Технологические возможности повышения качества деталей узлов трения

Долговечность металлополимерных узлов трения в основном определяется износостойкостью наиболее изнашиваемого полимерного элемента конструкции. Поэтому повышение износостойкости полимерных деталей узлов трения является наиболее актуальным с точки зрения решения проблемы ресурсосбережения и повышения качества, надежности и долговечности оборудования. В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной промышленности относится к классу композиционных материалов, что обусловлено их более высокими эксплуатационными свойствами, такими как износостойкость, теплопроводность, механическая прочность, жесткость и др. В последние годы использовались разнообразные наполнители для полимерных материалов, что позволило разработать широкую гамму полимерных композиционных материалов (ПКМ). Однако дальнейший прогресс в улучшении свойств ПКМ можно связать с применением методов модификации, которые позволяют «использовать внутренние резервы» материалов и регулировать их структуру на всех уровнях ее организации.

Одним из наиболее интересных методов физической модификации с целью изменения структуры и триботехнических свойств ПКМ является обработка радиационным облучением. Интерес к данному способу обработки обусловлен тем, что действие ионизирующего облучения вызывает образование в облученном полимере различного рода высокоактивных частиц (свободные радикалы, электроны, ионы, возбужденные молекулы, фрагменты молекул и т.д.), которые вызывают дальнейшие химические превращения. Возникновение в ПКМ термодинамически неравновесной концентрации высокоактивных частиц приводит к существенно иному, чем в обычной тепловой химии, протеканию процессов, вызывающих в свою очередь появление новых, по сравнению с традиционными (тепловыми), типов процессов. Все это позволяет изменять структуру (надмолекулярную, химичекую) в широком интервале в зависимости от условий облучения [1].

Однако большинство работ по радиационной модификации с целью улучшения триботехнических свойств посвящены исследованию полиолефинов; фторсодержащим полимерам, а политет-рофторэтилену (ПТФЭ), в частности посвящено ограниченное число работ. Это, очевидно, связано с тем, что ПТФЭ является преимущественно деструктирующим полимером [2]. Первые работы по изучению триботехнических характеристик облученного ПТФЭ [3, 4] показали, что в процессе облучения происходит резкое возрастание силы трения, вызванное увеличением адгезионной составляющей силы трения. Это обусловлено [2] образованием активных свободных радикалов. Однако после прекращения облучения наблюдалось уменьшение силы трения [3], что связано с удалением активного слоя. Кроме того, автором работы [5] было показано, что даже незначительное нарушение «гладкости» молекул ПТФЭ, а тем более сшивание «осколков» молекулы приводит к значительному возрастанию коэффициента трения.

В то же время было установлено [6], что у — облучение чистого ПТФЭ дозами 0,50 - 0,75 МГр приводит к снижению интенсивности изнашивания на два порядка. Исследование износостойкости ПКМ на основе ПТФЭ - Ф4С15, Ф4К15М5 [7] показало, что при дозе 10³ Гр ( у - облучение) износ уменьшается в 2,5-7,5 раза. Однако отсутствие комплексных исследований закономерностей трения и изнашивания радиационно-облученных ПКМ на основе ПТФЭ, а также ограниченность исследований влияния радиационного облучения на структурно-фазовое состояние ПКМ на основе ПТФЭ затрудняет применение данного способа модификации для улучшения триботехнических свойств металлополимерных узлов трения, где для полимерной детали используется наполненный ПТФЭ.

Цель работы – исследование закономерностей изменения триботехнических свойств и структурных превращений в ПКМ на основе ПТФЭ под влиянием облучения.

Методика проведения исследований

В настоящей работе для радиационного модифицирования были использованы ПКМ на основе ПТФЭ, а именно: Ф4С15 (15% стекловолокна (ТУ6-05-1412-76)), Ф4К20 (20% кокса КЛ-1 (ОСТ В6-05-5022-81)), Ф4УВ5ДМ3 (5% углеродного волокна «Урал-Т-10» (ТУ6-06-4107-84), 3% дисульфида молибдена, ПТФЭ марки ПН (ГОСТ 10007-72)).

Для модифицирования ПКМ использовалось y - облучение, которое осуществлялось на установке «Исследователь» (источник излучения - ⁶⁰Со) в интервале доз облучения до 3 х 10⁵ Гр.

