Промышленный лизинг Промышленный лизинг  Методички 

0 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31


Рис. 17. Разрез металлофторопластового ленточного материала:

7 " фторопласт; 2 - бронза; 3 - медь; 4 - сталь

возникновения этих явлений целесообразно наносить фторопласт на поверхности, которым заранее приданы высокие про-тивозадирные свойства (например, для сталей фосфатирова-нием или сульфидированием).

За рубежом получили некоторое распространение материалы, износостойкость которых повышена благодаря высокой степени ориентации молекул фторопласта. Одной из разновидностей такого класса материалов является комбинированная ткань из волокон двух полимеров - фторопласта-4 (политетрафторэтилена) и какого-либо другого* [74]. Ткань соткана таким образом, что лицевая поверхность образована главным образом волокнами фторопласта, а обратная - волокнами другого полимера. Это позволяет приклеивать такую ткань к поверхности деталей обычными клеями.

Наполнители, введенные во фторопласт-4, существенно повышают его механические свойства и особенно износостойкость [21, 34, 43, 94 [.Сопротивление износу лучших по износостойкости композиций в несколько тысяч раз выше, чем чистого (ненаполнен-ного) фторопласта. Однако теплопроводность, как правило, остается еще сравнительно низкой, а коэффициент термического расширения высоким. Материалы такого типа весьма перспективны для ряда применений. В некоторых странах их выпускают в виде заготовок для подшипников: стержней, труб и полос (из последних сворачивают «плавающие» втулки с косым швом [94]).

Лучшим комплексом свойств обладают материалы, в которых фторопласт-4 введен в сообщающиеся поры каркаса (металлического или неметаллического), придающего материалу высокие механические свойства, высокую теплопроводность, и как следствие этого и высокую износостойкость. Дальнейшим развитием таких материалов явилось нанесение слоя пористого (пропитываемого фторопластом) металлического антифрикционного материала на конструкционную основу, что позволило повысить нагру: зочную способность материала, его износостойкость, а также уменьшить расход дефицитных цветных металлов и фторопласта.

Наиболее прогрессивны и наиболее пригодны для массового производства ленточные материалы, представляющие собой конструкционную основу из стальной ленты (или полосы), на которую нанесен тем или иным способом тонкий пористый металлический слой антифрикционного сплава (напеканием сферических частиц

или сетки, напылением), сообщающиеся поры которого заполнены фторопластом, образующим также на поверхности прира-боточный тонкий слой (рис. 17). Из таких ленточных материалов штампуют свертные втулки, упорные кольца, сферические опоры и другие детали. Рабочая поверхность антифрикционного слоя не допускает механической обработки резанием, что является причиной повышенных требований к допускам на толщину производимой ленты и к точности операций штамповки.

В ряде случаев целесообразно комплексное применение идей, заложенных в различных типах материалов. Так, например, для пропитки пористого каркаса или тонкого пористого слоя на конструкционной основе применяют фторопласт с наполнителями, что существенно улучшает свойства материалов.

1. Чистый фторопласт

Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) является относительно «молодым» полимером. Испытания показали его уникальные антифрикционные свойства по сравнению с уже известными в то время и широко применявшимися полимерами и пластмассами. В связи с этим в данном параграфе приводятся результаты испытаний не только фторопласта-4, но и некоторых других полимерных материалов.

Сравнительные испытания четырех полимеров (политетрафторэтилена, полиэтилена, полистирола, полиметилметакрилата) были проведены в 1949 г. К. В. Шутером и П. В. Томасом [73] на приборе Ф. П. Боудена и Л. Лебена. Изучали трение при весьма малой скорости скольжения (V = 0,01 см/с) между полусферическим ползуном и плоской поверхностью. Были рассмотрены три варианта: трение полимера по полимеру; трение ползуна из полимера по стали; трение ползуна из стали по полимеру. В диапазоне применявшихся нагрузок (от 1 до 4 кгс) соблюдался закон Амонтона. Основные результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ

Полимер

Значения коэффициента при треннн

полимера по полимеру

полимера по стали

стали по полимеру

Политетрафторэтилен .......

0,04

0,04

Полиэтилен............

0,15

Полистирол............

0,5*

0,35

Полиметилметакрилат.......

0,8 *

0,5 *

0,45 *

* Patents of USA № 3.037.893, № 3,068.053, № 3.429.627

• Прерывистое скольжение (скачки при трении).




