Трущиеся детали триботехника

Высокой химической стойкостью и малым  водопоглощением обладает полимер пентапласт. Его применяют для изготовления деталей узлов трения повышенной точности (шестерен, уплотнительных манжет, уплотнительных колец и т.д.). Детали из пентапласта можно длительно эксплуатировать при температуре 120¸130 ºС, кратковременно - при 135¸150 ºС. Пентапласт перерабатывают всеми методами на оборудовании, применяемом для термопластов. Коэффициент трения при давлении 5 МПа (температура 20 ºС) для пары трения пентапласт-пентапласт составляет 0,13-0,15; для пары пентапласт-закаленная сталь - 0,11-0,13. Для повышения механических свойств в пентапласт вводят минеральные наполнители: графит, смолу, стекловолокно, окись хрома и др.

Полиформальдегидные смолы  - термореактивные полимерные материалы, применяемые для изготовления деталей узлов трения в машиностроении (шестерни, втулки, муфты сцепления, подшипники, сепараторы и др.). Эти материалы обладают высокой стойкостью по отношению к органическим растворителям, действию горячей воды, растворов солей, морской воды, щелочей, растворов органических кислот. Изделиям из полиформальдегидов свойственна высокая жесткость, стабильность размеров, высокая износостойкость, стойкость к старению; их можно эксплуатировать при температуре до 120 ºС. Коэффициент трения чистого полиформальдегида по стали без смазки - 0,30-0,35. Для повышения износостойкости и улучшения антифрикционных свойств полиформальдегид наполняют стекловолокном, фторопластом, дисульфидом молибдена, углеродным волокном, коксом, сажей, графитом. Введение в сополимер полиформальдегида 15-20% фторопласта снижает коэффициент трения в 1,5-2 раза, интенсивность изнашивания - в 3-4 раза.

Эпоксидные полимеры широко применяют при изготовлении деталей узлов трения. Они обладают хорошей адгезией к металлам и другим материалам, высокой механической прочностью, малыми усадкой и водопоглощением, вибро- и щелочеустойчивостью, хорошими электроизоляционными свойствами. В качестве наполнителей используют графит, кокс, дисульфит молибдена, нитрид бора, оксиды металлов, различные волокнистые материалы. Введение в эпоксидные смолы фурановых олигомеров и специальных добавок увеличивает твердость, жесткость, нагрузочную способность и износостойкость.

Композиционные материалы  на основе эпоксидных смол применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих в агрессивных средах  и в вакууме при температурах от -100 ºС до 200 ºС, в воде, керосине и других средах.

Ещё одним классом трибополимеров являются полимерные самосмазывающиеся материалы.

Свойства материалов на основе фторопласта  приведены в табл. 5.5., а на основе полиимидов - в табл. 5.6. Для повышения антифрикционных свойств полиимиды армируют и наполняют твердыми смазывающими материалами.

Материалы на основе полиимидов

Полиимиды отличаются высокой термической  и термоокислительной устойчивостью. Они начинают разлагаться на воздухе только в области температур 350 – 450 ºС, а в вакууме или инертной среде - при 500 ºС. Полиимиды относятся к самым радиационностойким материалам, что в сочетании с малой летучестью делает их перспективными для применения в узлах трения, работающих в вакууме. Изделия из полиимидов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200¸260 ºС. Например, полиимид ПМ-69 сохраняет 90% прочности при изгибе после 500 ч работы при 250 ºС и после 100 ч работы при 300 ºС. Ценным свойством полиимидов является высокое сопротивление ползучести, особенно при высоких температурах. Возможность применения полиимидов для изготовления деталей высокой точности обеспечивается их малой усадкой (0,7-1,0%) при прессовании и спекании и небольшим (0,2-0,3%) водопоглощением.

В табл. 5.7. приведены составы и  основные свойства самосмазывающихся  композиционных материалов на основе полиимидов. Коэффициент трения этих материалов с увеличением скорости скольжения снижается. Детали узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых изделий, например подшипников, к полиимиду добавляют полиформальдегид. При температуре до 340 ºС наиболее эффективно работают композиции, содержащие 45% графитиро-

ванного волокна (коэффициент трения снижается до 0,05 - 0,10) при допустимом контактном давлении 350 МПа. 

Подшипники, изготовленные из наполненного полиимида с хаотично ориентированными графитированными волокнами, надежно работают при давлении до 28,5 МПа и имеют износостойкость при 50 и 315 ºС соответственно в 7 и 1,5 раза большую, чем в случае ориентации графитовых волокон вдоль направления скольжения. Для работы в области криогенных температур применяют полиимиды, наполненные бронзой. Фирма "Баден" (США) разработала самосмазывающиеся шарикоподшипники, работоспособные в интервале температур -50 +260 ºС при частоте вращения до 800 с^-1. Сепаратор этих подшипников изготовляют из пористых полиимидных материалов SP-8 и SP-811.

Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях ограничивает их использование в вакуумной технике, а также хрупкость, предъявляющая особые требования к технологии обработки деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую стоимость. Поэтому их применяют лишь для изготовления ответственных деталей подвижных сопряжений, работающих в экстремальных условиях.

Материалы на основе поликарбоната

Композиционные материалы на основе поликарбоната относятся к перспективным для деталей узлов трения благодаря высоким механической прочности и ударной вязкости, стабильности свойств и размеров деталей в широком интервале температур, стойкости к атмосферным воздействиям. Эти материалы устойчивы к ультрафиолетовому излучению и резким перепадам температур, но имеют ограниченную стойкость к действию ионизирующего излучения.

Материалы на основе поликарбоната  применяют для деталей уплотнений, клапанов и других элементов, работающих в вакууме, в инертной газовой  и других средах при температурах –50 ¸ 110 ºС. В табл. 5.8. приведены состав и свойства некоторых материалов на основе поликарбоната.

Триботехнические характеристики композиционного материала ДАК-8 при трении на воздухе и в вакууме  в различных контактных парах  приведены в табл. 5.9.

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в поликарбонат вводят специальные наполнители и твердые смазки. Введение дисульфида молибдена, графита или 15-20% фторопласта - 4 снижает коэффициент трения  в 2-3 раза. К недостаткам поликарбоната следует отнести склонность к образованию микротрещин в поверхностном слое под влиянием остаточных напряжений после механической обработки и вследствие инородных включений и микропор. Поэтому обязательной финишной операцией должна быть термообработка для снятия остаточных напряжений.

Материалы на основе полиэтилена

Термопластичный полиэтилен используется в качестве полимерной основы композиционных самосмазывающихся материалов благодаря  своей низкой адгезионной способности, достаточно высокой механической прочности, химической инертности и хорошей технологичности. Наибольшее применение получил полиэтилен низкого давления (ПЭНД), имеющий  более упорядоченную структуру макромолекул, более высокие степень кристалличности (75-85%), плотность, механическую прочность, модуль упругости при изгибе и теплостойкость.

Для улучшения триботехнических характеристик  в ПЭНД вводят фторопласт-4, гексафторэтилен, дисульфид молибдена, графит, пентапласт, поликарпоамид, металлы.

В табл. 5.10. приведены основные физико-механические и триботехнические характеристики ПЭНД.