Исследования триботехнических свойства ПКМ на основе ПТФЭ предусматривают исследование влияния режимов (дозы) у - облучения на триботехнические характеристики (скорость изнашивания и коэффициент трения). Триботехнические свойства ПКМ определялись на специальном испытательном стенде МДС-2, в рабочем узле которого реализуется схема трения «палец -диск». Испытуемым образцом является палец из ПКМ на основе ПТФЭ. В качестве диска использовали металлическое контртело из стали ШХ15, имеющее К_а = 0,08-0,25 мкм, HRC₃ = 45. Испытания осуществлялись при температуре окружающей среды Т = 293 ± 5 К. Оценка скорости изнашивания реализовывалась весовым методом (измерением массового износа) на аналитических весах типа АДВ-200 с точностью до 0,1 мг, взвешивание проводилось до и после окончания испытаний.

Изучение структуры исследуемых ПКМ проводили методом рентгено-структурного анализа с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3. Съемку широкоугловых рентгенограмм осуществляли в интервале брэгговских углов отражения 2 0 =5° - 96°. В интервале брэгговских углов отражения 5⁰ - 30⁰ сосредоточены сведения о структуре матрицы - ПТФЭ (аморфное гало, обусловленное аморфной фазой и рефлекс при 18⁰, вызванный наличием кристаллической фазы. Кристаллическая область характеризуется параметрами - а = в гексагональной ячейки, степенью кристалличности - х и размерами ристаллитов - L. Аморфная область характеризуется межслоевым расстоянием - С_ам . . Рентгеновская относительная степень кристалличности определяли по методу, предложенному Метьюзом и Пейзом [10]. Размер кристаллитов в направлении, перпендикулярном оси цепи, находили по полуширине кристаллического рефлекса по формуле Шеррера [11]. Параметры кристаллической ячейки и межслоевое расстояние определяли по положению центра тяжести соответствующих фаз.

Результаты исследований и их обсуждение

Полученные зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения от дозы облучения (рис. 1, 2) показывают, что существует немонотонная зависимость скорости изнашивания и коэффициента трения от дозы облучения. При небольших дозах (до 10² Гр) влияние облучения незначительно, при дозах от 10² до 10⁴ Гр наблюдается уменьшение скорости изнашивания и незначительное уменьшение коэффициента трения, а при дозах свыше 10⁴ Гр происходит повышение скорости изнашивания и коэффициента трения. Такие закономерности наблюдаются для всех исследованных ПКМ: Ф4К20, Ф4С15, Ф4УВ5ДМЗ. Полученные зависимости согласуются с ранее полученными результатами [6, 7], где наблюдалось снижение скорости изнашивания радиационно-модифицированных ПКМ на основе ПТФЭ и чистого ПТФЭ. Кроме того, было установлено, что в определенном интервале доз 10² - 10⁴ Гр наблюдается даже снижения коэффициента трения с максимальным его уменьшением при дозе 5 10³ Гр. Эти изменения триботехнических свойств можно объяснить структурными изменениями, происходящими в ПКМ в результате Y -облучения.

Характер изменения скорости изнашивания (рис. 1) показывает, что наряду с дозой поглощенной энергии излучения скорость изнашивания (I, г/ч - 10⁴) зависит от состава ПКМ. Влияние облучения на исследованные ПКМ (Ф4К20, Ф4С15, Ф4УВ5ДМЗ) проявляется в разной степени. Так, в наибольшей степени доза облучения влияет на характеристики Ф4С15, где при дозе 10³ Гр наблюдается уменьшение скорости изнашивания в 2,5 раза. Для Ф4УВ5ДМЗ область пониженной скорости изнашивания несколько сдвинута в сторону больших доз облучения и уменьшается лишь в 1,5 раза. Очевидно, что отмеченное различие степени влияния облучения на скорость изнашивания обусловлено видом и процентным содержанием наполнителя, что также влияет на характер происходящих при у - облучении процессов структурных изменений в полимерной матрице.

