вращающимся роликом из стали ШХ15 и частичным вкладышем ИЗ фторопласта-4; нагрузку повышали ступенчато через каждые 40 мин. Износ измеряли взвешиванием и измерением толщины фторопластового образца через каждые 10 мин работы. Результаты этих испытаний приведены в табл. 7. Коэффициент трения при этих условиях превышал 0,2. Продукты изнашивания фторопласта в виде белых хлопьев выносились вращающимся роликом из области трения и накапливались на кромке образца.

Таким образом, при повышении скорости скольжения коэ(})фи-циент трения возрастает до 0,20-0,30, и фторопласт начинает интенсивно изнашиваться. Причина этого кроется в чрезвычайно низкой теплопроводцости фторопласта-4. Тепловыделение в единицу времени увеличивается, что приводит к повышению температуры, неблагоприятному снижению механических свойств поверхностных слоев фторопласта и дальнейшему повышению коэффициента трения и скорости изнашивания. Это препятствует использованию чистого фторопласта-4 для изготовления подшипников скольжения и других деталей, работающих на трение без смазки.

Таблица 8

износ ФТОРОПЛАСТА ЗАКАЛЕННОГО И МЕДЛЕННО ОХЛАЖДЕННОГО

* Со скоростью 0,2° с/мин в интервале температуры плавления (327°.С).

46 ~~

/ 0,40

0,35

0,30

0.25

0,20

0,15

0.05

717-

Рис. 20. Трение стали по политетрафторэтилену как функция скорости

Исследование трения политетрафторэтилена по стали при очень высоких скоростях скольжения (трение по шарику, раскрученному электромагнитным полем в вакууме) показало [73, 84],. что коэ(})фициент трения при увеличении скорости после достижения некоторого максимального значения начинает снижаться (рис. 20). Так, коэ(})фициент трения от 0,25 при скорости 50 м/с уменьшился до 0,1 при скорости 500 м/с. При трении с большой скоростью политетра(}яорэтилен быстро изнашивается и вместо гладкой исходной поверхности образуется лунка с грубой шероховатой поверхностью. Частицы износа образуются как в виде мелкого порошка, так и в виде волокнистых частиц или чешуек.

Таким образом, износостойкость чистого фторопласта очень мала и, хотя она может быть несколько улучшена оптимальной термической обработкой, возможные применения его ограничены очень низкими значениями произведения pV. Данные о влиянии термической обработки и условий испытания на износ образцов фторопласта приведены в табл. 8 [94]. Плоские образцы испыты-вались в течение 1 ч при трении под нагрузкой 0,91 кгс по валу диаметром 25,4 мм, частота вращения которого равнялась 450 об/мин.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что износостойкость (фторопласта при увеличении кристалличности снижается. Однако этот вывод требует дополнительного уточнения при варьировании степени кристалличности в более широких пределах, а также при проведении испытаний в различных условиях трения.

Неожиданным и труднообъяснимым фактом является существенное снижение износа политетрасфгорэтилена на одном и том же пути трения при очень низких скоростях скольжения. Значения износа чистого политетрафторэтилена при возвратно-поступательном трении по нержавеющей стали после 30 ООО циклов (длина хода 12,7 мм, нагрузка 281,2 кгс/см) приведены в табл. 9 [94]. Испытания проводились со скоростями 10 циклов

ИЗНОС ФТОРОПЛАСТА ПРИ ТРЕНИИ ПО СТАЛИ БЕЗ СМАЗКИ НА МАШИНЕ АМСЛЕРА (ПЛОЩАДЬ ОБРАЗЦА 1,7 см. ИСХОДНАЯ ТОЛЩИНА 7,5 мм)

Рис. 21. Зависимость коэффициента трений у политетрафторэтилена от температуры

В минуту И 1 цикл в минуту, при которых заметного повышения температур трения происходить не могло- Интенсивность линейного износа при меньшей скорости оказалась примерно в 17 раз ниже. Именно это позволило применить чистый политетрафторэтилен для опор мостов, работающих со скоростями, непревышающими 25,4 мм/ч.

