Розробка композиційних антифрикційних матеріалів на основі епоксидних смол, неорганічних і органічних наповнювачів для динамічно навантажених вузлів тертя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України Технологічний університет Поділля

УДК 621.791.927

05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка композиційних антифрикційних матеріалів на основі епоксидних смол, неорганічних і органічних наповнювачів для динамічно навантажених вузлів тертя

Савчук Петро Петрович

Хмельницький-1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному педагогічному університеті ім. В.Гнатюка на кафедрі загальнотехнічних дисциплін.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Є.М. Кальба, Тернопільський державний педагогічний університет ім. В.Гнатюка, кафедра загальнотехнічних дисциплін.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, доцент П.Д. Стухляк, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, завідувач кафедри комп'ютерно-інтегрованих технологій;

- кандидат технічних наук, доцент О.С. Дробот, Технологічний університет Поділля, кафедра зносостійкості та надійності машин.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться 21 квітня 1999 року о 10-ій годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам'янецька, 110/1).

Автореферат розісланий 16 березня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кіницький Я.Т.

Анотації

Савчук П.П. Розробка композиційних антифрикційних матеріалів на основі епоксидних смол, неорганічних і органічних наповнювачів для динамічно навантажених вузлів тертя. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 1999.

Оптимізовано склад полімерної матриці та вивчено вплив основних наповнювачів на реологічні, теплофізичні і антифрикційні властивості матеріалів при формуванні композицій під дією ультразвукового й магнітного полів. Досліджено структурні зміни і характер трибологічних процесів при терті високонаповнених полімеркомпозитів та розроблена модель для пояснення механізму фрикційного переносу при терті. Створено нові антифрикційні прес-композити і багатошарові покриття. Основні результати праці знайшли промислове впровадження в якості підшипників ковзання підтримуючих роликів транспортерів бурякозбиральних комбайнів.

Ключові слова: високонаповнений полімеркомпозит, адгезійна міцність, антифрикційні властивості, структура, фрикційний перенос, підшипник ковзання.

Савчук П.П. Разработка композиционных антифрикционных материалов на основе эпоксидных смол, неорганических и органических наполнителей для динамически нагруженных узлов трения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01- материаловедение.- Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 1999.

Оптимизировано состав полимерной матрицы методом многофакторного эксперимента. Обосновано возможность направленного регулирования адгезионно-прочностных свойств композитов при модифицировании эпоксидной смолы ЭД-16 (100 масс.ч.) алифатической смолой ДЭГ-1 (15 масс.ч.), а также демпфирующих свойств при применении пластификатора СКН-26 (4 - 6 масс.ч.). Установлено, что использование ступенчатого режима полимеризации при формировании согласно разработанной термограмы приводит к повышению на 15 - 20 МПа адгезионной прочности связующего и снижения величины внутренних напряжений.

Изучено влияние базовых наполнителей на реологические, теплофизические и антифрикционные свойства материалов при формировании композиции под действием ультразвукового и магнитного полей. Впервые обоснована эффективность комплексного использования для наполнения эпоксиполимеров силлицированного и терморазширенного графитов, полиэтилена низкого давления, а также ультрадисперсного фторопласта. Установлено, что введением антифрикционных смазывающих компонентов органической природы достигается направленное регулирование трибохимических процессов и морфологии метастабильных пленок. Обосновано эффективность использования силлицированого графита (58 - 60 масс.%) в качестве базового наполнителя, а также терморазширеного графита (8 масс.%), полиетилена низкого давления (3 - 4 масс.%) в качестве твердых смазок. Показано, что УЗ-обработка (tопт = 4 - 5 мин) способствует повышению на 6 - 8 % теплостойкости и на 15 - 20 % физико-механических свойств материала вследствие изменения структуры и увеличения поверхности межфазного контакта. Методом дифференциального термического анализа подтверждено, что при формировании материала в магнитном поле (tопт = 6 -7 мин.) происходит повышение термо- и износостойкости композита.

Исследовано структурные изменения и характер трибологических процессов при трении высоконаполненных полимеркомпозитов, а также разработана модель, объясняющая механизм фрикционного переноса при трении. Методами рентгеноспектрального анализа, электронной и оптической микроскопии зафиксировано эффект массопереноса микроэлементов поверхностей спряженных тел при трении и формирование новой термостойкой структуры в зоне трения в виде пленки переноса, что подтверждается методами дифференциального термического анализа и ИК-спектроскопии.

В результате исследований созданы новые антифрикционные пресс-композиты и многослойные покрытия. Предложен способ безотходного производства пресс-композитов при использовании ангидридного отвердителя. Основные результаты работы нашли промышленное применение в качестве подшипников скольжения поддерживающих роликов транспортеров свеклоуборочных комбайнов. Годовой экономический эффект при внедрении разработанных материалов на Тернопольском комбайновом заводе составляет 2038 грн. от одного свеклоуборочного комплекса КС-6Б.

Ключевые слова: высоконаполненный полимеркомпозит, адгезионная прочность, антифрикционные свойства, структура, фрикционный перенос, подшипник скольжения.