8 Р,нгс

Рис. 18. Зависимость силы трения F от нагрузки Р при трении без смазки коротких образцов из различных пластмасс по стали:

/ - текстолит; 2 - капрон; 3 - иейлои; 4 - иейлои с графитом; В - полиэтилен; 6 - фгоропласт-4

(1

8 P. кгс

Рис. 19. Зависимость силы трения F от нагрузки Р при трении без смазки одноименных пластмасс:

/ - капрон; 2 - текстолит; 3 - фторопласт-4

Минимальное трение наблюдалось во всех вариантах испытания для политетрафторэтилена. Смазка его не оказывала влияния на величину коэффициента трения. Полимеры характеризуются такими же значениями коэффициента трения, как и другие твердые тела, за исключением политетрафторэтилена, коэффициент трения которого очень низкий.

А. П. Семенов и В. В. Поздняков [38, 60] провели сравнительные испытания пластмасс на приборе, работающем по схеме перекрещивающихся цилиндров (относительное перемещение длинного образца и двух сжимающих его коротких), при трении по образцам из стали 40Х и по образцам из одноименных материалов. Короткие цилиндрические образцы из полимера перемещались с постоянной скоростью (0,03 см/с) вдоль длинного цилиндрического образца. Давление в контакте при данных испытаниях повышалось по линейному закону от нуля до 9 кгс. Длинный образец крепили к кольцевой пружине, являющейся динамометром.

На антифрикционные свойства пластмасс при трении их по стали и в одноименном сочетании очень большое влияние оказывают состояние их поверхностных слоев и вещества, адсорбированные поверхностями. Поэтому для подготовки поверхностей пластмассовых образцов применяли алмазное обтачивание, обеспечивающее удаление поверхностных слоев вместе с адсорбированными пленками. Поверхности стальных образцов шлифовали и полировали. Перед. испытанием стальные образцы промывали в чистых органических растворителях и прокаливали в вакуум-

Коэффициент трения при

Материал трущихся образцов

сухом трении

смазке водой

смазке маслом

Капрон по капрону ........

Текстолит по текстолиту.......

Фторопласт-4 по фторопласту-4 . . . Органическое стекло Текстолит

KairpoH по Нейлон стали Полиэтилен НД Фторопласт-4 /

0,62 0,31 0,037 0,57-0,42 * 0,51 0,46 0,43 0,137 0,049

0,3-0,16* 0,29-0,12 *

0,31 0,30 0,21 0,137

0,19-0,02* 0,18-0,11 * 0,026

0,21-0,18 * 0,22-0,08 *

0,18

0,115

0,027

• Скачки при трении.

НОЙ печи В течение 2 ч при температуре 400° С (остаточное давление 2-10" мм рт. ст.).

Результаты опытов были представлены графически в виде зависимостей общей силы трения, F (на двух пятнах контакта) от нагр1узки Р. Каждая прямая, выходящая из начала координат, соответствует постоянному отношению силы трения к нормальному давлению, т. е. постоянному коэффициенту трения. Результаты опытов по трению коротких образцов из пластмасс по стали без смазки приведены на рис. 18 и одноименных образцов - на рис. 19.

Величины коэффициентов трения при давлении в контакте, равном 5 кгс (для трения без смазки, со смазкой водой и веретенным маслом АУ) приведены в табл. 5.

Данные табл. 5 показывают, что скольжение с наименьшим коэффициентом трения обеспечивает фторопласт-4 и до некоторой степени полиэтилен. Опыты по трению одноименных материалов также показывают, что перенос фторопласта-4 на сопряженную деталь может являться положительным фактором, приводящим к снижению коэффициента трения.

Р. М. Матвеевским [33] проведены испытания термопластичных и термореактивных пластмасс также при низкой скорости скольжения (0,04 см/с) и постоянной удельной нагрузке в пределах 60-70 кгс/см. Опыты проводились им не при точечном контакте испытуемых образцов, а при их контакте по площади определенных размеров. Для испытаний была использована модифицированная- четырехшариковая машина КТ-2, в которой трение осуществлялось между вращающимся шариком из стали ШХ9 диаметром 12,7 мм и кольцевым образцом-шайбой с отверстием

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ ПРИ ДАВЛЕНИИ В КОНТАКТЕ,

РАВНОМ 5 кгс (ОПЫТЫ БЕЗ ПОВОРОТА РОЛИКОВ) V=0,03 см/с



диаметром 8 мм. Рабочая поверхность кольцевого образца была выполнена в виде сферического пояска на фаске отверстия образца (поясок предварительно выдавливали на прессе стальным шариком).

