Введение

В настоящее время к одним из наиболее эффективных антифрикционных материалов для изготовления подшипников сухого трения относят органопластики – композиционные материалы на основе синтетических волокон. Как правило, они представляют собой композиты, усиленные полиэфирными, арамидными, хлопчатобумажными, арселоновыми и другими тканями или волокнами и успешно сочетают высокие физико-механические и антифрикционные свойства [2–9]. Улучшение антифрикционных характеристик органопластиков достигается введением в полимерную матрицу дополнительных функциональных добавок, например, дисульфида молибдена, политетрафторэтилена (ПТФЭ), графита и т. п. [2, 5, 10, 11]. Такие модификаторы снижают коэффициент трения за счет постепенного высвобождения на поверхности трения новых порций антифрикционного наполнителя.

Во ФГУП «ВИАМ» проводятся разработка и исследование свойств антифрикционных полимерных композиционных материалов – органопластиков, предназначенных для работы в тяжелонагруженных узлах сухого трения [12, 13]. Их отличительной особенностью является применение комбинированного тканого наполнителя, благодаря своей структуре выполняющего функцию и армирующего, и антифрикционного компонентов. В качестве армирующей составляющей ткани используются полиимидные (ПИ) или полиамидные волокна (ПА), в качестве антифрикционной – ПТФЭ- или СВМПЭ-волокна (сверхвысокомолекулярный полиэтилен). Исследуемые материалы изготавливают через стадию получения препрегов, из которых впоследствии формуется органопластик в виде покрытия на какой-либо поверхности, что является удобным для формирования антифрикционных накладок в различных механизмах и агрегатах.

Преимуществами органопластиков на основе комбинированных тканых наполнителей являются сочетание высоких антифрикционных свойств, износостойкости, стабильной работоспособности в тяжелонагруженных узлах трения скольжения, а также возможность использования антифрикционных органопластиков в виде накладок на различных поверхностях трения [12]. Перспективой развития таких материалов является создание препрегов на основе различных полимерных матриц и типов наполнителей, которые позволят регулировать технологические и эксплуатационные свойства антифрикционного покрытия.

Однако в настоящее время отсутствует комплексная информация о трибологических свойствах органопластиков на основе комбинированных тканых наполнителей при формировании узлов трения с различными поверхностями и варьировании нагрузочно-скоростных режимов, что является актуальным для выявления оптимальных параметров эксплуатации антифрикционных органопластиков.

Целью данной работы являлось проведение сравнительных исследований антифрикционных свойств органопластиков на основе полимерных матриц эпоксидного или фенольного типов, армированных комбинированными ткаными наполнителями состава ПТФЭ–ПИ или СВМПЭ–ПА. Основные задачи заключались в определении закономерностей влияния нагрузок и скоростей скольжения, а также состава материала на трибологические свойства органопластиков.

Материалы и методы

Объектами исследования являлись антифрикционные органопластики, армированные комбинированной двухсторонней полимерной тканью. Использовали два вида тканей: на основе политетрафторэтиленовых и полиимидных волокон (ткань ПТФЭ–ПИ); на основе сверхвысокомолекуляного полиэтилена и арамидных волокон (ткань СВМПЭ–ПА). Для формирования полимерной матрицы выбраны расплавное эпоксидное связующее ВСЭ-40 (ТУ1-595-12-1502–2015) и растворное фенолокаучуковое связующее АФК-101 (ТУ1-595-11-906–2006). Типы связующих, армирующих наполнителей и некоторые их свойства представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Характеристики марок полимерных связующих

Таблица 2

Характеристики армирующих наполнителей

Изготовление органопластиков осуществляли в два этапа:

– изготовление препрега органопластика;

– формование органопластика из препрега.

Получение препрегов на основе растворного связующего АФК-101 проводили методом пропитки на установке типа УПСТ-1000М. Температура сушки препрега составляла 70–80°С. Изготовление препрега с применением расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-40 осуществляли на установке Coatema LS-11 по расплавной технологии при температуре 70°С [14, 15]. Процесс получения органопластика на основе фенольного связующего АФК-101 из препрега проводили при температуре его отверждения 200°С в течение 3 ч. Получение органопластика с эпоксидным связующим ВСЭ-40 осуществляли из препрега при температуре 130°С течение 4 ч. В табл. 3 приведены исследуемые в данной работе органопластики, а также некоторые их характеристики.

Таблица 3

Характеристики антифрикционных органопластиков

Изготовление углепластика осуществляли из препрегов на основе углеродных тканей фирмы Porcher (арт. 3105) и расплавного связующего марки ВСЭ-40 в условиях, аналогичных условиям получения органопластика с использованием связующего ВСЭ-40, описанных ранее.

Трибологические испытания органопластиков приводили на установке И-47 в режиме сухого трения на воздухе при температуре 20±1°С. Вид сопряжения – торцевое трение. Скорость скольжения изменялась в диапазоне от 0,10 до 0,45 м/с, удельная нагрузка – от 0,8 до 3,2 МПа. Продолжительность испытания при каждом режиме составляла 1 ч.