Savtchuk P.P. Elaboration on compositional antifriction materials based on epoxy resin, non-organic and organic fillers for dynamically loaded frictional units. - Manuscript.

Thesis on a candidate's degree on speciality 05.02.01.- material studies. Technological University Podillya, Khmelnitsky, 1999.

The composition of polymeric matrix is optimized and the influence of the main fillers on reological, calorific and antifriction qualities of materials while forming compositions under ultrasound and magnet fields is studied.

The structuralchanges and character of tribological processes under the friction of full polymeric composites are investigated and the mechanism of friction transfer is elaborated. New antifriction press-composites and multilevel covers are made. The main results of the work have found an industrial improvement as plain bearings of the transporter rollers in beetharvesters.

Key words: full polymeric composite, adhesive antifriction qualities, structure, friction transfer, plain bearing.

Загальна характеристика роботи

Дисертаційна робота присвячена розробці та дослідженню антифрикційних прес-композитів та покриттів шляхом формування високонаповнених гетерогенних систем на основі епоксидного в'яжучого, основних наповнювачів та твердих мастил, їх дослідно-промисловій перевірці й впровадженню в серійних агротехнічних вузлах тертя.

Актуальність теми. Задача підвищення надійності та довговічності роботи триботехнічних вузлів машин і обладнання, які працюють в умовах значних динамічних навантажень, абразивного й гідроабразивного зношування, корозії, перепадів температур, набуває все більшого значення для економії металів, енергоресурсів, ефективного використання сировини та техніки. Основними шляхами підвищення ресурсу роботи вузлів тертя є створення нових триботехнічних матеріалів і забезпечення умов, що сприяють реалізації явища фрикційного переносу та плівкоутворення при терті. полімерний теплофізичний антифрикційний магнітний

Аналіз досліджень в галузі трибоматеріалознавства показує, що перспективним напрямком вирішення цієї задачі є направлене регулювання експлуатаційних властивостей композиційних матеріалів науково-обгрунтованим введенням структурно-активних модифікаторів і наповнювачів. У цьому плані значний науковий інтерес представляє застосування композиційних антифрикційних прес-матеріалів і покриттів на основі полімерів, зокрема епоксидних смол, що обумовлено комплексом їх фізико-механічних, теплофізичних, фрикційних характеристик та технологічністю при переробці. У світовій практиці вже набутий значний науковий і практичний досвід в напрямку створення композитів триботехнічного призначення на основі епоксидних в'яжучих, які знайшли практичне застосування в різних галузях промисловості. Однак у відомих на даний час роботах недостатня увага приділяється процесам структурування і взаємодії компонентів у високонаповнених композитах, явищу фрикційного переносу і плівкоутворення, практично не досліджено використання як зносостійкого наповнювача епоксиполімерів силіційованого графіту, а також терморозширеного графіту в якості твердого мастила.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота входить в тему "Дослідження гетерогенних полімеркомпозиційних структур для формування зносо- і корозійностійких покриттів з метою підвищення ресурсу роботи технологічного устаткування", яка виконується в Тернопільському державному педагогічному університеті з 1997 року і фінансується МО України (реєстраційний номер 0108U000340).

Мета і завдання досліджень. Встановлення закономірностей формування високонаповнених гетерогенних полімерних систем на основі епоксидних смол, неорганічних і органічних наповнювачів, створення на їх основі нових антифрикційних матеріалів та проведення дослідно-промислової перевірки з впровадженням у виробництво.

Досягнення мети вимагало розв'язання наступних завдань:

Проаналізувати вплив кількості й природи модифікаторів, твердників та температурно-часових режимів полімеризації на адгезійно-міцнісні і технологічні властивості в'яжучого.

Дослідити вплив основних наповнювачів на реологічні, фізико-механічні, теплофізичні і антифрикційні властивості композитів.

Визначити вплив комплексної магнітної і ультразвукової обробки на основні властивості матеріалів.

Встановити механізм масопереносу при терті ненаповнених полімерів і високонаповнених полімеркомпозитів.

Дослідити вплив твердих мастил на антифрикційні властивості трибоспряження.

Вивчити вплив макро- і мікросередовища на основні властивості розроблених матеріалів.

Розробити склад і технологію виготовлення прес-композитів та антифрикційних багатошарових покриттів.

Перевірити ефективність роботи даних матеріалів в серійних трибовузлах та впровадити їх у виробництво.

Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено процес формування епоксиполімерів при модифікуванні аліфатичною смолою ДЕГ-1, карбоксильним каучуком СКН-26 та ступінчастому режимі полімеризації. Встановлено, що шляхом зміни параметрів структури сформованої системи, природи і концентрації пластифікаторів, температурно-часових параметрів обробки можливе регулювання фізико-механічних і триботехнічних властивостей композитів. Вивчено закономірності направленого регулювання високонаповнених гетерогенних полімерних систем методом їх комплексної ультразвукової і магнітної обробки.