Перед испытанием все образцы промывали в органических растворителях с последующей просушкой в термостате при температуре 60° С в течение 5 мин. Были испытаны термопластичные полимеры: полиамиды (АК7, П68 и капрон), полиэтилен ИД (низкого давления) и фторопласт-4. Опыты проводились при трении без смазки и при смазке неполярным маслом (диффузионное масло Д1) и полярным маслом (то же масло с присадкой 0,1% стеариновой кислоты).

При испытаниях термореактивных пластмасс и полиамидов без смазки получены высокие значения коэффициента трения (до 0,4-0,7) с нерегулярными колебаниями его величины (прерывистый характер движения). Низкие постоянные значения коэффициента трения при плавном движении получены только для полиэтилена НД (за исключением трения одноименных образцов полиэтилена, когда также было получено прерывистое движение и высокий коэффициент трения) и особенно фторопласта-4 (/ = 0,05).

При трении со смазкой полиэтилена НД и фторопласта-4 как по одноименным материалам, так и по стали наблюдалось плавное скольжение и коэффициенты трения имели очень низкие значения (0,02-0,05).

Таким образом, при низкой скорости скольжения (0,01- 0,04 см/с), на разных машинах при различных условиях испыта-• НИИ по геометрии контакта трущихся поверхностей и величине нагрузки в контакте разными авторами установлено, что наилучшими антифрикционными свойствами при-трении как по стали, так и по фторопласту обладает фторопласт-4. При трении без смазки при комнатной температуре для этого материала значения коэффициента трения составляют 0,04-0,05, а при трении со смазкой полярным или неполярным маслом, водой или другими жидкостями 0,02-0,03. Эти значения коэффициента трения свидетельствуют об уникальных антифрикционных свойствах фторопласта-4 в условиях сухого и граничного трения по стали. Весьма важно, что этот материал обладает и высокой теплостойкостью и при повышении температуры до 300° С не теряет высоких антифрикционных свойств.

Низкие значения коэффициента трения фторопласта-4 без смазки были получены при трении с высокими удельными нагрузками и что более важно, с очень малыми скоростями. Однако в практических применениях такие условия трения встречаются редко. Примером является применение фторопласта в опорах мостов, работающих при высоких нагрузках (70,3 кгс/см и выше) и очень низких скоростях скольжения [94] с очень низким трением (/ = 0,02-0,05). Большинство же подшипников из чистого 44

фторопласта или материалов на основе фторопласта работают при более высоких значениях коэффициента трения (/ = 0,1-0,2).

Тем не менее именно низкий коэффициент трения фторопласта привлек к нему внимание ученых и инженеров, как к материалу, потенциально пригодному для применения в качестве подшипников скольжения, работающих без смазки. Однако, как уже было сказано, фторопласт-4 при повышении скорости скольжения начинает быстро изнашиваться, при этом значения коэффициента трения резко возрастают.

Еще в 1955 г. Д. Г. Флом и Н. Т. Порайл [75] в своих работах показали, что после того, как политетрафторэтилен подвергался трению при высоких скоростях, наблюдается заметное увеличение коэффициента трения (в 2-3 раза), что вызвано по-видимому химическими изменениями в поверхностных слоях в результате нагрева от трения. Это подтверждается и специальными экспериментами по нагреву поверхности политетрафторэтилена в вакууме до температуры 400°, в которых показано, что на поверхности образуются свободные радикалы, повышающие способность полимера к склеиванию.

Подобное модифицирование поверхности наблюдается и при обработке фторопласта-4 жидким аммиаком с растворенным в нем натрием. При этом часть атомов фтора отнимается, и поверхность приобретает способность склеиваться обычными клеями. Коэффициент трения обработанной поверхности становится очень высоким"(/ 0,5) и контактный угол с водой уменьшается со 110° для необработанной поверхности до 52°. Аналогичные результаты получаются и при обработке поверхностей тлеющим разрядом.

Данные о повышении значений коэффициента трения после трения при высоких скоростях [30] приведены в табл. 6.

В ряде исследований трения фторопласта при повышенных скоростях были зарегистрированы значительные коэффициенты трения и износ. Так, значительный износ фторопласта-4 наблюдался в опытах, выполненных Л. Ю. Пружанским на модифицированной машине Амслера [38]. В этих опытах трение без смазки при скорости скольжения 0,37 м/с осуществлялось между

Таблица 6

КИНЕТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ ФТОРОПЛАСТА

Коэффициент трения

Скорость скольжения, см/с

исходных поверхностей прн 20° с

поверхностей, измененных скольжением при скорости 189 см/с и температуре

ниже 16° С

выше 18° с

8,0 189,0

0,05-0,07 0,13

0,12 0,19

0,19 0,22 0,32



0 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31