Разработка и исследование антифрикционных эпоксидофторопластов и технологии их центробежного формирования

Перспективы прогресса в машиностроении тесно связаны с разработкой и широким применением новых конструкционных материалов. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают комплексом свойств и особенностей, отличающихся от традиционных металлических сплавов: достаточной для практического использования прочностью, легкостью, коррозионной и химической стойкостью, высокой износостойкостью, низкими коэффициентами трения, экономичностью в изготовлении и в эксплуатации [3].

Для обеспечения работоспособности деталей узлов трения машин и оборудования все шире применяются антифрикционные ПКМ с самосмазывающимися свойствами. Их использование позволяет повысить показатели надежности машин: долговечность деталей и узлов, уменьшить затраты на ремонт и техническое обслуживание, снизить трудоемкость изготовления благодаря созданию прогрессивных малоотходных или безотходных технологий [4].

Общие требования к антифрикционным материалам, применяющихся в деталях узлов трения, сформулированы практикой. В процессе эксплуатации материалы должны сохранять стабильные антифрикционные свойства, обладать высокой износостойкостью, сохранять свою работоспособность в случае проникновения в зону трения различных сред, не обладающих смазочными свойствами, (например, охлаждающей жидкости) работать в достаточно широком интервале температур, иметь температуру эксплуатации не ниже 80 °C, хорошо обрабатываться и прирабатываться. Общими требованиями являются также технологичность и невысокая стоимость материала, обеспечение простоты технического обслуживания, ремонта и восстановления [10].

В последние годы антифрикционное материаловедение интенсивно развивается в направлении разработки и использования таких самосмазывающихся материалов, как наполненные фторопласты, металлополимеры, фенопласты, акрилаты, эпоксиды, полиимиды, графитопласты, металлофторопластовые слоистые конструкции и т. д. [5].

Существует много способов получения антифрикционных ПКМ, среди которых основными являются прессование, намотка и центробежное формование. Последний способ является универсальным (позволяет получать изделия практически любой формы при соответствующей оснастке) и высокопроизводительным (имеется возможность установки кассет из нескольких однотипных форм). Он обеспечивает получение заготовок с минимальными отклонениями от заданных размеров, а также дает возможность прецизионного литья, возможность получения градиентных материалов. И, так как большинство узлов трения имеют круглую форму, то способ центробежного литья является одним из наиболее перспективных.

Таким образом, разработка антифрикционных ПКМ, получаемых способом центробежного формирования, а также исследование их структуры и свойств является актуальной задачей машиностроения. Именно решению этой задачи и посвящена данная работа.

Связь работы с научными программами. В основу диссертации включены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам: «Разработка и создание опытных образцов высоконадежных самосмазывающихся подшипников скольжения на основе полимерных композиционных материалов» — Государственный контракт № 15-И-23 20 072 008 гг. (грант правительства Хабаровского края) — «Разработка и исследование высокоизносостойких самосмазывающихся материалов для судовых механизмов, создание технологии и участка опытного производства для предприятий судостроения» — Государственный контракт П1733 от 25.09.2009 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг. (per. № 1 200 963 319 от 16.11.09).

Цель работы — создание антифрикционных материалов на основе армированных эпоксидофторопластов с повышенными механическими и триботехническими характеристиками, исследование их свойств, а также разработка технологического процесса их получения способом центробежного формирования.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• создание антифрикционного материала с повышенными характеристиками несущей способности, износостойкости и прочности;

• разработка способа центробежного формирования армированных эпоксидофторопластов с градиентной структурой;

• разработка методики исследования полимерных антифрикционных материалов, получаемых способом центробежного формирования;

• исследование влияния конструкции и состава материала, технологических факторов процесса центробежного формирования на структуру и свойства получаемых материалов;

• создание и исследование технологического процесса изготовления самосмазывающихся подшипников скольжения (СПС) на основе АЭФ способом центробежного формирования;

• разработка машиностроительных материалов марки МАС-4 с повышенными прочностными и триботехническими характеристиками и рекомендаций по их использованию в машиностроении и ремонте.