Образцы пар трения представляют собой цилиндры, выполненные из стали 30ХГСА, с нанесенным на торцевую поверхность покрытием органопластика, углепластика либо без покрытия.

Коэффициент трения (f) определяли согласно формуле:

где М_тр – момент трения, кг·см; r – средний радиус образцов, см; P_ос – осевая нагрузка на образцы, кг.

Интенсивность весового износа определяли как удельный весовой износ (I_g) согласно уравнению:

где ΔG – весовой износ (разность между массой образца до и после испытаний), г; F_тр – площадь трения, см²; ρ – плотность материала, г/см³; L – путь трения, см;

где d_нар – наружный диаметр, см; d_вн – внутренний диаметр, см.

Результаты

В данной работе изучены два типа трибосопряжения в условиях сухого трения: «органопластик–сталь» и «органопластик–углепластик». Углепластик в качестве контртела выбран в связи с тем, что является перспективным материалом, способным полностью или частично заменить металлические детали и конструкции в различных областях машиностроения. Хотя углепластики сами по себе относятся к износостойким антифрикционным материалам, при этом они являются анизотропными материалами, в которых влияние ориентации волокон определяет трибологические характеристики, т. е. в зависимости от направления приложения нагрузки возможно разрушение поверхности трения углепластика, нарушение ее сплошности. При контакте с некоторыми марками стали наблюдается перенос частиц металла на поверхностный слой углепластика [2], поэтому в ряде случаев требуется повышение антифрикционных характеристик углепластика.

В связи с вышеизложенным, на первом этапе работы получены данные о коэффициентах трения для пары «углепластик–углепластик». Поскольку трибосопряжение проводили в режиме торцевого трения, то влияние направления приложения нагрузки в данном случае нивелировалось. Исследовали композиционный материал на основе углеродной ткани и эпоксидного связующего ВСЭ-40 при нагрузках 0,8–1,5 МПа и скоростях скольжения 0,12 и 0,24 м/с (рис. 1). Видно, что в этом нагрузочно-скоростном диапазоне коэффициент трения изменяется от 0,3 до 0,45. Хотя полученные показатели позволяют относить исследуемые углепластики к антифрикционным, однако для современных самосмазывающихся материалов такие значения являются достаточно высокими. Для улучшения трибологических характеристик предложено использовать антифрикционное покрытие на основе органопластика, которое позволит увеличить срок службы изделия. Кроме того, это не внесет дополнительных изменений в технологический процесс изготовления углепластика, так как возможно нанесение покрытия непосредственно при его формовании.

На рис. 2 показаны зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки для образцов органопластиков различного состава при контакте с углепластиком. Скорость скольжения изменялась в интервале от 0,12 до 0,45 м/с, а удельная нагрузка – от 0,8 до 3,3 МПа. Видно, что коэффициент трения в паре «органопластик–углепластик» (рис. 2, кривая 3) при прочих равных условиях в 2,2–2,8 раза ниже по сравнению с парой трения «углепластик–углепластик» (рис. 1). Это подтверждает высокую эффективность использования исследуемых материалов в качестве антифрикционных покрытий при данных условиях нагружения.

Рис. 1. Зависимости коэффициента трения (f) от удельной нагрузки для пар трения «углепластик–углепластик» при скорости скольжения 0,12 (●) и 0,24 м/с (○)

Рис. 2. Зависимости коэффициента трения (f) от удельной нагрузки для пар трения «органопластик–углепластик» при скорости скольжения, м/с: 0,12 (3); 0,3 (2, 4, 5); 0,45 (1). Тип органопластика: I (1, 2, 3); II (5); IV (4)

Видно, что кривые зависимостей коэффициента трения от удельной нагрузки имеют классический вид – в указанном нагрузочно-скоростном диапазоне наблюдается либо небольшое снижение значений f с увеличением нагрузки, либо его значения практически не изменяются. Влияние скорости скольжения на антифрикционные свойства показано на рис. 3. С ростом скорости при прочих равных условиях наблюдается увеличение коэффициента трения, обусловленное, вероятно, ростом температуры в зоне контакта.

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения (f) от скорости скольжения для пары трения «органопластик–углепластик» при удельной нагрузке 2,5 МПа. Тип органопластика – I

Механизм работы антифрикционных органопластиков, армированных комбинированной тканью (ПТФЭ–ПИ или СВМПЭ–ПА), реализуется путем формирования на поверхности контакта двух тел самосмазывающейся пленки антифрикционного компонента (волокна ПТФЭ или СВМПЭ), которая пролонгировано возобновляется в процессе трения. На рис. 4 в качестве примера показаны оптические микрофотографии* органопластика на основе комбинированного тканого наполнителя (ткань ПТФЭ–ПИ) и эпоксидной полимерной матрицы ВСЭ-40. На них отчетливо видны нити из волокон двух типов, переплетенные так, что на каждой стороне ткани преимущественно расположены нити либо из антифрикционных волокон ПТФЭ (рис. 4, а), либо из армирующих волокон ПИ (рис. 4, б). Это обеспечивает благодаря поверхности с антифрикционным компонентом низкие значения коэффициента трения, а за счет армирующего наполнителя – усиление композиционного материала, повышение его износостойкости, а также увеличение адгезионной прочности наполнителя по отношению к полимерной матрице. Полимерная матрица выполняет функцию формирования монолитной структуры органопластика, а также обеспечивает высокую прочность сцепления с основой различной природы (металл, углепластик и т. п.).