Вперше обгрунтовано ефективність, комплексного використання для наповнення епоксиполімерів силіційованого та терморозширеного графітів, поліетилену низького тиску і ультрадисперсного фторопласту. Встановлено, що введенням антифрикційних мастильних компонентів органічної природи досягається направлене регулювання трибохімічних процесів і морфології метастабільних плівок.

Виявлено ефект масопереносу при терті розроблених полімеркомпозиційних антифрикційних матеріалів (ПКАМ) і обгрунтовано механізм плівкоутворення в зоні фрикційного контакту. Запропоновано конструкцію багатошарових підшипників ковзання. Досягнуто додаткового підвищення на 30-40% зносостійкості розроблених покриттів шляхом введення проміжного демпфуючого шару. На основі проведених досліджень розроблено новий полімеркомпозиційний матеріал (позитивне рішення по заявці № 98052702 прийняте 27.11.1998р.).

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено зносо- і корозійностійкі прес-композити і антифрикційні покриття та технологію їх виготовлення й нанесення на металеву основу, які пройшли виробничо-промислові (виробнича база - Тернопільський комбайновий завод (ТеКЗ) і лабораторно-польові випробування на Львівській машиновипробувальній станції у вузлах тертя підтримуючих роликів бурякозбиральних комбайнів КС-6Б, КС-6В і гичкозбиральних машин БМ-6Б. Показано, що за зносостійкістю такі матеріали перевищують фторопласт-4 в 1,5-1,8 рази та є ефективними замінниками кулькових підшипників кочення.

Запропоновано технологію безвідходного виготовлення прес-композитів, що дало змогу зменшити втрати маси при формуванні матеріалів до 0,8-1,2% та енерговитрати в 8-12 раз.

Розроблені матеріали та технологію їх виготовлення впроваджено на ТеКЗ, що дозволило отримати на одній складальній одиниці економічний ефект в 3,6 грн.

Особистий внесок здобувача. Показано актуальність використання полімеркомпозиційних антифрикційних матеріалів у вузлах тертя серійної агротехніки, обгрунтовано вибір об'єктів дослідження, розроблено методику дослідження реологічних властивостей наповнених систем та комплексного формування композицій під впливом магнітного й ультразвукового полів; досліджено вплив твердих мастил на антифрикційні властивості трибопар; розроблено модель фрикційного переносу та плівкоутворення при терті високонаповнених ПКАМ, оптимізовано склад прес-композитів і покриттів; представлено аналіз та узагальнення результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень викладено на міжнародній науковій конференції присвяченій 150-річчю з дня народження І.Пулюя (м. Тернопіль, 1995р), Українсько-Польському симпозіумі (м. Тернопіль, 1997р), Всеукраїнській конференції (м. Рівне, 1997р), Всеукраїнській конференції вчених і аспірантів (м. Рівне, 1998р) та IV Міжнародній конференції-виставці "Корозія-98" (м. Львів, 1998р).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 8 наукових праць.

Структура та об'єм. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків, літератури й додатків. Матеріал викладено на 143 стор. машинописного тексту. У роботі подано 65 ілюстрацій, 22 таблиці та бібліографію із 146 джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета, наукова новизна, практична цінність і завдання дослідження, анотовано основні результати роботи.

У першому розділі показано сучасний рівень досягнень у створенні й дослідженні нових композиційних матеріалів, зокрема на основі реактопластів. Обґрунтовано доцільність використання як основи полімерних матриць антифрикційних матеріалів низькомолекулярних епоксидних смол, а для забезпечення зносостійкості - дисперсних порошків силіційованого графіту. Розкрито значення фрикційного переносу в механізмі самозмащування полімеркомпозитів і забезпеченні довговічності роботи трибовузлів. Підкреслено важливість дослідження динаміки протікання процесу фрикційного переносу, механізму утворення плівок переносу з метою направленого регулювання експлуатаційних властивостей трибосистеми. Проаналізовано процеси в трибологічній системі, охарактеризовано величину і характер їх впливу при терті.

На підставі огляду літературних джерел і відповідно до поставленої мети сформульовано ключові завдання роботи.

В другому розділі обгрунтовано вибір базових компонентів полімеркомпозитів та методи їх дослідження. За основу полімерної матриці вибрано епоксидно-діанову смолу ЕД-16. Для затверднення композитів використовували твердники амінного - поліетиленполіамін (ПЕПА) та ангідридного - ізо-метилтетрагідрофталевий ангідрид (ізо-МТГФА) класів одночасно із азотовмісним прискорювачем полімеризації - триетаноламіном (ТЕА). Для пластифікації епоксидної матриці використано аліфатичну смолу ДЕГ-1 та синтетичний каучук СКН-26.

Як основні наповнювачі використано порошки силіційованого (СГ), лускатого (ЛГ) і технічного (ТГ) графітів дисперсністю 40-160 мкм (підібраних шляхом просіювання). В якості твердих мастил вибрано порошки поліетилену низького тиску і терморозширеного графіту, ультрадисперсний фторопласт та подрібнену вуглетканину.

