблюдается снижение коэффициента трения на 5—10% (0,09—0,1), однако при увеличении нагрузки происходит более интенсивный его рост с более резким ростом температуры трения до предельно допустимого значения в 250оС, что, вероятно, объясняется образованием более жесткой структуры в полимерной матрице за счет окисления свинца.

Введение КГ муки на увеличение нагрузочно-ско-ростного фактора повлияло еще более негативно из-за низкой работоспособности углеграфитовых материалов при трении без дополнительной смазки при высоких скоростях скольжения. Трибоиспытания показали, что температура с обратной стороны вкладышей достигала предельно допустимой нормы на седьмой час непрерывного трения при рV=1,25 МПах3 м/с. Однако введение углеграфитовой добавки значительно увеличило

Таблица 1

Материал полимерной композиции, мас. % Параметры трения

Р, МПа tc оС

65 Pb + 35 ПТФЭ 0,75 130-140 0,14-0,15

1 175-185 0,13-0,14

1,25 190-200 0,12-0,13

1,5 210-220 0,10-0,11

70 Pb + 25 ПТФЭ + 5 PbO2 0,75 120-130 0,13-0,14

1 165-175 0,11-0,12

1,25 170-190 0,09-0,1

1,5 230-240 0,11-0,13

70 Pb + 25 ПТФЭ + 5 коксографитовой муки 0,75 150-170 0,14-0,15

1 180-190 0,13-0,14

1,25 220-260 0,14-0,17

износостойкость приработочного слоя фторопластовой композиции. При более высокой температуре и коэффициенте трения приработочный период до вступления верхушек бронзового каркаса в контакт с поверхностью контртела увеличился более чем в три раза.

Увеличение адгезионной связи ПТФЭ-композиции с пористым металлическим каркасом. Большое свободное пространство металлокерамического каркаса позволяет применять для его заполнения сухие порошковые смеси на основе ПТФЭ методом прямого прессования. Удельное давление прессования при этом не превосходит традиционные, а при увеличении температуры позволяет его несколько уменьшить. Кроме того, спекание фторопластовой композиции производится в кассете под давлением, создаваемым предварительным сжатием пакета и расширением ПТФЭ при спекании. Имея ограничения в перемещении при термическом расширении кроме незаполненных при прессовании пор, можно ожидать более прочной связи фторопластовой композиции с металлическим пористым каркасом за счет как механической, так и химической составляющих адгезионных сил [12—14]. Исследования [15] показали, что при спекании пленки ПТФЭ толщиной 60 мкм в плотно сжатой кассете прочность сцепления с подложками из стали Ст3 и алюминия достигает значения 12 МПа, для латуни Л60 — 8,5 МПа и самые низкие значения получены для меди — 6 МПа.

Так как пористый рабочий слой ЛМФМ состоит из медьсодержащих сплавов, с целью увеличения связи полимерного слоя с бронзовым каркасом была предложена технология нанесения фторопластовой компози-

МПа 25

20

15

10

I I

AI

Ст3

Л60

Cu

Рис. 1. Прочность при сдвиге композиционных материалов ПТФЭ-ПБИ-металл

5

0

Рис. 2. Микрофотография поперечного шлифа планарного материала Al-ПБИ-ПТФЭ: Х400

ции через промежуточный слой с использованием полимерного адгезива. В качестве промежуточного слоя были предложены полигетероарилены (полибензими-дазол) [16], что обусловлено их высокой термостойкостью, хорошими адгезионными и механическими свойствами. Особенность предложенного способа заключается в том, что полигетероарилены используются не в виде порошков, а в виде раствора этих полимеров в органическом растворителе. Это позволяет использовать метод нанесения раствора в виде тонкого промежуточного слоя распылением. При последующем нанесении порошковой смеси на основе ПТФЭ происходит взаимодиффузия полимерных сегментов с образованием переходного слоя, что приводит к увеличению адгезионной связи с металлическим каркасом (рис. 1). Оптические исследования поперечных шлифов планар-ного материала А1-ПБИ-ПТФЭ с помощью металлографического микроскопа показали, что в межфазной области происходит взаимопроникновение сегментов полимерных цепей (рис. 2).

Для появления взаимодиффузии необходимо наличие совместимости, а большинство полимерных пар несовместимо, в том числе ПБИ и ПТФЭ. Однако ста-тистико-термодинамические теории предсказывают, что в межфазном слое вследствие минимализации межфазной энергии будет наблюдаться определенная взаимодиффузия сегментов полимеров [14]. Согласно диффузионной теории адгезии, предложенной С.С. Воюцким, взаимодиффузия сегментов полимерных цепей повышает механическую прочность межфазной зоны [12—14], что подтверждается результатами исследования (рис. 1).

При формировании адгезионных соединений полимер-металл одновременно развиваются каталитические и диффузионные процессы [12]. Предположения о возможности диффузии ионов металла в полимер при вы-

Список литературы

1. Ахвердиев К.С., Воронцов П.А., Семенов А.П. Расчет и конструирование гидродинамических подшипников скольжения с металлополимерными вкладышами. Ростов-н/Д: Издательство Рост. гос. ун-та путей сообщения, 1999. 205 с.

