ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАСТМАСС НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДОВ

Трение и износ полиамидов

Материалы, используемые для изготовления тру­щихся деталей, должны обладать низким коэффи­циентом трения и высокой износостойкостью. Боль­шинство полиамидов характеризуется хорошим соче­танием этих свойств. Вследствие того что эти свойства наибольший интерес представляют для потребителей полиамидов, последующее изложение посвящено глав­ным образом практической стороне вопроса с привле­чением лишь минимально необходимых теоретических положений.

Трение

При скольжении в условиях отсутствия влаги ко­эффициент трения полиамидов, определенный по стан­дартной методике, несколько больше, чем у большин­ства термопластичных материалов (табл. 3.5 [30]).

Публикуемые таблицы статических или динамиче­ских коэффициентов трения служат лишь отправной

Таблица 3.5. Коэффициенты трения скольжения различных пластмасс (образцы испытывали после механической обработки)

Коэффициент трения

Материал

Полиэтилен Поливинилхлорид Пол и метилметакрилат Полистирол ПА 66

Политетрафторэтилен

TOC \o "1-3" \h \z 0,25 0,25 0,30

0,40—0,45 0,35-0,40 0,40—0,45

0,40—0,6 0,50 0,45—0,5

0,40—0,5 0.40-0,50 0,40—0,5 0,30 0,25 0.30

0,04 0,04 0,10

Точкой для выбора материала при изготовлении дета­лей с трущимися поверхностями. Более информатив­ными величинами являются значения коэффициентов трения, полученные в условиях испытаний, модели­рующих реальные режимы эксплуатации изделия. Предпочтительность такого подхода вытекает из того, что коэффициент трения зависит от многих факторов, как-то: величина нагрузки, относительная скорость скольжения, чистота поверхности, природа трущихся поверхностей, температура и влажность. Все эти па­раметры должны контролироваться при испытаниях.

На износ помимо трения, играющего основную роль в этом процессе, оказывает влияние и ряд дру­гих факторов. При трении может происходить значи­тельный разогрев материала, обусловленный малой теплопроводностью ненаполненных пластмасс, что ог­раничивает возможность их использования, поскольку при высокой температуре развиваются большие де­формации. Это отражается в ограничении предельного значения Р1/-фактора, что подробнее описано ниже.

Разделить сопротивление материала трению и из­носу, как правило, практически невозможно, если, ко­нечно, исключить случай, когда имеет место однократ­ный контакт трущихся поверхностей.

Можно выделить два случая воздействия внешних нагрузок при использовании полимеров в трущихся деталях, а именно — малые нагрузки при высоких скоростях скольжения (например, в подшипниках и
втулках) и большие нагрузки при низких скоростях (такие случаи встречаются при использовании поли­меров в накладках опор трения узлов машин, пред­назначенных для небольших перемещений при значи­тельных нагрузках). Полиамиды, как правило, при­меняют в первом случае.

Теории трения базируются на основных законах, впервые сформулированных Амонтоном еще в 1699 г. Первый закон, который гласит, что сила трения, воз­никающая при скольжении одного тела по поверхно­сти другого, пропорциональна силе, направленной по нормали к поверхности, может быть записан следую­щим образом:

Р — F/W

Где ц— коэффициент трения; F — сила трения; W — нормальная нагрузка.

Второй закон устанавливает, что сила трения не зависит от площади поверхности контакта двух тел. В настоящее время хорошо известно, что реальная поверхность контакта двух тел значительно меньше кажущейся и нагрузка распределяется на небольшом числе шероховатостей на поверхности тела. При пер­воначальном контакте двух тел эти шероховатости пластически деформируются до уравновешивания при­ложенной нагрузки, так что величину действительной поверхности контакта можно выразить следующим об­разом:

А = W/P

Где А—действительная поверхность контакта; W—внешняя на­грузка; Р— давление.

В настоящее время полагают [31], что сопряжен­ные поверхности, пластически деформируясь под дей­ствием приложенной нагрузки, «прилипают» друг к другу по месту расположения шероховатостей. Если движение происходит параллельно этим поверхно­стям, то сила, необходимая для преодоления сил тре­ния, равна усилию, затрачиваемому на разрушение точек контакта. Таким образом:

F = AS

Где S — сдвиговая прочность материала.

Комбинация уравнений (3.10) и (3.11) дает

F = WS/P

И коэффициент трения можно связать с отношением S/P.