I,г/ч - 10⁴

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения (f ) от дозы поглощенной энергии облучения при Р к =1,0 МПа; v = 0,33м/с: ▲ – Ф4УВ5ДМ3; ▬ – Ф4К20

Рис. 1. Зависимость скорости изнашивания (1,г/ч - 10⁴ ) от дозы поглощенной энергии облучения при Р к =1,0 МПа , v = 0,33 м/с:

■- Ф4С15; ▲ – Ф4УВ5ДМ3; ▬ – Ф4К20

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что доза Y - облучения оказывает существенное влияние на скорость изнашивания ПКМ на основе ПТФЭ. В среднем скорость изнашивания в интервале доз поглощенной энергии y - облучения от 10 2 до 10⁴ Гр уменьшается в 1,5 - 2,5 раза в зависимости от состава ПКМ.

С целью изучения влияния y - облучения на характер изменений надмолекулярной структуры полимерной матрицы ПТФЭ и структурных изменений наполнителей и выяснения механизма влияния y - облучения на триботехнические свойства ПКМ проводились рентгеноструктурные исследования. Результаты исследований показали, что структура наполнителей при радиационной обработке в данном интервале доз не претерпевает изменений. В то время как надмолекулярная структура матрицы существенно изменяется при Y -облучении (рис. 3-5).

0     102     103     104     105

Рис. 3. Зависимость степени кристалличности (χ, %) чистого ПТФЭ и полимерной матрицы композиционных материалов от дозы поглощенной энергии облучения:

♦ - ПТФЭ; ■ - Ф4С15; ▲ - Ф4УВ5ДМ3;--Ф4К20

Для всех ПКМ наблюдается (см. рис. 3) повышение степени кристалличности с увеличением дозы облучения. Повышение степени кристалличности при облучении небольшими дозами хоро- шо согласуется с ранее полученными результатами [12, 13] по облучению чистого ПТФЭ. Этот процесс можно объяснить тем, что в процессе облучения небольшими дозами происходит разрыв наиболее перенапряженных связей [14]. Такие участки располагаются в дефектных областях кристаллов у - это неупорядоченные области кристаллической фазы, дефекты и складки. Поэтому следует ожидать, что при обработке появляются разрывы цепей как в аморфной фазе, так и в области дефектов кристаллитов, которые обладают повышенной энергией. Разрыв цепей приводит к увеличению конформационной энтропии и может приводить к появлению областей «новой» кристаллической фазы. Экспериментально такая возможность упорядочения была показана в работе [15] методом ИК - спектроскопии. Таким образом, возрастание степени кристалличности обусловлено «подстраиванием» друг к другу более коротких и подвижных фрагментов макромолекул, следствием чего является образование «новых» кристаллитов [12].

Изменение размеров кристаллитов L оценивали по полуширине соответствующих рентгенографических рефлексов. Для всех ПКМ наблюдается уменьшение полуширины линии с увеличением дозы облучения в исследуемом интервале доз, что свидетельствует о повышении размеров кристаллитов (см. рис. 4). Это может быть связано с тем, что дефекты располагаются не случайным образом, а сконцентрированы в основном на границах между кристаллитами. При у - облучении граница может преобразовываться в результате «подстраивания» более коротких фрагментов

Рис. 4. Зависимость размеров                   Рис. 5. Зависимость межслоевого расстояния кристаллитов степени кристалличности (L, A°)        (Сам,, A°) от дозы поглощенной энергии облучения:

от дозы поглощенной энергии облучения:                       ♦ - ПТФЭ; ■ - Ф4С15;

♦ - ПТФЭ; ■ - Ф4С15;--Ф4К20                   ▲ - Ф4УВ5ДМ3;--Ф4К20

▲ – Ф4УВ5ДМ3

В результате у - облучения происходит также изменение межслоевого расстояния С ам (см. рис. 5) в надмолекулярной структуре матрицы материалов Ф4К20, Ф4С15, Ф4УВ5ДМ3. В интервале доз до 10⁴ Гр отмечается уменьшение межслоевого расстояния, а с повышением более 10⁴ Гр наблюдается его увеличение.

Параметры ячейки а = в матрицы ПТФЭ при у - облучении во всем интервале доз не изменяются для Ф4К20, Ф4С15, Ф4УВ5ДМ3 и имеют постоянное значение в пределах погрешности измерения.