У ^UiMICh llM-ifl ифШ >. Пш ЫГ11-JJ

ЛЛЛ/у^Л^ЧЛЛЛЛЛЛЛГчЛЛЛЛ/^'^ЛЛЛ

Рис. 3. Возможная схема взаимодействия полибензимидазола с поверхностью металла

сокой температуре высказывались давно. Каталитическая активность металлов (медь, железо, алюминий) различная. При образовании адгезионного соединения полимер-металл решающую роль приобретают каталитические реакции взаимодействия полимера с металлом, в процессе которого происходит реакция полимера с гидроксилами оксидной пленки металла с образованием водородных связей (рис. 3) [12, 17, 18].

Однако в некоторых случаях при формировании пористого слоя из высокодисперсных порошков меди и олова возникают проблемы с получением участков спаянных столбцов, обладающих низкой пористостью, уменьшающие механическое сцепление с впрессовываемой композицией на основе порошкового ПТФЭ. Чаще всего это проявляется при формировании тонких слоев бронзового каркаса (менее 0,1 мм).

Выводы.

1. Разработанный материал, состоящий из стальной основы, пористого бронзового каркаса, сформированного предварительным припеканием бронзолатунной сетки, поры которого заполнены порошковой шихтой из ПТФЭ и свинца, обеспечивает высокий ресурс при трении всухую.

2. Для дальнейшего увеличения эксплуатационных показателей разработанных ЛМФМ установлена возможность дополнительной модификации фторопластовой композиции. Применение малого количества двуокиси свинца или коксографитовой муки приводит к увеличению пороговой концентрации металлического свинца в полимерной матрице. При использовании двуокиси свинца можно ожидать уменьшения потерь на трение при высоких скоростях скольжения и средних нагрузках, а использование коксографитовой муки позволяет создавать материалы с высокой износостойкостью, рекомендуемые для эксплуатации опор скольжения, эксплуатируемых при средних скоростях скольжения и высоких нагрузках.

3. Установлено, что использование полибензимидазола в качестве адгезива увеличивает адгезию ПТФЭ к металлическим поверхностям за счет образования переходного слоя в результате взаимодиффузии. Прочность при сдвиге склеенных образцов с металлической подложкой составляет 20—24 МПа.

4. Показано, что растворы полигетероариленов можно использовать в качестве весьма эффективных адгези-вов при соединении ПТФЭ с металлическими поверхностями; прочность полученных адгезионных соединений превосходит когезионную прочность ПТФЭ. Разработанный способ позволяет использовать ПБИ в качестве аэрозолей.

References

1. Akhverdiyev K.S., Vorontsov P.A., Semenov A.P. Raschet i konstruirovanie gidrodinamicheskikh pod-shipnikov skol'zheniya s metallopolimernymi vklady-shami [Calculation and design of hydrodynamic plain bearings with metal-polymer liners]. Rostov on Don:

2. Патент РФ № 1418999. Способ получения биметаллического металлофторопластового материала / Корнопольцев Н.В. 20.10.1993.

3. Патент РФ № 2277997. Способ получения комбинированного металлофторопластового материала / Буз-ник В. М., Корнопольцев В. Н. Корнопольцев Н. В., Могнонов Д.М., Рогов В.Е. Заявл. 21.10.2004. Опубл. 20.06.2006. Бюл. № 17.

4. Погосян А.К. Трение и износ наполненных полимерных материалов. М.: Наука, 1977. 137 с.

5. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. М.: Наука, 1981. 131 с.

6. Ворошнин Л.Г., Абачараев М.М., Хусид Б.М. Кавитационно-стойкие покрытия на железоуглеродистых сплавах. Минск: Наука и техника, 1987. 248 с.

7. Patent of Australia № 582577. Bearing material and method of making PTFE based tape suitable for impregnation into a porous metal matrix of the bearing material / Pratt G.C., Montpetit M.C., Lytwynec M.D. AU-B-41845/85, 1985.

8. Pratt G.C. Plastic-Based Bearing — Lubrication and Lubricants // Ed. E.R / Braithwaite. Amsterdam; London; New York: Elsevier Publ. Co., 1967. рp. 377-426.

9. Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Могно-нов Д.М. и др. Оптимизация состава металлофто-ропластового материала на стальной подложке // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. № 13. С. 757-765.

10. Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Могно-нов Д.М. Испытания металлофторопластовых листовых антифрикционных материалов при скоростях скольжения до 3 м/с // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 4. С. 385-389.

11. Корнопольцев В.Н., Могнонов Д.М. Диоксид свинца как модификатор композиционных материалов на основе политетрафторэтилена // Вопросы материаловедения. 2010. № 1. С. 72-77.

12. Басин В.Е. Адгезионная прочность. М.: Химия, 1981. 208 с.

13. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы. М.: Мир, 1991. 485 с.

14. Ву С. Межфазная энергия, структура поверхностей и адгезия между полимерами. Полимерные смеси / Под ред. Д. Пола и С. Ньюмена. Т. 1. М.: Мир, 1981. С. 282-336.