Формулу (3.12) применяют главным образом к ме­таллам, которые после перехода через предел теку­чести способны к чистой пластической деформации. Для полимеров, которые обнаруживают вязкоупругие свойства, истинная поверхность контакта определяет­ся соотношением

А ОО Г"

Причем п < 1.

Следовательно, коэффициент трения полимеров умень­шается с увеличением приложенной нагрузки. Это положение подтверждается экспериментальными на­блюдениями.

В сухой атмосфере коэффициент трения полиами­дов незначительно изменяется с температурой, если полимер находится значительно ниже температуры плавления. В табл. 3.6 [31] приведены значения ко­эффициента трения ПА 66 при различных температу­рах, полученные на модифицированном приборе Боу - дена — Либена. Обработка трущихся поверхностей в случае сухого трения влияет на показатели трения и, как и следует ожидать, при улучшении качества об­работки поверхности коэффициент трения снижается.

Увеличение влагосодержания повышает коэффи­циент трения полиамидов. Изменение внешних усло-

Вий и, в частности, влажности окружающей среды очень быстро приводит к изменению показателей тре­ния полиамидов, поскольку определяющую роль в этом процессе играет поверхностный слой мате­риала.

Исследования трения пары полимер — металл по­казали, что при длительном скольжении часть поли­мерного материала переносится на металлическую по­верхность и, в известной степени, — наоборот.

При образовании стабильной адгезионной пленки и сохранении неизменного режима трения наблюдает­ся постоянная скорость износа пластмассы вплоть до разрушения адгезионной пленки. В сущности, это яв­ление аналогично образованию граничных пленок при смазке. При трении полиамидов по сухой поверхности действительно наблюдали образование таких пленок, которые оказались весьма стабильными.

Несмотря на то что адгезионные пленки могут об­разовываться из исходного полиамида, в полимер можно вводить добавки, образующие на металличе­ской поверхности прочную адгезионную пленку, не разрушающуюся при действии больших нагрузок и при высоких скоростях. Это является способом моди­фикации материалов, применяемых для производства подшипников скольжения. В качестве таких добавок могут использоваться неорганические материалы с че­шуйчатой структурой, обеспечивающей скольжение при трении, такие как графит и дисульфид молиб­дена. В формировании адгезионной пленки наряду со специально введенной добавкой принимает участие и сам полимерный материал. Более поздние исследова­ния были посвящены введению в полиамидную мат­рицу полимеров с низким коэффициентом трения и улучшенными деформационными свойствами. Для этой цели использовали полиэтилен и политетрафтор­этилен. В табл. 3.7 [32] приведены данные по кине­тическим коэффициентам трения и скорости износа при трении ряда полиамидов о сталь с добавками марганца и хрома.

Износ

Из многих известных механизмов износа полиами­дов в процессе эксплуатации два являются наиболее важными. Это абразивный и адгезионный износ. При использовании полиамидов в непрерывно скользящих деталях существенное значение приобретает также усталостный износ, в который переходит абразивный износ по мере сглаживания трущихся поверхностей. При этом возникают локальные нарушения сплошно­сти материала в результате действия циклических на­пряжений. Кавитационный (или эрозионный) износ может встречаться в деталях, двигающихся с высокой скоростью в жидкой среде.

Благодаря своей износостойкости полиамиды ус­пешно заменяют металлические материалы, например бронзу, в различных деталях. Так, лопасти гребных винтов, полученные из полиамида методом «химиче­ского формования» и использующиеся на небольших береговых военно-морских судах, гораздо меньше подвержены кавитации и эрозии, чем гребные винты, изготовленные из бронзы. Дополнительным преиму­ществом полиамидов является их высокая стойкость к коррозии в морской воде. Полиамиды также успеш­но используют при облицовке желобов, в приводных ремнях и ковшах транспортеров, где материал под­вергается эрозии под действием ударов твердых ча­стиц, например угля или минеральных руд. При за­мене традиционной стальной облицовки на полиамид срок эксплуатации деталей значительно возрастает. Замена стальных ковшей на ковши из полиамида, полученные методом «химического формования», по­вышает их срок эксплуатации в 3 раза.