Материалы на основе наполненного ПТФЭ применяются в узлах трения, работающих в широком диапазоне нагрузок и скоростей скольжения. Поэтому для надежного прогнозирования поведения узла трения в эксплуатации необходимо знать зависимости скорости изнашивания от совместного влияния контактного давления и скорости скольжения.

С целью изучения совместного влияния контактного давления (Р к = 1,0 - 3,0 МПа) и скорости скольжения (v = 0,2 - 1,0 м/с) на скорость изнашивания был проведен полный факторный эксперимент типа N = S^k. При этом количество варьируемых факторов К = 2 (Р к , v), а количество уровней варьирования факторов выбрано S = 2, при этом количество опытов N = 2² = 4. Испытания проводились на стенде МДС-2. Для изучения влияния контактного давления и скорости скольжения на скорость изнашивания был выбран материал Ф4УВ5ДМ3, облученный дозой 10³ Гр.

Обработка полученных результатов, перехода к натуральным выражениям факторов позволила получить следующее уравнение регрессии:

I = 3,830v + 0,691Р к + 0,295vР к - 0,948.

На основание полученных результатов и анализа уравнения можно сделать следующие выводы. С увеличением контактного давления и скорости скольжения скорость изнашивания повышается. Причем наибольшее влияние на скорость изнашивания оказывает скорость скольжения v, затем следует контактное давление Р к . Наряду с линейными эффектами значимым является также и эффект взаимодействия Р к v, но его влияние на скорость изнашивания выражено в меньшей степени. Полученное уравнение позволяет найти кривые равного отклика (рис. 6).

Рис. 6. Кривые равного уровня скорости изнашивания ПКМ Ф4УВ5ДМ3:

1 – I=0,8 г/ч ⋅ 10⁴; 2 – I = 2,2 г/ч ⋅ 10⁴; 3 – I = 3,6 г/ч ⋅ 10⁴; 4 – I = 5 г/ч ⋅ 10⁴

Выводы

• 1. γ - Облучение определенными дозами (10² - 10⁴ Гр) вызывает повышение износостойкости композиционных материалов на основе ПТФЭ в 1,5 - 2,5 раза в зависимости от состава ПКМ, а большие дозы – снижение износостойкости.

• 2.    Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что улучшение триботехнических характеристик ПКМ на основе ПТФЭ связано с изменением надмолекулярной структуры полимерной матрицы ПТФЭ (повышение степени кристалличности и размера кристаллитов, изменение межслоевого расстояния). Глубина этих изменений зависит от исходной надмолекулярной структуры ПКМ, вида и процентного содержания наполнителя и дозой поглощенной энергии облучения.

• 3.    Уравнение регрессии, полученное с использованием метода математического планирования эксперимента, показывает зависимость скорости изнашивания модифицированного ПКМ от контактного давления и скорости скольжения и позволяет прогнозировать износостойкость ПКМ в исследованном интервале нагрузочно - скоростных параметров и выбрать оптимальные режимы эксплуатации.

• 10.    Рентгенографические методы изучения полимерных систем / под. ред. Ю.С. Липатова, В.В. Шилова, Ю.П. Ганза и др . – Киев: Наукова думка, 1982. – 296 с.

• 11.    Гинье А. Рентгенография кристаллов. – М.: Физматгиз, 1961. – 640 с.

• 12.    Брискман Б.А., Роговая В. Н., Дударев В.Я. и др. Исследование кристалличности методами РСА и ДСК // Высокомолекулярные соединения. – 1989. – Сер.А. – Т.31, № 7. – С. 539 - 543.

• 13.    Брискман Б.А., Разман С.И. Термические характеристики облученного ПТФЭ // Высокомолекулярные соединения. – 1986. – Сер. А. – Т. 28, № 6. – С. 1246 - 1252.

• 14.    Барбашев Е.А. К теории радиационного изменения напряжений в полимерах // Физико-химическая механика материалов. – 1980. – № 4. – С. 92 - 97.

• 15.    Кочервинский В.В., Глухов В.А., Леонтьев В.П . и др. Влияние морфологии политетрафторэтилена на изменение степени кристалличности при обработке электронами. Эффект отжига и закалки // Высокомолекулярные соединения. – 1985. – Сер.А. – Т. 27, № 5. – С. 914 - 920.