15. Аюрова О.Ж., Корнопольцев В.Н., Могнонов Д.М., Максанова Л.А. Адгезия пленки политетрафторэтилена к металлическим поверхностям // Вопросы материаловедения, 2011. № 3(67). С. 96-100.

16. Патент РФ № 2490371. Способ получения фторопластового антиадгезионного покрытия на металлических поверхностях / Корнопольцев В.Н., Могнонов Д.М., Аюрова О.Ж., Бурдуковский В.Ф., Холхоев Б.Ч. Заявл. 19.04.2012. Опубл. 20.08.2013. Бюл. № 23.

17. Пол Д. Межфазные добавки, способствующие совместимости в смесях полимеров. Полимерные смеси / Под ред. Д. Пола и С. Ньюмена. М.: Мир, 1981. Т. 2. С. 39-67.

18. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М.: Химия, 1971. 256.

Publishing office of the Rostov state transport university. 1999. 205 p.

2. Patent RF #1418999. Sposob polucheniya bimetallichesk-ogo metalloftoroplastovogo materiala [The method of producing of bimetallic metal-fluoroplastic material] Kornopol'tsev N.V. 20.10.1993. (In Russian).

3. Patent RF #2277997. Sposob polucheniya kombinirovan-nogo metalloftoroplastovogo materiala [The method of producing of combined metal-fluoroplastic material] Buznik V.M., Kornopol'tsev V.N., Kornopol'tsev N.V., Mognonov D.M., Rogov V.E. Declared 21.10.2004. Published 20.06.2006. Bulletin No. 17. (In Russian).

4. Pogosyan A.K. Trenie i iznos napolnennykh polimernykh materialov [Friction and wear of filled polymer materials]. Moscow: Nauka. 1977. 137 p.

5. Istomin N.P., Semenov A.P. Antifriktsionnye svoistva kompozitsionnykh materialov na osnove ftorpolimerov [Anti-friction properties of composite materials based on fluoropolymers]. Moscow: Nauka. 1981. 131 p.

6. Voroshnin L.G., Abacharaev M.M., Khusid B.M. Kavitatsionnostoikie pokrytiya na zhelezouglerodistykh splavakh [Cavitation resistant coating on iron-carbon alloys]. Minsk: Nauka i technika. 1987. 248 p.

7. Patent of Australia № 582577. Bearing material and method of making PTFE based tape suitable for impregnation into a porous metal matrix of the bearing material / Pratt G.C., Montpetit M.C., Lytwynec M.D. AU-B-41845/85. 1985.

8. Pratt G.C. Plastic-Based Bearing — Lubrication and Lubricants. Ed. E.R. Braithwaite. Amsterdam; London; New York: Elsevier Publ. Co. 1967, pp. 377-426.

9. Kornopol'tsev V.N., Kornopol'tsev N.V., Mognonov D.M. et al. Optimization of the composition of metal-fluoroplastic material on the steel substrate. Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya. 2005. No. 13, pp. 757-765. (In Russian).

10. Kornopol'tsev V.N., Kornopol'tsev N.V., Mognonov D.M. Tests of metal-fluoroplastic sheet anti-friction materials at sliding speeds up to 3 m/s. Trenie i iznos. 2009. Vol.30. No. 4, pp. 385-389. (In Russian).

11. Kornopol'tsev V.N., Mognonov D.M. Lead dioxide as a modifier of composite materials based on polytetrafluoro-ethylene. Voprosy materialovedeniya. 2010. No. 1, pp. 72-77. (In Russian).

12. Basin V.E. Adgezionnaya prochnost' [The adhesion strength]. Moscow: Khimiya. 1981. 208 p.

13. Kinlock E. Adgeziya i adgezivy [Adhesion and Adhesives]. Moscow: Mir. 1991. 485 p.

14. Wu S. Interfacial energy, surface structure and adhesion between the polymers. Polymer blends. Under red. D. Paul and S. Newman. Vol. 1. Moscow: Mir. 1981, pp. 282-336.

15. Ayurova O.Zh., Kornopol'tsev V.N., Mognonov D.M., Maksanova L.A. Adhesion of PTFE-film to metal surfaces. Voprosy materialovedeniya. 2011. No. 3 (67), pp. 96-100. (In Russian).

16. Patent RF #2490371. Sposob polucheniya ftoroplastovo-go antiadgezionnogo pokrytiya na metallicheskikh pover-khnostyakh [A method of producing of fluoroplastic antiadhesive coating on the metal surfaces]. Kornopol'tsev V.N., Mognonov D.M., Ayurova O.Zh., Burdukovskiy V.F., Kholhoev B.Ch. Declared 19.04.2012. Published 20.08.2013. Bulletin No. 23. (In Russian).

17. Paul D. Interfacial additives to promote compatibility in polymer blends. Polymer blends. Under red. D. Paul and S. Newman. Vol. 2. Moscow: Mir. 1981, pp. 39-67.

18. Freidin A.S. Prochnost' i dolgovechnost' kleevykh soed-ineniy [The strength and durability of adhesive joints]. Moscow: Chemistry. 1971. 256 p.

Подписка

на электронную версию

http://rifsm.ru/page/5/