Абразивный износ полимеров подробно описан Ланкастером [33], который обобщил результаты экс­периментальных работ по истиранию полимеров на грубых металлических поверхностях, наждачной бу­маге и металлической сетке и описал общую картину процессов износа. Как при истирании двух тел (когда износ обусловлен относительным перемещением тру­щихся поверхностей и вызван существованием на них твердых выступов), так и при истирании трех тел (когда износ обусловлен присутствием твердых ча­стичек, находящихся либо между трущимися поверх­ностями, либо закрепленных в одной из них) поли­амидные поверхности обладают исключительной ус­тойчивостью.

Взятый из работ Ланкастера [33] рис. 3.28 иллю­стрирует сравнительные скорости износа полимеров и металлов по наждачной бумаге и по гладкой стали. Полиамиды обладают наименьшей скоростью износа из всех испытанных полимеров, что объясняется опти­мальным сочетанием упругости, пластичности и высо­кой усталостной стойкости по сравнению с другими

Скорость .износа, см3/(см-кг) Скорость износи, см3Цсм-кг)

I______ I_______ I— I____ L

Полиэтилен -- tliineц -------------

Яолитетрафторзтилг,'----------------------------------------------- Олово -------------

Полипропилен ---------------------------------------- Кадмий -------------

Полисщедшль ---------------------------------- Политетрафторэтилен------------------

ПВХ-------------------------------------------------------------------- Полипропилен -------------

.Свинец ---------------------------------------- Мягкая сталь

V--------------------------------------------------------------------- ПММА

ЛММА ------------------------------ Полиацеталь -----------

TOC \o "1-3" \h \z Полионсиэтилен ---------------------------------------------------------- Зпоксид (US) --------- .

--------------------------- Полиамид 16 —

Поликарбонат ------------------------- ■

Полиамид 6 ■

Полиамид 66 ----------------------

Олово ---------------------

Серебро -----------------

Медь

Бронза

Железо „Армко" -----------------------------

Мягкая сталь ----------------------------

Рис. 3.28. Сравнительные скорости износа полимеров и металлов на наж­дачной бумаге и гладкой стальной поверхности.

Более твердыми полимерами. Как видно из рис. 3.28, при износе на режущих поверхностях, например на наждачной бумаге, износостойкость металлов выше, чем полимеров, но среди полимеров полиамиды обла­дают наибольшей устойчивостью.

Опыт применения деталей из полиамидов свиде­тельствует об их высокой износостойкости при исти­рании, в котором участвуют три компонента. Во мно­гих производствах, в частности в горнодобывающей и цементной промышленности, где машины эксплуати­руются в условиях запыленной атмосферы, требуются детали, отличающиеся высокой износостойкостью при истирании, в котором участвуют три компонента. В настоящее время нельзя утверждать, что стандарт­ные испытания на истирание служат хорошим осно­ванием для выбора материала, и пока процессы из­носа не будут более подробно изучены, эти испытания не заменят опыта практической эксплуатации.

Как и для металлов, для полимеров широко изу­чен адгезионный механизм износа с целью разработки надежной теории, позволяющей предсказать срок службы и поведение при эксплуатации деталей, рабо­тающих в условиях такого износа. При наличии жид­кой смазки теория, разработанная для металлов, обычно пригодна и для пластмассовых поверхностей. Однако в отличие от металлов, пластмассы и, в част­ности, полиамиды способны эффективно работать в сухой атмосфере или после первоначального смазы­вания. Поэтому полиамиды часто используют в меха­низмах скольжения или подшипниках, где невозможно или неудобно обеспечить смазку трущихся поверхно­стей в процессе эксплуатации.

Известно множество типов испытательных машин для определения износа полимеров при трении сколь­жения. Наиболее доступными являются двухдисковая машина SAE (типа машины Амслера) и Denison Т-62. Литературу, касающуюся условий испытаний полиме­ров на износ, и классификацию испытательных машин можно найти в обзоре [34]. Наиболее распространен­ный, в частности в США, способ испытания полимеров заключается в том, что из исследуемого материала приготовляется цилиндр, который закрепляется в оп­равке. Трение осуществляется поджатием образца за­
данной нагрузкой к вращающемуся валу. Скорость износа зависит от приложенной нагрузки и смещения одной поверхности относительно другой. При таких испытаниях в условиях постоянной температуры ско­рость износа выражается следующим образом:

V = KFVT

Где v — объем продуктов износа, м3; V — скорость скольжения, м/с; F— приложенная нагрузка, Н; Т — время, ч; К — фактор из-

М3/с носа, -7J т~ •

' Н • м/ч

Нагрузку, приложенную перпендикулярно оси, можно пересчитать в давление. Тогда выражение для скорости износа принимает вид:

R = KPVT (3.13)

Где Р = F/A, Н/м2; А — номинальная площадь втулки, м2; R — радиальный износ, м.