Адгезійну міцність оцінювали при нормальному відриві та постійній швидкості навантаження 10 Н/с (метод грибків). За відповідними держстандартами досліджували механічні характеристики матеріалів: твердість (за Брінелем), руйнівне напруження при розтязі, зсуві і стиску, відносне видовження. Для досліження термічного коефіцієнта лінійного розширення ПКАМ використовували лінійний дилатометр, теплостійкість визначали за Мартенсом, а теплоємність - на дериватографі системи Ф. Паулік, І. Паулік, Л. Ердей марки "3427-1000 °С" фірми "МОМ" (Угорщина).

Реологічні властивості вивчали згідно розробленої методики, що побудована на встановлені оптимальної кількості в'яжучого шляхом визначення максимальної довжини відломаної частини зразка методом консольного зламу. Розроблено відповідні методики для вивчення впливу магнітного та ультразвукового полів на основні властивості полімеркомпозитів.

Фрикційні характеристики досліджували на машині тертя СМЦ-2 за схемою тертя диск-колодка та торцевій машині тертя за схемою кільце-площина згідно стандартних методик.

Вивчення структури матеріалу, морфології утворених плівок переносу та мікротопографію поверхонь тертя здійснювали методами ДТА, ІЧ-спектроскопії (UR-20), рентгенівської дифракто (ДРОН-3М) - і спектрометрії (СРМ-25) та електронної мікроскопії на рентгенівському мікроаналізаторі "SUPERPROBE 733".

Третій розділ присвячений розробці оптимального складу полімерної матриці методом багатофакторного планування експерименту, вивченню її адгезійно-міцнісних та технологічних властивостей, дослідженню впливу кількості й природи основних наповнювачів на реологічні, фізико-механічні та теплофізичні властивості матеріалів.

Встановлено, що введення пластифікаторів різної природи приводить до виникнення на кривих залежностей адгезійної міцності від їх концентрації екстремумів. Причому, найвищі показники одержані при модифікації епоксидної смоли пластифікатором ДЕГ-1 в кількості 15 мас.ч. і пояснюються оптимальною щільністю структурної сітки в'яжучого й однофазністю отриманої системи. Введення карбоксильного каучуку в кількості 4-6 мас.ч. на 100 мас.ч. в'яжучого підвищує на 25-30 % адгезійну міцність композитів і в 2,5 рази їх еластичність, що забезпечується додатковим зшиванням структурної сітки полімерної матриці за рахунок виникнення нових хімічних зв'язків між епоксигрупами смоли і карбоксильними групами каучуку. Даний двофазний матеріал може бути використаний як полімерна матриця для одержання наповнених композитів, або як високоеластичний матеріал з хорошими демпфуючими властивостями.

З метою оптимізації температурно-часових параметрів полімеризації проведені дослідження, представлені на рис. 1. При формуванні зразків застосовували ступінчастий режим полімеризації. Це дозволило створити необхідні пом'якшуючі умови при появі первинних вузлів зшивання і прискорити структуроутворюючий процес на другому етапі. Встановлено, що експериментальне збільшення швидкості нагрівання на другому етапі до 5-6 град/хв негативно впливає на адгезійно-міцнісні властивості матриці і пояснюються виникненням додаткових внутрішніх напружень в полімері. Максимуми міцності при розриві і зсуві спостерігаються при T = 433-453К, t = 2-2,5 год та наступному швидкому охолодженні зразків на повітрі.

На основі попередніх результатів, методом дробних реплік (24-1) отримано адекватне рівняння математичної моделі та методом крутого сходження за градієнтом знайдено оптимальний склад полімерної матриці (мас.ч.): епоксидно-діанова смола - 100; аліфатична смола ДЕГ-1 - 15; твердники поліетиленполіамін - 10 або ізо-МТГФА - 50 + триетаноламін - 4 при ступінчастому режимі полімеризації.

При виборі базового наповнювача для полімеркомпозиту проводили визначення величини змочування зерен наповнювачів різної природи шляхом дослідження їх на консольний злам. При цьому встановлено, що зона оптимуму для досліджуваних матеріалів знаходиться в межах 20-30 мас.ч. в'яжучогона 100 мас.ч. наповнювачів. Максимальну міцність отримано для композицій на основі силіційованого графіту, що пояснюється його більшою розвиненістю поверхні частинок по відношенню до композицій на основі лускатого і технічного графітів, а також величиною крайового кута змочування полімерною матрицею матеріалу наповнювача.

Аналіз кінетики тверднення досліджуваних матеріалів дозволяє кількісно оцінити його технологічні властивості, в тому числі й живучість. Встановлено, що досліджувані полімерні в'яжучі володіють різною живучістю, яка залежить від роду твердників, модифікаторів та наповнювачів. Експериментально встановлено, що живучість композицій отриманих із використанням ангідридного твердника, вища від інших в 8,6 рази. Застосування синтетичного каучуку підвищує живучість композицій на 0,5-2 год, що пояснюється впливом ацетону, який міститься в СКН-26, на кінетику полімеризаційного процесу. При формуванні гетерогенних полімерних систем з високим ступенем наповнення відбувається зменшення живучості композицій в результаті збільшення їх в'язкості і підвищення локальних температур під впливом внутрішнього тертя між частинками наповнювачів.

