0,5-

0,4-

-5 -10 -15 -20 -25 -30 t°C а)

Рис. 23. Зависимость коэффициента трения от температуры для лыжи площадью 75 см, сделанной из различных полимеров, при скольжении с очень низкими скоростями:

а - по снегу; б - по льду прн -4° С; (/ - тернлен; 2 - полн-метнлметакрнлат; 3 - нейлон; 4 - политетрафторэтилен)

ОТ площади лыжи. Найдено также, что статическое трение почти равно кинетическому, если скорость скольжения очень низкая (несколько сантиметров в секунду). При температуре около 0° коэффициент трения обычных лыж и лыж, покрытых политетрафторэтиленом, был низким (/==«0,04). При снижении температуры коэффициент трения обычных лыж при скольжении с очень малой скоростью повышался до высоких значений, характерных для скольжения по сухому песку {f 0,4). Лишь для лыж, покрытых политетрафторэтиленом, коэффициент трения и при низких температурах оставался практическим на том же самом уровне (0,05 при -25° С).

Было исследовано также трение по снегу лыж уменьшенного размера, изготовленных из различных полимеров: политетрафторэтилена, полиметилметакрилата, нейлона и терилена (полиэфирная смола). Лишь для политетрафторэтилена коэффициент трения оставался малым (0,04-0,08) вплоть до самой низкой температуры опыта (-30° С). Коэффициент трения других полимеров был почти на порядок выше (рис. 23).

Низкий коэффициент трения политетрафторэтилена по снегу и льду в широком диапазоне температур, в том числе и при мокром липком снеге, позволил применить этот материал для лыж самолетов и аэросаней и для полозьев саней [73 .

Изложенное позволяет сделать вывод, что политетрафторэтилен (или фторопласт-4) значительно превосходит по своим антифрикционным свойствам известные полимерные материалы и является наиболее перспективным полимером в качестве основы для разработки антифрикционных материалов для подшипников скольжения, работающих без смазки.

Таблица 11

ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ. ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ СКОЛЬЖЕНИИ по СПЕЧЕННОЙ ПОРИСТОЙ МЕДИ до И ПОСЛЕ ВВЕДЕНИЯ В ПОРЫ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Хотя политетрафторэтилен имеет при малой скорости скольжения очень низкий коэффициент трения вплоть до температур 300° С, он имеет следующие недостатки [73]: малую механическую прочность, низкую теплопроводность, высокий коэффициент термического расширения, высокий коэффициент трения (порядка 0,3) при больших скоростях скольжения [75, 38]. Одним из наиболее перспективных путей устранения этих недостатков является введение политетрафторэтилена в пористый металлический каркас. Таким способом можно получить материал, обладающий механическими и термическими свойствами металла, и антифрикционными свойствами политетрафторэтилена. Впервые это было предложено Ф. П. Боуденом в 1950 г. [72]. Результаты испытания первого варианта такого материала, изготовленного на основе пористого медного каркаса, приведены в табл. И.

Поскольку политетрафторэтилен может при трении такого материала подаваться на поверхность в результате самого процесса трения, повторное скольжение по одному и тому же месту не приводит к повышению коэффициента трения. Материалы, изготовленные по этому принципу, нашли в настоящее время широкое применение за рубежом и в нашей стране.

2. Фторопластовые ткани

Политетрафторэтилен, как и многие другие термопластичные смолы, может быть вытянут в волокна, пригодные для изготовления ткани [94 ]. При этом достигается высокая степень ориентации молекул в полимере, что существенно повышает износостойкость и прочность. Для изготовления подшипников фторопластовые нити (волокна) ткутся совместно с хлопчатобумажными или другими нитями (полимерными, на основе стекловолокна, металлическими) таким образом, что с одной стороны превалируют нити из фторопласта, с противоположной стороны -"из другого материала [74, 90]. Эта сторона приклеивается к металлической основе или армированной стеклянным волокном фенолоформальдегид-ной пластмассе. Если в ткани использована металлическая прово-

ом о

146 28Ц К1,8р,хес/см

Рис. 24. Зависимости коэффициента трения (/) и износа {2) подшипников, облицованных фторопластовой тканью, от нагрузки

0,051 0,102 0,153 Ч.н/с

Рис. 25. Зависимость коэффициента трения подшипников, облицованных фторопластовой тканью, от скорости скольжения

лока, то ее к основанию можно припаивать *. Таким образом получаются подшипники с поверхностью трения, почти полностью состоящей из фторопласта.

