Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор по антифрикционным полимерным материалам 13
1.1. Обзор современных направлений повышения надежности и износостойкости нагруженных узлов трения 13
1.2. Системный подход к проблеме триботехники самосмазывающихся ПКМ 17
1.3. Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих 21
1.4. Особенности технологии изготовления изделий из литьевых эпоксидных композитов 29
Выводы 37
2. Объекты и методы исследования 39
2.1. Основы системного подхода к методологии создания и исследования самосмазывающихся подшипников на основе ПКМ 39
2.2. Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения 43
2.3. Микроструктурное исследование наполнителей 52
2.4. Методики исследования физико - химических, физико-механических, термических свойств и структуры полимерных композиционных материалов 54
2.5. Методики и оборудование для триботехнических испытаний пар трения 60
Выводы 70
3. Разработка и исследование технологии и оборудования для переработки эпоксидофторопластов 71
3.1. Основы технологии производства триботехнических изделий 71
3.2. Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов 73
3.3. Разработка и исследование оборудования и технологии для смешивания, дозирования и подачи эпоксидофторопластовых компаундов 79
3.3.1. Анализ процесса смешивания и создание дозирующе-смешивающего аппарата 79
3.3.2. Методика исследования параметров конусного смесителя ДСА 90
3.3.3. Исследование конструктивных и технологических параметров конусного смесителя ДСА 93
3.3.4.Микроструктурное исследование процессов смешивания и гомогенизации 101
3.4. Разработка и исследование технологии и оборудования для центробежного формирования и отверждения заготовок из материалов ЭФЛОНГ 109
Выводы 118
4. Резулбтаты экспериментальных исследовании эпоксидофторопластов 119
4.1. Исследование физико-химических свойств эпоксидофторопластов 119
4.2. Исследование адгезионной прочности эпоксидофторопластовых соединений 128
4.3. Исследование механических свойств эпоксидофторопластов 133
4.4. Изучение термостойкости композиционных эпоксидофторопластов 140
4.5. Исследование триботехнических характеристик эпоксидофторопластов 143
4.5.1. Исследование влияния фторопластовых наполнителей 144
4.5.2. Исследование влияния наполнителей на трибохарактеристики при работе эпоксидофторопластов в водных средах 146
4.5.3. Работоспособность эпоксидофторопластовых материалов в масляных средах 153
Выводы 158
5. Производственные испытания и внедрение технологии изготовления самосмазывающихся подшипников 161
5.1. Результаты производственных ресурсных испытаний судовых лебедок 161
5.2. Внедрение направляющих для станков и телескопических рукоятей манипуляторов 165
5.3. Разработка технологий ремонта узлов трения гидравлических манипуляторов 168
5.4. Применение эпоксидофторопластов в катках транспортеров 171
5.5. Создание опытной технологии производства самосмазывающихся эпоксидофторопластовых подшипников 175
Основные выводы 181
Список использованных источников 184
Приложения 198
- Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих
- Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения
- Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов
- Изучение термостойкости композиционных эпоксидофторопластов
Введение к работе
Качество машин, станков и оборудования в большой степени определяется параметрами надежности, которые в настоящее время недостаточны для большинства машиностроительных изделий, производимых и эксплуатируемых в России. Отказы техники, в основном, возникают в результате недостаточной износостойкости узлов трения [1,2,3].
Одним из направлений обеспечения надежности узлов машин является использование прогрессивных полимерных композиционных материалов (ПКМ) [4, 5, 6 - 19]. Наиболее высокие требования к ПКМ предъявляются для использования в подшипниковых узлах трения, это - низкий коэффициент трения, высокая несущая способность, износостойкость, самосмазываемость, антизадирная стойкость, вибро- и удароустойчивость, повышенная термостойкость и химическая стойкость к агрессивным средам [13, 17, 18 - 22].
За последние годы триботехническое материаловедение выдвинуло широкий класс антифрикционных самосмазывающихся материалов -наполненные фторопласты, металлополимеры, графитопласты, АМС-пластики, полимерные волокниты, металлофторопласты - применение которых значительно улучшило технические характеристики машин [5, 6, 10, 13, 104 - 108]. Применение новых ПКМ в узлах трения позволяет упростить и облегчить их конструкции, снизить трудоемкость и затраты на ремонт и обслуживание, повысить надежность при работе с низкими или высокими температурами, уменьшить загрязнение машин и окружающей среды.