Встановлено, що при високому ступені наповнення утворюється система, яка має структуру щільно упакованого полідисперсного порошку, а епоксидне в'яжуче знаходиться в стані тонких граничних шарів. При цьому фізико-механічні властивості матеріалу суттєво залежать від властивостей вибраного наповнювача, розвинутості його поверхні, величини і площі міжфазної взаємодії. У випадку наповнення полімеру порошком силіційованого графіту формується щільна й однорідна структура із мінімальною кількістю пустот, що підтверджується електронно-мікроскопічними дослідженнями.

Теплостійкість ПКАМ в залежності від кількісного складу і роду наповнювача носить екстремальний характер. Екстремуми знаходяться в межах 30-35 мас.% в'яжучого на 70-65 мас.% наповнювача і пояснюються формуванням міцно зшитої системи за рахунок найкращої змочуваності в результаті максимального обтягування зерен наповнювачів епоксидним в'яжучим та відповідного підвищення міцнісних характеристик матеріалів. При збільшенні кількості в'яжучого в композиті зафіксовано зростання питомої теплоємності, зменшення температури склування в результаті збільшення молекулярної рухливості, розрихлювання структури композиту, відповідного зменшення щільності, що приводить до більш швидкого розсіювання теплового потоку і зменшення коефіцієнта теплопровідності матеріалу.

З метою покращення властивостей матеріалів проводили додаткову ультразвукову обробку композицій на стадії формування протягом 2-8 хв при амплітуді коливань вібратора 15-20 мкм і частоті 22 кГц. Показано, що УЗ обробка (tопт = 4-5 хв) сприяє підвищенню на 6-8 % теплостійкості і на 15-20 % фізико-механічних властивостей матеріалу внаслідок впорядкування структури, збільшення поверхні міжфазного контакту й числа активних центрів на поверхні наповнювача в результаті її звільнення під дією кавітації від адсорбованих речовин, зменшення кількості й величини пор.

Досліджено можливість покращення теплофізичних властивостей наповнених систем обробкою композитів в магнітному полі. Встановлено, що при формуванні композицій в магнітному полі (tопт = 6-7 хв) відбувається формування впорядкованих структур, а як наслідок - підвищення термостійкості системи і зміщення температури процесу термодеструкції в напрямку вищих температур (рис. 2). Максимальна швидкість перетворень в магнітооброблених зразках вища, а втрати маси нижчі на 4,8 %.

Рис. 2 Результати дериватографічного аналізу композиту (30 в'яжуче + 60 СГ + 10 ЛГ) мас.%: 1- композиція, оброблена в магнітному полі; 2- необроблена композиція.

Таким чином, зміна співвідношення між вибраними наповнювачами та в'яжучим при їх формуванні із додатковим прикладанням зовнішніх полів дозволяє регулювати в широких межах теплофізичні і механічні властивості полімеркомпозитів.

Четвертий розділ присвячений дослідженню трибологічних властивостей розроблених ПКАМ. Встановлено, що застосування наповнювачів в складі 60 мас.% силіційований графіт, 2-6 мас.% лускатий графіт і 4-8 мас.% тверді мастила та контртіла із сталі 25ХГТ дозволяє отримати трибопару з найкращими антифрикційними характеристиками при ступінчастому режимі полімеризації. При дослідженні температурної залежності коефіцієнта тертя і інтенсивності зношування ненаповнених і високонаповнених епоксиполімерів встановлено, що із підвищенням температури в полімерах і композитах відбуваються зворотні процеси. Якщо при терті матеріалів в температурних інтервалах 293-313К їх кількісні значення величин коефіцієнта тертя корелюють, то із збільшенням температури понад 313К спостерігається поступове зростання коефіцієнта тертя полімеру та його зменшення для прес-композитів, що обумовлено, з однієї сторони, деформаційно-міцнісними властивостями високомолекулярного в'яжучого і їх зміною із збільшенням температури, а з другої - явищем масопереносу і процесом плівкоутворення при терті. Температурна залежність коефіцієнта тертя для високонаповнених композитів в інтервалі 293 - 353К є монотонно спадною і із зростанням температури стабілізується в межах f = 0,12 - 0,09.

Встановлено, що при фрикційному навантаженні ненаповнених полімерів знакозмінні деформації матеріалу в зоні фактичного контакту ведуть до зростання температури і внаслідок низької теплопровідності олігомеру до її локалізації в окремих мікрооб'ємах. Циклічне навантаження викликає появу дефектів, а концентрація напружень на дефектах прискорює руйнування зв'язків в наближених до них ділянках і сприяє формуванню мікротріщин, площина яких перпендикулярна напрямку ковзання. При цьому коефіцієнт тертя епоксидної композиції на основі ангідридного твердника менший на 13 - 14 % від коефіцієнта тертя на основі ПЕПА, однак вища в 1,2 - 1,6 раз інтенсивність лінійного зношування погіршує його антифрикційні властивості.