Существенное влияние на трение политетрафторэтилена при низких скоростях скольжения оказывает температура. Снижение температур от 20° С до криогенных приводит к заметному росту коэсфициента трения (рис. 21). Повышение же температуры приводит к снижению коэ(})фициента трения (лишь при температурах порядка 320° С коэ(фициент трения повышается до относительно высоких значений).

Повышение же температуры за счет теплоты трения при высоких скоростях скольжения сопровождается ростом коэ(})фициента трения. Однако этот рост является, по-видимому, следствием не повышения температуры, а самой скорости скольжения.

При повышении давления коэффициент трения политетрафторэтилена при малых скоростях скольжения снижается. Однако низкие механические свойства политетрафторэтилена и характерное для него явление «псевдотекучести» ограничивают предельно допустимые значения давления. Эти значения могут быть существенно повышены при заключении политетрафторэтилена в обойму, затрудняющую и ограничивающую его десормацию [100].

При исследовании поверхностей трения установлено, что политетрафторэтилен переносится на поверхность контртела л в последующем фактически происходит трение одноименных поверхностей полимера. Этим объясняется то, что значения коэффициентов трения политетрафторэтилена по политетрафторэтилену и по другим материалам совпадают.

Перенос тонкой пленки политетрасяорэтилена при трении скольжения на контртело наблюдали многие исследователи [38, 83, 85, 100]. К. Р. Мэкинсон и Д. Тейбор, описьшая два режима трения политетрафторэтилена, связывают их с характером переноса пленки на сопряженную поверхность. При температуре 20° С и низких скоростях скольжения коэффициент трения 48

-80 -60 -W

низкий (/sSO.l), и полимер переносится на контртело в виде тонкой ориентированной пленки. При высоких скоростях или низких температурах коэ(})фициент трения возрастает (f =0,1 до 0,3). Возрастает также количество и размер частиц перенесенного полимера.

В более поздней работе [93] установлено, что при трении с малой скоростью политетрафторэтилена, не имеющего какой-либо остатрчной ориентации, по гладкой поверхности (стеклу или полированному металлу) начальное статическое трение высоко (/„ 0,2), и перенос происходит в виде относительно крупных частиц и волокон. Это напоминает картину, наблюдавшуюся при трении политетрафторэтилена при высоких скоростях [85], однако в рассматриваемом случае в промежутках между перенесенными на гладкую поверхность крупными частицами имеется тонкая пленка полимера (толщиной менее 100 А). Как только начинается скольжение, коэ(})фициент трения быстро падает до обычного в подобных условиях значения (/« - 0,06). Перенос также быстро уменьшается и на поверхности трения можно обнаружить лишь тонкую пленку политетрафторэтилена.

Если образец из политетрасяорэтилена скользит по свежей поверхности повторно, по дорожке, параллельной первой, в прямом или обратном направлении, коэффициент трения покоя никогда не превышает 0,07 и таким образом всего на 10-20% выше последующего низкого значения коэффициента трения движения. Начальное высокое значение коэффициента трения (0,2) не повторяется, и перенос происходит лишь в виде тонкой пленки. Эта картина воспроизводится многократно при условии, что направление скольжения сохраняется параллельным первоначальному.

Однако, если повернуть образец из политетрафторэтилена вокруг своей оси на 90° и осуществить скольжениеего параллельно первоначальной дорожке трения, опять наблюдается высокое значение коэффициента трения покоя. Далее все происходит так же, как и при самом первом скольжении образца полимера (коэффициент трения движения быстро падает, перенос полимера уменьшается). Если после каждого прохода поворачивать образец политетрафторэтилена на 90°, то каждый раз наблюдается высокое значение коэффициента трения покоя и значительный nepejioc полимера на сопряженную поверхность. Такое явление, наблюдаемое в довольно широком интервале скоростей скольжения и температур [93], позволило сделать вывод, что если происходит прочная (сильная) адгезия к сопряженной поверхности, политетрафторэтилен может вести себя как материал с низким

ИЗНОС чистого ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА ПРИ высокой НАГРУЗКЕ и низких СКОРОСТЯХ

трением (антифрикциойный материал) лишь после того, как efd поверхностные молекулы получили необходимую ориентацию. При высоком трении политетрафторэтилен ведет себя, как и все другие полимеры, т. е. объемные его свойства определяют поведение при трении.