Подшипники разнообразной формы из тканого фторопласта-втулки простые и с фланцами, сферические самоустанавливающиеся подшипники и т. д. - нашли широкое применение за рубежом, главным образом, в самолето- и ракетостроении. Они наиболее успешно работают без смазки при возвратно-вращательном (или качательном) движении при высоких нагрузках и низких скоростях. В отдельных случаях они работают погруженными в речную или морскую воду. При работе без смазки эти подшипники обладают прекрасными демпфирующими свойствами при ударных и вибрационных нагрузках.

Одна из фирм в США выпускает под названием «Файбер-глайд» [74] ткань из волокон политетрафторэтилена и полиэфирной смолы. Обычный фторопласт имеет предел текучести при сжатии 70,3 кгс/см. Наполнители повышают прочность, но обычно не намного. При применении же фторопластовой ткани, соединенной с металлической основой термореактивной смолой, статическая нагрузка может быть повышена до значений, превышающих 5600 кгс/см, без проявления тенденции к холодному течению.

Подшипники из фторопластовой ткани выдерживают ударные нагрузки до 5600 кгс/см и успешно работают при нагрузках до 1400 кгс/см. Они не нуждаются в смазке, не подвержены действию высоких и низких температур, коррозии, фреттинг-коррозии и ложному бринеллированию. С повышением нагрузки коэффициент трения снижается (рис. 24) и после 210 кгс/см устанавливается практически на одном уровне (f = 0,025). При увеличении скорости скольжения коэффициент трения несколько растет (рис. 25), что для ряда применений является полезным (так как это способствует демпфированию колебаний).

Наиболее целесообразно применить подшипники из тканого фторопласта при нагрузках порядка 210, кгс/см. Коэффициент трения при этой нагрузке уже становится низким, а темп износа невелик. Применение таких подшипников позволяет достичь

значительной экономии места и массы. Так, например, упорный подшипник из тканого фторопласта весит в 15 раз меньше роликового и имеет толщину в 8 раз меньше.

Подшипники из материала «Файберглайд» изготавливают также и в ФРГ для работы без смазки и в химически активных веществах [81]. Подшипники выпускаются шарнирные сферические диаметром от 4 до 50 мм, и цилиндрические от 16 до 75 мм. Максимальная допустимая нагрузка на подшипники в обычном исполнении составляет 2100 кгс/см, в специальном - до 4300 кгс/см*. Не рекомендуют применять подшипники из фторопластовой ткани при скоростях более 60 м/мин и температурах выше 180° С.

3. Наполненные фторопласты

Свойства наполненных полимеров определяются не только адгезионным взаимодействием полимера и наполнителя, но и изменением структуры и свойств полимера, обусловленным наличием границы раздела фаз и действием поверхностных сил на этой границе [31].

Твердые наполнители разделяют на два основных класса - порошкообразные и волокнистые. Порошкообразные наполнители позволяют создавать пластмассы с прочностью, значительно превышающей прочность самой смолы. С помощью волокнистых наполнителей (на основе стеклянных, асбестовых и, наконец, углеродных волокон) получают усиленные наполненные полимеры, а также конструкционные материалы, свойства которых в значительной мере определяются самим армирующим наполнителем.

Ю. С. Липатов считает [31], что в механизме усиления полимеров при введении в них наполнителей существенную, роль играет изменение свойств полимеров в тонких слоях на поверхности наполнителя. Оно определяется взаимодействием полимерных цепей с поверхностью, ограничивающей их подвижность, и надмолекулярными образованиями, возникновение которых также зависит от присутствия наполнителя. Так как наполнитель влияет на процесс формирования структуры наполненного полимера, то, меняя технологические режимы, можно направленно регулировать свойства наполненных пластмасс.

Уже длительное время применяют наполненные материалы на основе фторопласта. В качестве наполнителей исдользуют порошки или волокна самых разнообразных материалов. Практически в качестве наполнителя можно применять любое вещество при условии, что оно выдержит температуру спекания (обычно 360-380° С).

В последние годы ассортимент выпускаемых промышленностью Англии наполненных фторопластовых материалов для подшипников скольжения уменьшился [83, 94]. В настоящее время в качестве основных наполнителей применяют стеклянные и

асбестовые волокна, дисульфид молибдена, графит, слюду, никель и бронзу. Графит или дисульфид молибдена и стеклянное волокно, а также графит и бронза являются наиболее распространенными комбинациями наполнителей. Общее содержание наполнителей обычно составляет 15-40?/о (объемных).

Работа [94] посвящена сравнительным испытаниям большого количества выпускаемых за рубежом материалов при трении без смазки и при смазке водой. Результаты этих испытаний приведены в табл. 12.