Дослідження температурної залежності інтенсивності зношування високонаповнених прес-композитів показали, що при фрикційному навантаженні ПКАМ вплив температури на процес руйнування зменшується, а поява мікротріщин переважно залежить від механічних полів, під впливом яких відбувається руйнування міжмолекулярних зв'язків та формування смуг ковзання.

Досліджено вплив температури термічної обробки на фізико-механічні і антифрикційні властивості ненаповнених епоксиполімерів та наповнених (70 мас.%) ПКАМ. Встановлено, що для полімерів на основі амінного і ангідридного твердників характерне існування двох мінімумів на кривих інтенсивності зношування в інтервалі помірних 393 - 413К та високих 463 - 483К температур, а також екстремумів для високонаповнених полімеркомпозитів в інтервалі 453 - 573К. Перший мінімум пов'язаний із збільшенням ступеня зшивання структурної сітки в об'ємі полімеру і підтверджується відповідним підвищенням його фізико-механічних властивостей в досліджуваному діапазоні температур. Існування другого мінімуму на кривих зносостійкості епоксиполімерів та екстремуму для високонаповнених ПКАМ пояснюється нагромадженням при вказаних температурах оптимальної концентрації продуктів термоокислювальної деструкції макромолекул епоксидної смоли, що підтверджується даними ІЧ-спектрального аналізу

При вивченні впливу макросередовища встановлено, що із збільшенням швидкості ковзання від 0,5 до 2,0 м/с відбуваються немонотонні зміни досліджуваних величин із незначним зростанням інтенсивності зношування та відносно стрімким збільшенням температури (на 60-110К), що супроводжується зменшенням кількості ділянок контакту і суттєво впливає на величину дотичних й нормальних напружень в поверхневих шарах та на якість плівки переносу (рис. 3). Збільшення питомого навантаження суттєво не впливає на коефіцієнт тертя, оскільки приріст фактичної площі контакту здійснюється в основному за рахунок збільшення кількості ділянок контакту, а не їх розмірів.

У результаті досліджень впливу твердих мастил на триботехнічні характеристики пар тертя встановлено, що мінімуми на кривих зношування спостерігаються при введенні твердих мастил від 2 до 8 мас.%. Застосування поліетилену низького тиску (3-4 мас.%) приводить до суттєвішого зниження інтенсивності лінійного зношування, ніж при застосуванні лускатого й технічного графітів. Ефект підвищеної змащувальної здатності ПЕНТ обумовлений формуванням в зоні тертя тонкого шару з розплавленого поліетилену, що виконує функцію рідинного мастила. Дослідження впливу кількості терморозширеного графіту (ТРГ) показало, що він є одним із найкращих мастильних компонентів для розробленого композиту. Висока зносостійкість матеріалу пояснюється підвищеною адгезією на границі взаємодії ТРГ-в'яжуче та збільшенням змащуючої здатності при зростанні температури в зоні тертя. Введення подрібненої вуглетканини (до 10 мас.%) в якості армуючого компоненту дозволило розширити можливості прес-композитів, зокрема можливість експлуатуватися при жорсткіших режимах тертя (p Ј 2,2 МПа; v Ј 1,8 м/с).

При вивченні впливу мікросередовища встановлено, що адсорбовані рідини (вода, масло) дифундуючи в матеріал здійснюють різний вплив при температурах 293 і 323К на водо- і маслопоглинання, міцнісні та антифрикційні властивості ПКАМ. Отримані результати дозволяють прогнозувати, що при роботі із мастилом, коли температура в вузлах тертя зросте до 313-343К, їх фізико-механічні властивості та зносостійкість залишаться незмінними, або будуть частково покращуватися. Встановлено, що неорганічні кислоти (особливо азотна та сірчана) погіршують зносостійкість прес-композиту та збільшують спрацювання контртіла. Руйнівна дія агресивних середовищ обумовлена їх проникненням в полімеркомпозит і зміною його структурних параметрів, а також хімічною активністю в зоні тертя, що перешкоджає утворенню плівок переносу і появі процесів самоорганізації.

Рис. 3 Вплив макросередовища на антифрикційні властивості полімер композитів

Показано, що у випадку направленого впливу на трибологічний процес шляхом оптимізації показників (p, v, T), мінімізації негативного впливу мікросередовища, введення в композит твердих мастил створюються та реалізуються умови для утворення в зоні тертя плівки переносу із низьким опором зсуву, яка суттєво підвищує довговічність роботи трибовузла. З цією метою досліджували характер трансформації поверхонь тертя композитів та утворених плівок переносу на різних стадіях роботи вузлів тертя. Встановлено, що в початковий період фрикційної взаємодії (l Ј 0,02 км) зростання інтенсивності вагового зношування пов'язане із процесом вирівнювання існуючої на поверхні композиту шорсткості. У результаті контакту на вершинах мікронерівностей, представлених у вигляді мікроклинів, поверхонь тіл різної твердості, виступи більш твердішого тіла (контртіло) вклинюються у виступи спряженої поверхні, поверхня прес-матеріалу деформується і утворюється стружка сколювання. Під дією клинів в мікрозонах контакту виникають імпульси високих тисків, які через вільні радикали руйнують хімічні зв'язки, породжуючи деформацію зсуву, а також локальні спалахи температур, що сприяють зростанню пластичної деформації і появі продуктів зношування. Методами електронної і оптичної мікроскопії та рентгеноспектрального аналізу встановлено ефект масопереносу мікроелементів поверхонь спряжених тіл при терті в результаті взаємодифузії матеріалів, впливу механічних та теплових полів.