Достоинство этой формулы состоит в том, что она непосредственно связывает скорость износа с давле­нием и скоростью (PV-фактором) и, следовательно, характеризует износостойкость материала. Износо­стойкость различных материалов в зависимости от PV-фактора была оценена Праттом [35]. Соответ-

Таблица 3.8. Скорость износа композиций, работающих в режиме сухого трения

Радиальная скорость износа, мкм/ч

ПА 66

ПА 66 + MoS2

Вспененный полиамид + MoS2 Пропитанный маслом вспенен­ный полиамид Полиацеталь

Стеклонаполнепный поликар­бонат

Эпоксидная смола, наполнен­ная MoS2 Политетрафторэтилен + 15%

Стеклянного волокна Политетрафторэтилен, напол­ненный бронзовым порош­ком

Рис. 3.29. Объемная скорость износа полиамидов (метод скре­щенных цилиндров):

1 — полиамид с добавкой, увели­чивающей значение РК-фак - тора )скорость износа

7,0-Ю-10 см3/(см •кг)]; 2 —ПА 66 +

Нг MoS і [скорость износа

2,5-Ю-10 см3/(см-кг)].

Ствующие данные приведены в табл. 3.8. Как видно, полиамиды выгодно отличаются от других полимер­ных материалов. Повышение износостойкости поли­амидов достигается при введении в состав композиции дисульфида молибдена.

Автором для быстрого и удобного сравнения пласт­масс по скорости износа был предложен новый метод испытания износостойкости материалов. По этому ме­тоду цилиндрические образцы из испытуемого мате­риала приводятся в соприкосновение с вращающимся валом, ось которого перпендикулярна оси образца и нагружаются заданным усилием. При этом устанав­ливаются определенные условия испытаний (темпе­ратура и влажность окружающей среды, нагрузка, скорость скольжения, материал вала и степень его обработки). Объем эллипса, образующегося в образце (размеры которого определяются измерением его осей) пропорционален износу испытуемого материала. Для большинства пластмасс при фиксированных на­грузке и скорости скольжения объемный износ после относительного короткого начального периода линей­но зависит от времени, что свидетельствует о постоян­ной скорости износа. Для большинства полимерных материалов при соответствующем выборе нагрузки и скорости такие линейные зависимости, необходимые для расчета скорости износа, могут быть получены в течение нескольких суток.

На рис. 3.29 приведены типичные эксперименталь­ные данные для полиамидов, полученные в лаборато­
рии автора. Ниже приведены значения скорости из­носа, полученные описанным методом для различных материалов, которые могут применяться в подшипни - ках:

Скорость износаХЮ

При анализе приведенных результатов, обращает на себя внимание роль наполнителя.

Эти данные могут использоваться для первона­чального выбора материала, но они должны коррек­тироваться для специфических условий его последую­щего использования. Естественно, что нет гарантий полного совпадения результатов, полученных с по­мощью описанного метода, с эксплуатационными ха­рактеристиками материала, и для более обоснован­ного выбора полимерного материала необходимо про­ведение его испытаний на износ при наиболее полном моделировании реальных условий эксплуатации.

При оценке характеристик износа пластмассовых материалов необходимо различать скорость износа и «период жизни» изделия. Как уже говорилось, после начального периода скорость износа может быть оп­ределена достаточно быстро на основании упомянутых стандартных испытаний. Однако, если испытания на износ продолжаются длительное время, то, как было замечено для некоторых пластмасс, включая поли­амиды, режим постоянной скорости износа через не­которое время сменяется интенсивным нарастанием износа, что может быть обусловлено разрушением ад­гезионных пленок или. другими факторами. Этот эф­фект определяет работоспособность материала.

Для полной оценки характеристик износа необхо­димо определение «периода жизни» износостойких материалов при различных значениях PV-фактора. На практике, как и при проведении испытаний на пол­зучесть, выбирают несколько значений PV, для кото­рых определяют «период жизни» образца. Соответ­ствующие показатели для других значений PV-фак - тора могут быть получены интерполяцией.

Определение «периода жизни» обычно требует длительного времени, поскольку ускоренные методы испытаний в этом случае неприменимы. Метод скре­щенных цилиндров, предложенный автором для оцен­ки скорости износа и использующийся для определе­ния снижения износа полиамидов при наполнении, неприменим для длительных процессов, в частности вследствие неточности в измерении «эллипса износа».