В политетрафторэтилене зигзагообразная цепочка углеродных атомов скручена в пологую спираль и эта спиральная структура приводит к образованию жесткой стержнеобразной молекулы с очень гладким профилем. Полученные при исследовании трения результаты позволяют предположить, что низкий коэффициент трения и малый перенос в виде тонкой пленки обусловлен очень легким скольжением между выстроившимися в линию цепями политетрафторэтилена вследствие описанных выше свойств молекул.

Если молекулярная структура политетрафторэтилена модифицируется введением каких-либо боковых групп, например, CF3 или хлора, замещающих через определенные интервалы атомы фтора (как это имеет место в сополимере тетрафторэтилена с гексафторпропиленом или же в политрифторхлорэтилене), гладкий профиль молекулы нарушается. Коэффициенты трения покоя и движения этих полимеров высокие и приблизительно равны 0,2- 0,4. Перенос полимера на сопряженную поверхность происходит по всей дорожке трения в виде толстого с «наростами» слоя. Сопротивление срезу, определяющее величину силы трения, сравнимо с сопротивлением срезу в объеме в широком диапазоне температур. Таким образом, трение и износ этих полимеров определяются их объемными свойствами. Аналогичные свойства присущи и полиэтилену. Для полиэтилена низкой плотности (содергкащего большое количество боковых групп) коэффициент трения движения остается таким же высоким, как при трении покоя и крупные частицы полимера переносятся на сопряженную поверхность по всей дорожке трения.

Все это позволило сделать вывод [93], что низкий коэффициент трения и малый перенос политетрафторэтилена и полиэтилена высокой плотности при скольжении обусловлен «гладкой» формой их молекул.

Опытами по трению политетрафторэтилена, ориентированного «вытяжкой» (или удлинением) на 280% [73 ], показано, что имеется четко выраженное влияние ориентации на величину трения. Трение при скольжении вдоль направления ориентации молекул существенно ниже, чем при скольжении в поперечном направлении.

Значительный теоретический и практический интерес представляют адгезия политетрафторэтилена ко льду и трение этих материалов. Ф. П. Боуден и Д. Тейбор [73] изучали адгезию льда к некоторым органическим материалам: политетрафторэтилену, полистиролу, полиметилметакрилату и стеариновой кислоте (слои большой толщины). Полученные результаты (рис. 22), показывают, что снижение температуры приводит к быстрому

-30 t°c

Рис. 22. Удельная адгезия льда к повер-хностям различных органических материалов:

/ - полнметнлметакрнлата; 2 - полистирола; 3 - твердой стеариновой кислоты; 4 - политетрафторэтилена

увеличению адгезии, достигающей установившегося значения при температурах ниже -10° С. Минимальная адгезия зарегистрирована для политетрафторэтилена, максимальная - для полиметилметакрилата. Разрушение при этих температурах еще не хрупкое, а пластическое и установившееся значение адгезии соответствует предельной адгезионной прочности системы. Оно не может определяться прочностью на срез самого материала. Как показывают данные табл. 10, величина прочности на срез во много раз выше величины адгезии.

Другим важным наблюдением является то, что срез происходит всегда по границе раздела. Из этого следует, что адгезия в этих случаях определяется главным образом силами взаимодействия между льдом и материалом контртела, а не их прочностью.

При трении полноразмерных лыж, покрытых тонкой пленкой политетрафторэтилена, по снегу и льду установлено, что в первом приближении трение пропорционально нагрузке и не- зависит

Таблица 10

АДГЕЗИЯ ЛЬДА К НЕКОТОРЫМ МАТЕРИАЛАМ [73]

Материал

Политетрафторэтилен .....

Стеариновая кислота.....

Полистирол..........

Полиметилметакрилат.....

Нержавеющая сталь при -30° С

Контактный угол, град.

Прочность материала иа срез, кгс/см

Адгезия (установившееся значение),

кгс/см

1,5 2,5 10 -20