Научная новизна. Разработан антифрикционный материал на основе армированных эпоксидофторопластов с повышенными прочностными и триботехническими свойствамиразработана модель его структуры, имеющая разделение на функциональные слои, основными из которых являются армирующий и антифрикционныйопределены критерии управления структурой и свойствами материала, обеспечивающие заданные прочностные и триботехнические свойства.

Определен параметр классификации армирующего материала, используемого для данной технологии — жесткость ткани, согласно которой ткани подразделяются на ткани низкой жесткости 0,6 — 0,8 мкН-м (хлопчатобумажные), ткани средней жесткости 0,80 — 0,95 мкН-м (арамидные) и ткани высокой жесткости 1,0−1,3 мкН-м (углеродные).

Разработан способ центробежного формирования АЭФ, основанный на пропитке в металлической форме свернутой в рулон тканевой ленты под действием центробежной силы, образуя армирующий слой, на который затем наносится антифрикционный слой. Установлены и научно обоснованы оптимальные технологические режимы процесса центробежного формирования для МАС-4УГ. Оптимальные значения факторов следующие: эффективная степень армирования материала Юу=61 об. %, удельное давление от центробежной силы рц= 0,06 МПа, (частота вращения формы п=2000 мин" 1, при диаметре образца 57 мм), температура формирования Т=53 °С.

Разработана экспериментально-теоретическая методика исследования антифрикционных АЭФ, изготавливаемых способом центробежного формирования. Основными этапами разработанной методики являются выбор армирующего материала для данной технологии, основанный на определении следующих параметров: жесткости, смачиваемости ткани, наличием у связующего к ткани адгезионного контактаопределение эффективной степени армирования материала в зависимости от типа тканевого наполнителяэкспериментальное обоснование выбора режимов получения материалов.

Установлены зависимости изменения прочностных и триботехнических свойств антифрикционного материала при изменении критериев управления его структурой, что позволяет проектировать материал на стадии разработки определенного узла трения.

Новизна выполненных исследований подтверждена 1 патентом на полезную модель и 2 патентами на изобретение.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методик испытания ПКМ на современном оборудовании, использованием методов математической статистики при обработке результатов экспериментов, а также высокой сходимостью результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработаны машиностроительные материалы для изготовления тонкослойных подшипников скольжения, получивших общее название МАС-4, из которых максимальными характеристиками обладает материал на основе углеткани (МАС-4УГ): твердость — 376,86 МПа (внешняя поверхность) и 179,34 МПа (внутренняя поверхность) — плотность — 1385,13 кг/м, предел прочности на растяжение — 123,14 МПа, предел прочности на сжатие — 235,47 МПа, несущая способность — 109,13 МПа (У=0,027 м/с), коэффициент трения — 0,02−0,05.

Разработана технология производства СПС на основе материалов группы МАС-4 центробежным способом, а также соответствующая технологическая оснастка.

Разработан проект технических условий на материал МАС-4 и технические рекомендации по изготовлению подшипников скольжения центробежным способом.

Изготовлены опытные партии СПС различных диаметров, проведены их сравнительные испытания, которые доказали конкурентоспособность с материалами, используемыми на сегодняшний день в машиностроении. Приобретен опыт применения материалов группы МАС-4 в узлах трения различных машин и механизмов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Структура градиентного АЭФ получаемого методом центробежного формирования, с повышенными характеристиками несущей способности, износостойкости и прочности.

2. Экспериментально-теоретическая методика исследования антифрикционных материалов, полученных центробежным формированием.

3. Результаты исследования физико-механических и триботехнических свойств армированных эпоксидофторопластов, полученных центробежным формированием.

4. Выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров процесса центробежного формирования при получении антифрикционных АЭФ.

5. Технология получения антифрикционного материала с повышенными механическими и триботехническими свойствами способом центробежного формирования.

6. Опыт применения материалов МАС-4 на основе АЭФ в узлах трения машин и механизмов.