Поряд із процесом вирівнювання існуючої на поверхні шорсткості відбувається орієнтація частинок графіту в напрямку дії сил тертя, що приводить до формування площинності. Внаслідок мікрорізання утворюється циліндри деформованого матеріалу, збільшується площа і температура тертя. Методом ІЧ-спектроскопії зафіксовано перебудову структури поверхневих шарів ПКАМ та домінування процесів структурування, про що свідчить зменшення кількості епоксидних (1240 см-1) карбоксильних (1720 см-1) груп, значне зростання кількості смуг поглинання для окису кремнію (800 см-1), сполук сірки (1330 см-1) і гідроксильних груп (3410 см-1). Зміна температури початку термодеструкції, зменшення інтервалів температур фазових переходів, зниження абсолютних значень максимумів на кривих ДТА, поява нового температурного максимуму на зразках після тертя підтверджує висновки про утворення нових хімічних зв'язків з виділенням тепла, що пов'язано із структуроутворюючими процесами при терті.

При цьому зростання молекулярної взаємодії запобігає виносу основної маси продуктів зношування із зони тертя, а постійне зміцнення циліндрів твердими частинками силіційованого графіту і частинками зношування контртіла приводить до формування нових мікроклинів. Наслідком збільшення кількості мікроклинів, а відповідно і циліндрів перекочування є утворення метастабільної плівки з низьким опором зсуву (f = 0,08-0,09) та стабілізація процесу тертя.

Таким чином, застосовуючи сучасні методи дослідження матеріалів встановлено, при фрикційній взаємодії пари метал-полімеркомпозит відбувається зміна структури поверхневих шарів та утворюється в зоні тертя нова термостійка структура у вигляді плівки переносу.

П'ятий розділ присвячений застосуванню розроблених ПКАМ у вузлах тертя серійних с/г машин. На основі проведених досліджень були розроблені склади, а також технологія виготовлення антифрикційних прес-композитів та багатошарових покриттів. Розроблена тришарова конструкція, що складається із зносостійкого, демпфуючого і несучого шарів, кожен з яких виконує певні функції. Встановлено, що застосування проміжного еластичного шару при його оптимальній товщині 1,8-2 мм сприяє зменшенню на 30-40 % величини зношування за рахунок пружної деформації покриття та згладжування віброударів, які виникають при терті. Запропоновано спосіб безвідходного виготовлення прес-композитів на основі твердника ізо-МТГФА і каталізатора ТЕА шляхом попереднього брекетування та наступної термічної обробки після пресування, що дозволило отримати матеріал, який не поступається за міцнісними, теплофізичними і антифрикційними властивостями аналогу, отриманому традиційним способом при в 2,5-3 рази менших затратах на виготовлення одиниці продукції. Крім того, застосування автоматизованої лінії на етапі пресування, а також можливість термічної обробки матеріалів великими партіями дозволяє спростити процес серійного виготовлення, зменшити енерговитрати і суттєво підвищити ефективність виробництва підшипників та інших виробів.

Розроблені ПКАМ пройшли виробничо-промислові випробування у вузлах тертя підтримуючих роликів транспортерів бурякозбиральних комбайнів КС-6Б і КС-6В, гичкозбиральних машин БМ-6Б (виробнича база - Тернопільський комбайновий завод (ТеКЗ) та лабораторно-польові випробування на Львівській машиновипробувальній станції. Промислові випробування показали, що досліджувані матеріали можуть експлуатуватися при різних умовах тертя: при відносно малих навантаженнях (до 0,5 МПа) і достатньо високих швидкостях (v > 2 м/с) перевагу слід віддавати рідинному або напіврідинному видам тертя, при малих швидкостях ковзання (v = 0,01 - 0,1 м/с) і значних навантаженнях (p > 2,5 МПа (в аналогічних умовах працюють ролики транспортера) є допустимим їх використання в умовах напівсухого і сухого тертя. Лабораторно-польові дослідження підтвердили ефективність роботи розроблених ПКАМ і доцільність заміни кулькових підшипників підшипниками ковзання на полімерній основі.

У результаті експериментальних досліджень розроблена технологічна документація, спроектовано і організовано виробничу дільницю для виготовлення даної продукції. Впровадження підшипників ковзання на ТеКЗ дозволило отримати на одній складальній одиниці економічний ефект в 3,6 грн.

