Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие современного машиностроения невозможно без применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в машинах и механизмах. Из всего многообразия сфер применения материалов наиболее жесткие требования к ним предъявляют узлы трения. Низкий коэффициент трения, высокая нагрузочная способность, износостойкость, высокая скорость скольжения, ударо- и вибростойкость, самосмазываемость, теплостойкость – этим всем требованиям должны отвечать современные материалы для подшипниковых систем. В связи с тем, что постоянно растут нагрузки на узлы трения, увеличиваются скорости скольжения, существующие материалы не всегда способны удовлетворить постоянно растущие потребности машиностроения. Таким образом, разработка и исследование новых материалов с повышенными механическими и триботехническими характеристиками для нужд машиностроения является актуальной задачей материаловедения.
В последнее время материаловедение в области ПКМ интенсивно развивается. Имеются исследования в области материалов на основе фторопластов, полиамидов, полиуретанов, металлополимеров. Проблемам создания и исследования полимерных композиционных материалов для узлов трения посвящены труды А. П. Семенова, В. А. Белого, Б. Д. Воронкова, Ю. Н. Васильева, Н. П. Истомина, В. К. Крыжановского, А.В. Чичинадзе, А.А. Берлина, А. П. Краснова, В. А. Иванова, А.А. Охлопковой, В.В. Рыбина и других ученых.
Известные материалы, применяемые для узлов трения - графитопласты, фторопласты, полиамиды, металлополимеры, как правило, узкоспецифичны, не всегда отвечают предъявленным требованиям. Известны ПКМ на основе эпоксидных связующих, получаемых центробежным способом с высокими механическими и триботехническими свойствами (МАС-1, МАС-2). Однако для их изготовления приходилось использовать металлическую основу, изготавливать специальные соединения основы и антифрикционного покрытия, использовать клеи, что вело за собой усложнение технологии их изготовления.
Одним из перспективных способов получения армированных эпоксидофторопластов (АЭФ) является центробежное литье. Однако, процесс центробежного формирования материалов является малоизученным. Например, отсутствует описание процесса получения градиентных ПКМ с многослойным армированием центробежным формированием, не описаны вопросы, связанные с пропиткой тканевых армирующих материалов с помощью данного способа. Отсутствует описание влияния технологических факторов на структуру и свойства материалов, получаемых центробежным способом.
Таким образом, создание антифрикционных полимерных материалов с повышенными механическими и триботехническими характеристиками, исследование их структуры и свойств, создание технологии получения материалов способом центробежного формирования является актуальной задачей современного материаловедения. Решению этой задачи и посвящена данная диссертационная 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 2007–2008 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. (рег. № 01200963319 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 свойствами; разработана модель его структуры, имеющая разделение на функциональные слои, основными из которых являются армирующий и антифрикционный; определены 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 мкНм (хлопчатобумажные), ткани средней жесткости 0,80 – 0,95 мкНм (арамидные) и ткани высокой жесткости 1,0 – 1,3 мкНм (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 V=61 об. %, удельное давление от центробежной силы pЦ= 0,06 МПа, (частота вращения формы n=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 контакта; определение эффективной степени армирования материала в зависимости от типа тканевого наполнителя; экспериментальное 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/м3, предел прочности на растяжение – 123,14 МПа, предел прочности на сжатие – 235,47 МПа, несущая способность - 109,13 МПа (V=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:
-
Структура градиентного АЭФ получаемого методом центробежного формирования, с повышенными характеристиками несущей способности, износостойкости и прочности.
-
Экспериментально–теоретическая методика исследования антифрикционных материалов, полученных центробежным формированием.
-
Результаты исследования физико-механических и триботехнических свойств армированных эпоксидофторопластов, полученных центробежным формированием.
-
Выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров процесса центробежного формирования при получении антифрикционных АЭФ.
-
Технология получения антифрикционного материала с повышенными механическими и триботехническими свойствами способом центробежного формирования.
-
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 нано- до 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 Х международные симпозиумы «Современные материалы и технологии» (17 – 18 октября 2007 и 5 – 9 октября 2009 г. Хабаровск);
на конкурсах-конференциях:
Наука – Хабаровскому краю: Х 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 158 стр., включая 50 рисунков и 29 таблиц.