Апробация результатов диссертации. Работа рассматривалась и одобрена на расширенных научных семинарах кафедры «Машины и оборудование лесного комплекса» ФГБОУ ВПО ТОГУ. Основные результаты исследований также докладывались и обсуждались на международных конференциях:

•Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях (16−19 ноября 2009 г. Якутск);

•Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нанодо макроуровня (13−16 апреля 2010 г. Санкт-Петербург);

•Современное материаловедение и нанотехнологии (27 — 30 сентября 2010 г. Комсомольск-на-Амуре) — на международных симпозиумах:

•VIII и X международные симпозиумы «Современные материалы и технологии» (17−18 октября 2007 и 5 — 9 октября 2009 г. Хабаровск) — на конкурсах-конференциях:

•Наука — Хабаровскому краю: X и XII краевые конкурс-конференции молодых ученых и аспирантов (секция технических наук) (29 января 2008 и 19 января 2010 соответственно г. Хабаровск).

Опубликованность результатов. Основные положения и результаты исследований отражены в 19 научных работах: в 10 статьях в научных журналах (в том числе 6 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК) и 6 докладах в сборниках трудов научно-технических конференций. Получено 2 патента РФ на изобретение и одна полезная модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 139 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 159 стр., включая 50 рисунков и 29 таблиц.

Выводы по главе 4.

1. Экспериментально установлено влияние технологических и конструктивных факторов на физико-механические и структурные параметры материалов. Наибольшими прочностью, плотностью, твердостью и лучшими антифрикционными характеристиками обладают материалы, полученные при действии центробежной силы в 50 Н и температуре 53 °C.

2. Максимальными физико-механическими свойствами обладает материал на основе углеродной ткани: НВ=376,86 МПа (внешняя поверхность), НВ=179,34 МПа (внутренняя поверхность), р=1385,13 кг/м3, ?=0,16%, араст=123,14 МПа, асж=235,47 МПа, Ра=109,13 МПа, ?=0,02 при Ра=109,13 МПа и Утр=0,027 м/с.

3. Разработан новый состав антифрикционного слоя АЭФ: эпоксидная матрица УТ)-128 — 63% масс., фторопласт-4 — 25% масс., графит пластинчатый ГС-1 — 7% масс., дисульфид молибдена Мо8г — 5% масс.

4. Определена эффективная степень армирования АЭФ для каждого наполнителя, что является основой для получения материала с максимальными свойствами: для хлопчатобумажных тканей 50 — 55%, для стеклоткани и углеткани 40 — 50%, для арамидной ткани 40 — 45%. Экспериментально подтверждена методика расчета необходимых компонентов структуры АЭФ.

5. Описана структура разрабатываемых АЭФ и установлен градиент свойств материала по сечению: твердость материала изменяется в направлении от внутренней к внешней поверхности. Минимальное значение соответствует твердости внутренней поверхности, а максимальное — твердости внешней поверхности.

6. Исследовано влияние термической обработки на свойства АЭФ. Установлено, что термообработку полимерных изделий следует производить при 120 °C в течение 3 часов, в прогретой печи с последующим охлаждением на воздухе.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ГРУППЫ МАС-4.

Данный раздел диссертационной работы посвящен результатам практического внедрения разработанных в ходе исследований материалов в различных узлах трения машин и механизмов.

Традиционными аналогами разрабатываемых материалов являются биметаллические и металлополимерные подшипники скольжения, поэтому основным направлением при разработке триботехнических материалов на основе армированных эпоксидофторопластов для подшипников скольжения является сочетание низких значений трения и износа, как в условиях достаточной смазываемости, так и в режиме сухого трения, и высокой несущей способности.

Основными параметрами, на основании которых осуществлялась разработка СПС, являлись:

1. сохранение высоких триботехнических свойств (//, < 10″ 8 мм/мм, 7⁰, 06), как в условиях достаточной смазки, так и в режиме дефицита смазки в диапазоне температур — 50 до + 100 °C, стойкость к воздействию агрессивных сред и климатических факторов;

2. обеспечение устойчивой работоспособности узла трения при давлениях до 100 МПа и низких скоростях трения;

3. обеспечение технического ресурса узла трения равного или большего, чем ресурс, обеспечиваемый аналогом разрабатываемого материала;

4. простота и технологичность конструкций СПС, высокая ремонтопригодность, возможность быстрой замены изношенных элементов СПС.