Основні висновки

Оптимізовано склад полімерної матриці методом багатофакторного експерименту. Показано можливість направленого регулювання адгезійно-міцнісних властивостей композитів при модифікації епоксидної смоли ЕД-16 (100 мас.ч.) аліфатичною смолою ДЕГ-1 (15 мас.ч.) та демпфуючих властивостей при використанні пластифікатора СКН-26 (4-6 мас.ч.). Встановлено, що застосування ступінчастого режиму полімеризації при формуванні згідно розробленої термограми дозволяє підвищити на 15-20 МПа адгезійну міцність в'яжучого та зменшити величину внутрішніх напружень.

Вперше досліджено залежність реологічних та антифрикційних властивостей високонаповнених епоксиполімерів від природи й кількості вибраних наповнювачів. Показано ефективність використання силіційованого графіту (58-60 мас.%) як основного наповнювача та терморозширеного графіту (8 мас.%) і поліетилену низького тиску (3-4 мас.%) в якості твердих мастил.

Вивчено комплексний вплив магнітного та ультразвукового полів при формуванні композицій. Показано, що УЗ обробка (tопт= 4-5 хв) сприяє підвищенню на 6-8 % теплостійкості і на 15-20 % фізико-механічних властивостей матеріалу внаслідок впорядкування структури і збільшення поверхні міжфазного контакту. Методом диференційного термічного аналізу встановлено, що при формуванні матеріалу в магнітному полі (tопт= 6-7 хв) відбувається утворення впорядкованих структур, а як наслідок - підвищення термо- і зносостійкості композиту.

Вперше показано, що при встановленні оптимальних значень pЧvЧT- складових, мінімізації негативного впливу мікросередовища і введення структурно-активних компонентів (тверді мастила) забезпечується направлений вплив на трибологічний процес та реалізуються умови для формування в зоні тертя метастабільної плівки з низьким опором зсуву (f = 0,08-0,09), яка в 1,6-1,9 рази підвищує довговічність роботи трибовузла.

Досліджено структурні зміни і характер трибологічних процесів при терті високонаповнених полімеркомпозитів та розроблена модель для пояснення механізму фрикційного переносу. Методами рентгеноспектрального аналізу та електронної мікроскопії встановлено ефект масопереносу мікроелементів поверхонь спряжених тіл при терті та утворення нової термостійкої структури в зоні тертя у вигляді плівки переносу, що підтверджується методами диференціального термічного аналізу і ІЧ-спектроскопії.

На основі проведених досліджень розроблено нові антифрикційні прес-композити та багатошарові покриття. Запропоновано спосіб безвідходного виготовлення прес-композитів, які не поступаються за міцнісними, теплофізичними та антифрикційними властивостями відомим аналогам при 2,5-3 рази менших затратах на виготовлення одиниці продукції. Річний економічний ефект при впровадженні розроблених матеріалів на Тернопільському комбайновому заводі складає 2038 грн. від одного бурякозбирального комплексу КС-6Б.

Основний зміст дисертації висвітлено в публікаціях

Савчук П.П. Вдосконалення конструкції піддержуючого ролика бурякозбирального комбайна КС-6Б // Вісник Національного аграрного університету. Том 2. Перспективні технології вирощування та збирання цукрових буряків.- Київ: НАУ, 1997.- С.86-87.

Кальба Є.М., Савчук П.П., Голотенко С.М. Дослідження антифрикційних властивостей гетерогенних полімерних систем з високим степенем наповнення // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. Наукові записки Рівненського педінституту. Випуск 3.- Рівне: РДПІ, 1997.- С.85-87.

Савчук П.П. Розробка епоксидної полімерної матриці для антифрикційних матеріалів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. Том 2. Число 2.- Тернопіль: ТДТУ, 1997.- С.110-113.

Кальба Є.М., Савчук П.П., Голотенко С.М., Букетов А.В. Структурні зміни та трибохімічні процеси в високонаповнених полімеркомпозитах при терті // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. Наукові записки Рівненського педінституту. Випуск 4.- Рівне: РДПІ, 1998.- С.90-92.

Савчук П.П., Букетов А.В. Теплофізичні властивості антикорозійного та антифрикційного полімеркомпозиційного покриттів // Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів.- Корозія-98: Матеріали IV Міжнародної конференції-виставки.- Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 1998.- С.302-304.

Кальба Є.М., Ковальчук Р.М., Савчук П.П. Дослідження триботехнічних властивостей епоксидних компаундів з графітно-фторопластовими добавками // Наукові нотатки Луцького державного технічного університету.- Луцьк: ЛДТУ, 1998.- С.100-106.

Савчук П.П. Механізм фрикційного переносу при терті високонаповнених епоксиполімерів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. Том 4. Число 4.- Тернопіль: ТДТУ, 1998.- С.152-155.

Кальба Є.М., Букетов А.В., Савчук П.П., Голотенко С.М. Дослідження адгезійної міцності полімернаповнених захисних покриттів // Фізико-хімічна механіка матеріалів.- 1999.- №1.- С. 103-106.

Размещено на Allbest.ru