Прочнее, тверже, долговечнее

Современные композиционные материалы на основе полимеров позволяют повысить эксплуатационный ресурс и надежность машин, обеспечив при этом значительные материальные выгоды и экономический эффект.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло- и углепластикам.

Эксплуатационная долговечность машин и механизмов в ряде случаев определяется надежностью работы узлов трения. Применение фрикционных деталей из цветных и специальных подшипниковых сплавов для их надежной работы требует выполнения ряда условий — смазки, специальных устройств, защищающих узлы трения от воздействия абразивных частиц, загрязнений, агрессивных сред, механических повреждений. Для малонагруженных и низкоскоростных узлов трения техники различного назначения использование подшипников скольжения из металлических сплавов конструктивно не обоснованно и экономически нецелесообразно.

Композиционные материалы для деталей узлов трения

Полимерные материалы в чистом виде практически не применяются для изготовления деталей узлов трения. Это связано с их высоким коэффициентом поверхностного трения деталей из них, недостаточной термо- и теплостойкостью, низкой износостойкостью. Для повышения эксплуатационных характеристик полимерных материалов разрабатываются новые связующие с требуемыми характеристиками, многотоннажно выпускаемые материалы модифицируются функциональными добавками, трущиеся поверхности обрабатываются специальными методами.

Состав полимерного композита зависит от конкретных экономических, конструктивных, технологических и эксплуатационных требований. Например, для полимерных подшипников скольжения в автомобилях и сельскохозяйственных машинах на первый план выдвигаются экономические (стоимость, доступность сырья) и технологические (методы переработки в изделия, возможность регенерации технологического брака) аспекты. При использовании полимерных конструкций в единичных образцах техники, особенно эксплуатирующейся в экстремальных условиях, естественно, большее значение имеют эксплуатационные и конструктивные требования — заданные физико-механические свойства, термо- и теплостойкость и т. п.

Исследование механизма трения и изнашивания полимеров показало, что наиболее существенное влияние на фрикционные характеристики оказывают природа контактирующих материалов, нагрузочно-скоростные и тепловые режимы трения, условия смазки, топография поверхностей трения. Работа узла трения во многом зависит от температуры и состава окружающей среды, наличия абразива, воздействия агрессивных и коррозионно-активных сред.

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости материала в состав связующего компонента обычно вводят от 0,1 до 40% мас. сухих смазок — графита, сульфидов металлов, солей высших кислот, талька, слюды и др. Такие вещества обладают способностью образовывать на поверхностях трения легкоподвижные слои. В последние годы широкое распространение получил метод повышения фрикционных свойств полимерных материалов путем введения в их состав жидкофазных смазок и смазочных масел. При добавлении жидких компонентов в пределах, превышающих их совместимость с полимерным связующим, выделяется избыток жидкости из матрицы. Наличие в зоне трения градиента температур способствует миграции смазочной жидкости с повышенной температурой. Таким образом, на поверхностях трения непрерывно генерируется смазочная пленка. При снижении температуры в зоне трения скорость миграции смазки замедляется, что способствует обеспечению эффекта самосмазывания в течение длительного времени.

Недостатком антифрикционных материалов, содержащих жидкие смазки, является ограниченность ресурса работы узла трения. Это связано с относительно небольшим количеством жидкой смазки, которую можно ввести в полимерный материал без существенного усложнения технологии изготовления и переработки. Частично данные недостатки устраняются при использовании специальных поглотителей жидкой смазки, которые могут адсорбировать значительные объемы жидкости при небольших собственных объемах. Таким образом, появляется возможность перерабатывать композиции, содержащие до 40–50% об. жидкой смазки, на стандартном технологическом оборудовании. В качестве поглотителей (адсорбентов) смазки используют порошки металлов, оксидов, графита, полимеров, силикатов и других веществ.

Эксплуатационный диапазон применения полимерных антифрикционных материалов часто определяется теплостойкостью полимерного связующего и теплопроводностью композиции. Так, при скачкообразном изменении нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации, вызванном экстремальными ситуациями, основной причиной отказа металлополимерного узла трения является тепловое разрушение подшипника.

Интересен метод повышения износостойкости узлов трения, заключающийся во введении в полимерное связующее добавок, способных к полимеризации — трибополимеров. Образование трибополимерной пленки в зоне трения обеспечивает снижение износа узла. Дефицитность трибополимеризующих присадок и ограниченный диапазон проявления этого эффекта сдерживают развитие этого направления.

Перспективным направлением повышения износостойкости полимерных материалов и композитов на их основе является диффузионное насыщение поверхностных слоев деталей трения целевыми добавками. Это позволяет достичь значительного эксплуатационного эффекта при относительно небольших экономических затратах на модификацию изделий.

Важный момент в проектировании новых полимеров — изучение влияния эффекта мономера и химической структуры полимера на такие свойства, как «адгезия» (слипание), «связывающее напряжение», водопроницаемость, диэлектрические и оптические характеристики. Чтобы гарантировать хорошую адгезию между компонентами, в дальнейшем необходима поверхностная обработка, а чтобы облегчить обработку полимера, могут использоваться лубриканты — «смазочные материалы». Они представляют собой вещества, которые при добавлении в небольших количествах обеспечивают значительное уменьшение движения цепочек или сегментов полимера.

Приведем несколько примеров. Замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа — с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость — на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%.

По данным ведущих мировых машиностроителей практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических прессматериалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различные тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения о производстве зубчатых колес для тракторов из капрона. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, кроме того, такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция — полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. Для них тоже отмечается резкое снижение механических потерь и увеличение срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания — это изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения областей использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, а такие, которые могут поспорить даже с алмазом.

Еще один пример добавок в полимеры. Динамичное развитие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки приводят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим справиться. На помощь могут прийти синтетические материалы, например, полиамидная пленка. Пленку толщиной 25 мкм нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытягивают, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную массу, имитирующую траву. Во избежание загорания в полимер добавляют огнезащитные средства. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание — и травяной корт, футбольное поле или иная спортивная площадка готовы к использованию, а по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми покрытиями.

Старение полимерных материалов

Актуальной проблемой для полимерной промышленности остается борьба со старением полимерных материалов. Для этого разрабатываются новые виды противостарителей (стабилизаторов, антиоксидантов и др.), предохраняющих полимер от деструкции под воздействием тепла, кислорода, ультрафиолетового облучения и т. п. Для получения определенных физико-механических и эксплуатационных свойств полимера используются специально подобранные вулканизующие агенты и ускорители. Это особенно важно для таких критических узлов, как узлы трения деталей. И чем сложнее устройство, тем критичнее эта проблема…