5.1. Разработка самосмазывающихся подшипников на основе АЭФ.

В результате проведенных исследований получены машиностроительные материалы, армированные хлопчатобумажной (МАС-4ХБ) и углеродной (МАС4-УГ) тканями, основные свойства которых приведены в табл. 5.1.

Цельнополимерный подшипник скольжения целесообразно применять в тех случаях, когда его толщина находится в пределах 1,5−3 мм, так как при толщине СПС менее 1,5 мм жесткости полимерного материала не достаточно для создания посадки, обеспечивающей надежную фиксацию СПС в узле трения. При толщине СПС более 3 мм на его изготовление затрачивается много армирующего материала, что является экономически невыгодным и ведет к удорожанию СПС.

Большинство узлов трения машин (особенно тяжелонагруженные) традиционно имеют биметаллические подшипники скольжения толщиной от 5 мм, поэтому возникает необходимость в использовании металлической обойме, которая будет компенсировать недостающую толщину. Согласно этой тенденции была разработана конструкция СПС на основе материалов группы МАС-4 с металлической обоймой в двух вариантах, представленных на рис. 5.1 бив.

Конструкция СПС с разрезной металлической обоймой (рис. 5.1 б) разрабатывалась для замены имеющихся на рынке бронзовых или металлополимерных направляющих для штока гидроцилиндра, в том числе уже изношенных. От них бралась только металлическая часть, протачивалась согласно рис. 5.1 б, затем в нее устанавливался полимерный вкладыш, и эта конструкция впоследствии запрессовывалась в узел трения.

Конструкция СПС с цельной металлической обоймой (рис. 5.1 в) разрабатывалась для замены традиционных толстостенных биметаллических подшипников скольжения для тех узлов трения, где их частая замена связана с определенными затратами (временными, трудоемкости и т. д.). В этом случае также возможно использование металлической основы изношенного биметаллического подшипника, которая также протачивается и запрессовывается в узел трения, а разрезной вкладыш устанавливается уже непосредственно в запрессованную обойму, что упрощает ремонт узла в целом.

Так как данный вид СПС закрепляется в узле трения с помощью посадки с натягом, то необходимо было выяснить, какая величина натяга обеспечит такую же фиксацию, какую имеет биметаллический подшипник скольжения. Для этого была измерено усилие запрессовки этого подшипника, а затем проводился подбор величины натяга цельнополимерного СПС, результаты.

Рис. 5.3. Технологическая схема изготовления АЭФ: 1-исходные компоненты, 2-пальцевая мельница, 3-весы, 4-дозирующе-смешивающий аппарат, 5-конечный смеситель, 6-машина для раскроя ткани, 7-центробежная установка, 8-печь для термообработки изделий, 9-механическая обработка, 10-готовое изделие.

Подготовка исходных компонентов. Состав композиции был определен экспериментально: армирующий слой — УО-128 и армирующая ткань в соотношении, согласно методике расчета (глава 2.2) — антифрикционный слойУО-128 — 63 масс.%, графит ГС-1 — 7 масс.%, политетрафторэтилен Ф-4 — 25 масс.%, дисульфид молибдена Мо8г — 5 масс.%.

Исходные компоненты 1 предварительно измельчают на мельнице 2, затем взвешиваются на весах 3 и помещаются в дозирующе-смешивающий аппарат (ДСА) 4 (рис. 5.3). Смешивание компонентов происходит до получения гомогенной композиции. Армирующая ткань режется на машине 6 на полосы необходимой длины и ширины и укладывается в форму, предварительно обработанную антиадгезионным составом. После этого композицию смешивают с отвердителем в пропорции У!)-128 + ПЭПА — 10:1 в конечном смесителе 5.