Антифрикционные свойства

В настоящее время полиамиды широко используют для изготовления износостойких деталей подшипни­ков, таких как гладкие цапфы, осевые опоры трения, обоймы шариковых н роликовых подшипников. По­лиамиды заменяют традиционные цветные металлы, что объясняется их способностью выдерживать воз­действие высоких нагрузок и скоростей скольжения при минимальном износе. Кроме того, детали из по­лиамидов бесшумны при работе и не подвержены кор­розии. В ФРГ эта область применения полиамидов регламентируется стандартом VDI-2541, в котором проводится общая информация и рекомендации по ис­пользованию ненаполненных термопластичных мате­риалов в опорах трения.

Оценка износостойких материалов

Работоспособность термопластичных материалов в опорах трения обычно выражается предельным зна­чением РК-фактора, представляющим собой макси­мальную величину произведения давления на скорость вращения вала, при которой успевает освободиться выделяющееся при трении тепло. Предельное значе­ние РУ-фактора не является константой материала, а изменяется в зависимости от размеров и геометри-

Скорость на поверхности, м/с

Рнс. 3.30. Типичные зависимости Р — V для материалов, использующихся в опорах трении (23 °С, относительная влажность окружающей среды 50%): /_ПА 6, полученный анионной полимеризацией и наполненный MoS2; 2—ПА 66 и полноксиметилен; 3 — политетрафторэтилен, наполненный слю­дой; 4 — ударопрочный полиэтилен; 5 —политетрафторэтилен.

Ческой формы детали, степени обработки поверхности вала и некоторых других факторов. Если значение PV-фактора превышает предельно допустимое, то под­шипник подплавляется, деформируется и его фрик­ционные характеристики нестабильны. Предельно до­пустимое значение PV-фактора часто определяют ускоренным методом, известным как метод «ступен­чатого испытания». В этом случае производят ступен­чатое увеличение нагрузки на подшипник через рав­ные интервалы времени (около 45 мин). При этом измеряют крутящий момент и температуру. Предель­но допустимое значение РУ-фактора отвечает усло­виям, при которых неограниченно растет крутящий момент или температура трущихся поверхностей [36]

Зависимость Р от V может быть представлена в виде набора точек, произведение координат кото­рых дает предельно допустимое значение РК-фак - тора. В двойных логарифмических координатах эта зависимость практически линейна. Рис. 3.30, на кото­ром приведены зависимости Р—V для некоторых промышленных термопластов [37], демонстрирует преимущества полиамидов перед другими полимера­ми. Многие специалисты считают, что предельно до­пустимое значение PV-фактора характеризует стой­кость изделия к повышению температуры до перехода в высокоэластическое состояние материала лишь для определенных условий эксплуатации и, в частности, для данной конфигурации подшипника. Поэтому для предсказания поведения материала при длительной работе необходимо провести испытания на износо­стойкость изделия при различных значениях PV ниже предельного уровня и определить скорость износа и период работоспособности (т. е. время до резкого уве­личения износа) для каждого значения PV. На рис. 3.31 приведены скорости износа и «периоды жиз­ни» промышленного полиамида и ненаполненного по - лиацеталя для различных значений РУ-фактора [38].

Влияние наполнителей

Износостойкость полиамидов увеличивается при введении в них некоторых наполнителей. Наполнитель выполняет две основные функции — понижает трение

Рис. 3.32. Влияние добавок, уве­личивающих предельное значе­ние РК-фактора на темпера­туру подшипвика и коэффи­циент трении ПА в: / — ПА 6; 2 — композиция на ос­нове ПА 6 с добавкой увеличи­вающей предельное значение РК-фактора.

И скорость износа и/или увеличивает теплопровод­ность материала, что необходимо для снижения тем­пературы рабочей поверхности. Прямым следствием низкого трения в подшипнике является слабый разо­грев поверхности. В то же время при неизменной тем­пературе возможно увеличение нагрузки, т. е. увели­чение Р 1/-фактора. На рис. 3.32 [39] показано влия­ние добавок, увеличивающих допустимые значения PV-фактора ПА 6, определяемые по величине коэф­фициента трения и температуре подшипника. Введе­ние таких добавок, уменьшающих силу трения и тем­пературу поверхности, не вызывает чрезмерного уве­личения скорости износа или ухудшения механических свойств материала.