Сравнительные данные о износостойкости антифрикционных материалов получены также при испытаниях по схеме «вытирания лунки». Плоский образец прижимали к вращающемуся стальному ролику с постоянной силой, и через определенные промежутки времени (4, 16, 64 и 256 ч) определяли объем изношенного материала (равный объему вытертой лунки). Массовый износ в рассматриваемом случае был бы менее показательным, так как плотность материалов различна. Результаты испытаний приведены в табл. 13.

Наиболее высокие механические свойства имеют композиции фторопласта со стеклом и асбестом, прочность их на разрыв составляет 105,5-246 кгс/см. При низких нагрузках (до 7,03 кгс/см) наполненные стекловолокном композиции имеют высокую износостойкость, но при более высоких нагрузках увеличивается опасность повреждения поверхности контртела стеклянным наполнителем с последующим увеличением темпа износа подшипника. Опасность этого тем выше, чем меньше твердость материала контртела. Добавки графита и дисульфида молибдена улучшают свойства наполненных стекловолокном композиций, но не намного. • Наполненные асбестом композиции на основе фторопласта рекомендуется применять для работы в паре с мягкими металлами, например, такими, как латунь. Эти композиции не приводят к повышению шероховатости контртела, но обладают сравнительно низкой износостойкостью.

Применение слюды § качестве наполнителя позволяет получить материалы с относительно низким температурным коэффициентом линейного расширения (только вдвое превышающим температурный коэффициент расширения алюминия). Износостойкость таких материалов при трении без смазки невысокая, при трении же в воде высокая.

Наполненные стеклом и асбестом фторопластовые материалы выпускают в виде сменных свертных вкладышей. Представляют они собой в исходном виде полоски материала толщиной 0,38- 0,76 мм достаточно гибкие для того, чтобы из них можно было вручную свернуть втулку и вставить в корпус подшипника. Перемещение в осевом направлении вкладыша предотвращается буртиками (фланцами) на гнезде подшипника. В тангенциальном направлении вкладыш вращается свободно. Для того чтобы линия разреза не могла попасть целиком в плоскость приложения нагрузки, концы полоски обрезают под углом 45°.

Состав аитифрикциоиного материала

Страна

Коэффициент треиия

Скорость изнашивания Ю (мм/ч)

pV = 1,07

750 об/мии

260 об/мин

pV =2,14

750 об/мии

1500 об/мин

Втулка, облицованная тканью ПТФЭ.....

Втулка, облицованная тканью ПТФЭ.....

Плавающий вкладыш из ПТФЭ + стекловолокно

Плавающий вкладыш из ПТФЭ-+- пигмент + 10% стекловолокна.....

ПТФЭ + 15% стекловолокна .. .........

ПТФЭ + 25% стекловолокна ...........

ПТФЭ + 25% стекловолокна ...........

ПТФЭ+ пигмент + 15% стекловолокна .....

ПТФЭ с m0s2 + 5% стекловолокна ........

ПТФЭ-f 10% асбеста . . ПТФЭ с m0s2 + асбест . .

ПТФЭ + слюда .....

ПТФЭ + 25% углерода . .

ПТФЭ + 40% графита . .

ПТФЭ + никель......

ПТФЭ + бронза .....

ПТФЭ + 20% бронзы + -f 20% графита.....

ПТФЭ + 2,5% бронзы + 37,5РЬз04 ....

Англия

Англия

Англия Англия США Англия

Англия

Англия

Англия

ФРГ ФРГ

Англия

Англия

0,25 0,24

0,32 0,37

0,28

0,23

0,31

0,30

0,37

0,23-0,40

0,30 (0,15) 0,31 0,40 0,37 (0,23) 0.25 (0,21)-0,65 0,53

(0,21 -

0,26) 0,24-

0,26 0,24-

0,26 (0,29-

0,52)

0,14 0,22 0,23

5,08

38,1

6,35-7,9

2,54-

4,06

2,03

12,7

73,7 20,3

5,08

10,1

16,2

12,4- 50,8

50,6

35,6

35,6

196,0 160

7,9- 19,8

6,35

30,5 35,6

30,5- 43,0

3,55

Примечание. Содержание наполнителей указано в объемных процентах.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПУСКАЕМЫХ ЗАРУБЕЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА ПРИ РАБОТЕ БЕЗ СМАЗКИ [94].

(ВТУЛКИ с ВНУТРЕННИМ ДИАМЕТРОМ 9,5 н 15,9 мы РАБОТАЛИ БЕЗ СМАЗКИ 250 ч ПРИ pV = 1,07 И 2,14 кге/ем=.м/с.

НАПРАВЛЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННО. ДИАМЕТРАЛЬНЫЙ ЗАЗОР В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДИАМЕТРА и ТОЛЩИНЫ СТЕНОК ВТУЛКИ СОСТАВЛЯЛ 0,064-0,127 мм)