Формование материала происходит на экспериментальном станке СЦФ-4 [130] согласно разработанному способу [139] подшипник формуют послойно, и, в зависимости от слоя, в металлическую втулку, предварительно обработанную антиадгезионным составом, поочередно загружают полимерную композицию на основе эпоксидного связующего и наполнителей, требуемых для данного слоя, затем выбрав режим формования, позволяющий равномерно распределить наполнитель по слою, формируют каждый слой подшипника. Кроме того, композицию каждого последующего слоя загружают в момент частичного отверждения предыдущего. Изготавливаемый подшипник может иметь неограниченное число функциональных слоев, и их конфигурация может быть различной.

Послойное формование подшипника позволяет создать структуру с гарантированным распределением наполнителей по объему подшипника, что повышает долговечность и надежность подшипника в целом. Загрузка каждого последующего слоя композиции в момент частичного отверждения предыдущего (когда вязкость композиции станет достаточной, чтобы удерживать форму слоя) обеспечивает дополнительное когезионное взаимодействие между слоями подшипника без использования дополнительных клеящих материалов.

Формование подшипника с неограниченным числом различных функциональных слоев и их различной конфигурацией повышает долговечность.

На основе исследований влияния технологических факторов на структуру получаемого материала определена оптимальная температура полимеризации -53 °С. Время гелеобразования связующего при данной температуре составляет 20 — 25 минут.

Технологический цикл формирования материалов представлен на рис. 5.4 в виде скоростного (а) и температурного (б) режимов. Ть Тг, Т3 — время подготовительной операции, операции формования и заключительной операции соответственноТ — общее время технологического цикла формования материала.

Во время подготовительной операции происходит загрузка и равномерное распределение связующего по армирующему материалу, а также нагрев формы и связующего в ней. Эта операция характеризуется низкой частотой вращения — для равномерного распределения связующего и повышенной температурой обогрева формы — для того, чтобы подаваемое тепло, преодолев тепловой градиент стенки формы, дошло до связующего. Несоблюдение технологических параметров данного этапа влияет на качество пропитки армирующего наполнителя при последующих этапах, а, следовательно, на структуру и свойства производимого материала. у га С.

2 Я ё о.

V" Т V.

IX ез.

С. ?

Я г1.

О С Т. е. К н время формования.

— уТ время формования, а б.

Рис. 5.4. Технологический цикл получения материалов.

Следующая операция — непосредственно формование — характеризуется высокой частотой вращения, и температурой, соответствующей оптимальной.

За время проведения триботехнических испытаний величина линейного износа в случае трения материала в водной среде составила 0,023 мм при этом ресурс составляет 118 км или 2,17×109 циклов или 25 ООО часов работы при данном режиме трения.

Кривая линейного износа при трении в воде имеет более пологий вид, однако прослеживается один и тот же момент для испытаний: во время приработки значение линейного износа при сухом и жидкостном трении имеют примерно одинаковые значения. Этот факт можно объяснить как плохой смазывающей способностью водной среды, так и тем что, антифрикционный слой полимерного материала имеет твердость меньше чем у армирующего. Поэтому в данном случае, при приложении нагрузки материал немного «подается», изменяя свои геометрические размеры. Величина данной деформации зависит от толщины, состава антифрикционного слоя, а также от механической подготовки поверхности трения. Это также подтверждается изменением шероховатости в зоне трения до и после испытаний (рис. 5.7).

До испытаний шероховатость составляла 2,5 мкм, а после — 1,25 мкм. Анализируя профилограммы, представленные на рис. 5.7 можно заметить, что исходный профиль поверхности материала имеет много выступов (рис. 5.7 а), которые не видны после испытаний (рис. 5.7 б). Это также подтверждают микрофотографии поверхности трения до и после испытаний (рис. 5.7 в и г соответственно).

На основании этих данных целесообразно ввести дополнительную операцию притирки или выглаживания для изделий на базе группы материалов МАС — 4 с целью уменьшения шероховатости и получения более однородной поверхности трения полимерного материала.