Рис. 4. Микроструктура поверхности органопластика на основе двухсторонней комбинированной ткани из ПТФЭ- и ПИ-нитей и эпоксидного связующего:

а – вид поверхности со стороны, обогащенной ПТФЭ-волокнами; б – вид со стороны, обогащенной ПИ-волокнами

На рис. 2 прослеживается влияние состава антифрикционного органопластика на коэффициент трения в паре «органопластик–углепластик». Так, при скорости скольжения 0,3 м/с для органопластиков на основе эпоксидного связующего ВСЭ-40 и различных наполнителей (ткани СВМПЭ–ПА или ПТФЭ–ПИ) получены сходные значения f, изменяющиеся в диапазоне от 0,07 до 0,12. Использование фенолокаучукового связующего АФК-101, как показано на примере органопластика, армированного тканью ПТФЭ–ПИ, приводит к некоторому увеличению коэффициента трения до 0,15–0,16. Известно, что полимерная матрица в процессе трения за счет механической или механо-химической (в зависимости от природы полимеров) деструкции разрушается с образованием микрочастиц различного размера, которые оказывают влияние на формирование поверхности контакта [2, 4].

Проанализировали также влияние количества полимерного связующего в органопластике на его антифрикционные свойства. Показано, что увеличение доли связующего в пределах от 24 до 35% (по массе) в составе органопластика на основе ткани ПТФЭ–ПИ мало сказывается на значениях коэффициентов трения (рис. 5, а, кривые 1 и 2). Тогда как возрастание доли связующего с 24 до 46% (по массе) для органопластика на основе ткани СВМПЭ–ПА, особенно при малых нагрузках, уже повышает значения f в 1,5 раза – с 0,12 до 0,18 (рис. 5, б, кривые 3 и 4). С увеличением нагрузки эта разница снижается – так, при удельной нагрузке 3,2 МПа значения коэффициента трения уже практически не зависят от содержания связующего и составляют 0,07–0,08. Вероятно, частицы полимерной матрицы, образующиеся на поверхности трения, при низких нагрузках являются более крупными и способны в большей степени оказывать негативное воздействие на трибологические характеристики органопластиков.

Рис. 5. Зависимости коэффициента трения (f) от удельной нагрузки для пар трения «органопластик–углепластик» при скорости скольжения 0,3 м/с. Тип органопластика: II (3); III (4); IV (1); V (2)

Сравнение трибологического поведения органопластиков на основе комбинированных тканых наполнителей при трении со сталью показало, что характер и механизм трения в исследуемом диапазоне скоростей и нагрузок совпадает с результатами, описанными ранее (рис. 6), т. е. с увеличением нагрузки и уменьшением скорости скольжения коэффициент трения уменьшается. При этом для пар трения «органопластик–сталь» его значения выше в ~1,3–1,5 раза по сравнению с парой трения «органопластик–углепластик».

Рис. 6. Зависимости коэффициента трения (f) от удельной нагрузки для пар трения «органопластик–сталь» при скорости скольжения 0,12 м/с. Тип органопластика: III (1); V (2)

Данные по износостойкости на примере органопластика типа II на основе ткани ПТФЭ–ПИ и эпоксидного связующего ВСЭ-40 представлены в табл. 4. Видно, что исследуемые материалы имеют повышенную износостойкость при трении как с углепластиком, так и со сталью, и, следовательно, могут быть рекомендованы как высокоэффективные покрытия триботехнического назначения.

Таблица 4

Износостойкость образцов органопластика типа II в условиях сухого трения

Обсуждение и заключения

В результате получены сравнительные характеристики антифрикционных свойств органопластиков на основе эпоксидного (ВСЭ-40) и фенолокаучукового (АФК-101) связующих и комбинированных тканей различного состава (ПТФЭ–ПИ и СВМПЭ–ПА) в па́рах трения «органопластик–углепластик» и «органопластик–сталь».

Показано, что в исследуемом диапазоне нагрузочно-скоростных параметров коэффициенты трения в па́рах трения «органопластик–углепластик» и «органопластик–сталь» изменяются в интервале от 0,07 до 0,20 в зависимости от скорости скольжения, нагрузки, типа органопластика. Так, значение fснижается с увеличением нагрузки, уменьшением скорости скольжения и содержания полимерного связующего в составе органопластика, а также достигается заменой фенолокаучукового связующего на эпоксидное. При этом значения весового износа в па́рах трения «органопластик–углепластик» и «органопластик–сталь» крайне малы. Это позволяет исследуемые органопластики относить к высокоэффективным материалам антифрикционного назначения и рассматривать их как перспективные материалы для использования в качестве покрытий в тяжелонагруженных узлах трения (металл, углепластик), работающих без смазки в течение всего срока эксплуатации.