На рис. 5.7 в приведена микрофотография поверхности материала до триботехнических испытаний. Так как большая часть поверхности находится не в фокусе, это также подтверждает то, что поверхность имеет множество выступов и впадин (более светлые участки являются выступами, более темныевпадинами). состава пленки на поверхности трения, о чем свидетельствует изменение его цвета на фотографиях (рис. 5.8 б и в). Излишки продуктов трения удаляются из зоны трения и накапливаются на контртеле там, где имеется зазор между контртелом и подшипником трения (это хорошо заметно при триботехническом разрушении материала (рис. 5.8 г)).

5.4. Опыт применения материалов группы МАС-4.

На базе МУП Хабаровское ТТУ (филиал Северный) был произведен ремонт трамвайного подвижного состава, в котором использовались материалы группы МАС-4. Из материалов МАС-4ХБ и МАС-4УГ были изготовлены пробные партии подшипников скольжения втулочного типа, с размерами Эх (1×1, мм — 32×24×40, которые были установлены на трамвайный вагон типа КТМ — 5 М (71−605) № 384 на барабанно-кол од очный тормоз в узел трения рычага торможения. Материал вала — сталь 3. Узел работает в условиях ограниченной смазки, тяжелом температурном режиме и в него часто попадает абразив во время работы. Предполагаемый эффект от внедрения — увеличение срока службы узла трения, а также снижение стоимости ремонта данного узла за счет сокращения их числа. Фотографии узла трения и СПС представлены в приложении.

На базе ЗАО «СТС Текновуд» (поселок Терней, Приморского края) была произведена замена бронзовых подшипников скольжения с размерами БхсМ, мм — 60×50×80 на полимерные из материала МАС-4ХБ в приводе цепного транспортера пиломатериалов. Вал изготовлен из стали 14Х17Н2 с твердостью НВ 220−261. Узел работает в условиях обильной смазки средних скоростях скольжения по вращательной схеме движения, возможны ударные нагрузки при пуске конвейера.

Предполагаемый эффект от внедрения — увеличение срока службы узла трения и повышение производительности производства. Фотографии узла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан антифрикционный материал на основе армированных эпоксидофторопластов с повышенными прочностными и триботехническими свойствамиразработана модель его структуры, имеющая разделение на функциональные слои, основными из которых являются армирующий и антифрикционныйопределены критерии управления структурой и свойствами материала, обеспечивающие заданные прочностные и триботехнические свойства.

2. Экспериментально установлена эффективная степень армирования полимерного материала (соу) тканями различных видов: для тканей жесткостью 0,6 — 0,8 мкН-м (хлопчатобумажные) — 50 — 55 об. %, для тканей жесткостью 0,80 — 0,95 мкН-м (арамидные) — 40 — 45 об. %, для тканей жесткостью 1,0−1,3 мкН-м (углеродные) -40−50 об. %.

3. Разработан способ получения АЭФ, при котором армирующий материал в виде свернутой в рулон тканевой ленты под действием центробежной силы пропитывается эпоксидным связующим в металлической форме, образуя армирующий слой, на который затем наносится антифрикционное покрытие и определены оптимальные технологические режимы процесса центробежного формирования для МАС-4УГ: эффективная степень армирования материала соу=61 об %, частота вращения формы п=2000 мин" 1, температура формирования Т=53 °С.

4. Экспериментально установлен градиент свойств материала по сечению: твердость материала имеет положительный градиент изменения в направлении от внутренней к внешней поверхности. Минимальное значение соответствует твердости внутренней поверхности, а максимальное — твердости внешней поверхности.

5. Уточнен состав антифрикционного слоя АЭФ, позволяющий повысить триботехнические свойства материала: эпоксидная матрица УБ-128 — 63 масс.%, фторопласт-4 — 25 масс. %, графит пластинчатый ГС-1 — 7 масс. %, дисульфид молибдена Мо82 — 5 масс. %.

6. Разработана экспериментально-теоретическая методика исследования антифрикционных АЭФ, изготавливаемых способом центробежного формирования. Основными этапами разработанной методики являются выбор армирующего материала для данной технологии, основанный на определении следующих.