В связи с развитием на Дальнем Востоке таких отраслей, как нефте-, газо- и горнодобывающая, дорожное строительство, лесозаготовительная и деревообрабатывающая, а также ростом транспорта и перерабатывающих технологий, важнейшей проблемой становится организация обслуживания и ремонта машин, а также производство запасных частей и комплектующих. Поэтому создание гибкого универсального производства триботехнических изделий на основе современных ПКМ является актуальной проблемой материаловедения и машиностроения. Данная технология должна быстро
перестраиваться на серийное или индивидуальное производство, на изготовление заготовок различной формы и размеров, состав полимерного композита должен быть универсальным для широкого спектра условий эксплуатации, а также легко изменяться, при необходимости, на другой состав. Изделия на основе ПКМ должны быть ремонтопригодны и не ухудшать технические параметры машин.
Однако разработки российских ученых недостаточно активно внедряются в производство машин по причинам технологической отсталости, недостаточной информированности, низкой конкурентоспособности [91].
Выполняемые на протяжении последних лет в Тихоокеанском государственном университете исследования, показали перспективность применения эпоксидофторопластовых материалов для широкого спектра триботехнических изделий - подшипниковых и уплотнительных систем [15, 16, 56, 66, 92, 131]. Разработанные материалы технологичны, имеют высокую износостойкость, самосмазываемость, достаточно низкий коэффициент трения, работоспособны в нагруженных узлах трения. Данные материалы, изготовленные на основе эпоксидной смолы, фторопласта-4, твердых смазок, армирующих компонентов, металлических порошков получившие обозначения ЭФЛОНГ, ЭФ ЛАСТ и ФЭЛОН перспективны для дальнейшего развития и исследования, а также для создания механизированной гибкой технологии и оборудования для переработки и производства самосмазывающихся подшипников на основе ЭФ-материалов [15, 16]. Задача совершенствования составов ПКМ и их технологий отвечает требованиям современного машиностроительного и ремонтного производства.
Данная специфическая для машиностроителей технология производства эпоксидофторопластовых антифрикционных изделий требует разработки специального оборудования, станков, инструментов и приспособлений; исследования новых технологических способов и приемов; определения режимов переработки и изготовления триботехнических изделий; исследования свойств новых износостойких ПКМ в различных условиях эксплуатации; постоянного совершенствования и модификации составов ПКМ.
Ранее выполненные исследования [15,16,56,66,92,131] больше
посвящены разработке и исследованию свойств эпоксидофторопластовых материалов и меньше вопросам технологии, специального оборудования и применению новых материалов в производственных условиях.
Решению этих задач и посвящена данная работа. В основном все экспериментальные и теоретические исследования выполнены в научно -исследовательской лаборатории композиционных материалов, на кафедрах Тихоокеанского государственного университета.
Целью настоящей работы является разработка новой группы эпоксидофторопластовых самосмазывающихся материалов с повышенной износостойкостью и прочностью, а так же повышение производительности и качества изделий за счет механизации и автоматизации технологии производства.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
Модификация и исследование эпоксидофторопластовых материалов с новыми антифрикционными и армирующими наполнителями для улучшения прочностных и триботехнических свойств.
Разработка новых составов эпоксидофторопластовых материалов и технологии их переработки и формирования изделий, содержащих в качестве матрицы эпоксидные литьевые смолы, а в качестве наполнителей и антифрикционных материалов - фторопласты, графит, дисульфид молибдена, металлические порошки, стекло- и углеграфитовые волокна.
Выполнение комплексных исследований влияния новых антифрикционных и армирующих наполнителей на физико-механические, адгезионные, структурные, триботехнические свойства разработанных ПКМ, а также установление их связи с технологическими параметрами.
Разработка методики и системы измерения свойств при триботехнических исследованиях параметров материалов в широком диапазоне скоростей скольжения, давлений, температур, и способов смазки.
Разработка и исследование специального оборудования позволяющего механизировать и автоматизировать основные операции переработки
эпоксидофторопластов в изделия - подготовку армирующих компонентов, смешивание наполнителей со смолой, формирование подшипников центробежным способом.
6. Разработка опытных конструкций узлов на основе MAC и технологии
производства изделий из эпоксидофторопластов.
7. Выполнение производственных и эксплуатационных испытаний, и
внедрение самосмазывающихся подшипников в высоконагруженные узлы машин
и оборудования на промышленных предприятиях Дальнего Востока.
Научная новизна работы
Модицифированы базовые составы эпоксидофторопластов с использованием новых компонентов в полимерных композиционных антифрикционных материалах: мелкодисперсного фторопласта, углеграфитовых высокомодульных волокон, дисульфида молибдена и металлических порошков бронзы и свинца с целью улучшения физико-механических и триботехнических характеристик при работе без смазки и водных средах.
Разработаны эффективные способы и устройства смешивания и дозирования высоковязких эпоксидных компаундов с комплексом волокнистых и порошковых наполнителей, а также отвердителей и пластификаторов.
При исследовании процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов проведена с использованием микроструктурного анализа оценка диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей определяющая степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.
Разработан широтно-импульсный способ центробежного формования изделий из высоконаполненных эпоксидофторопластов и устройство для его реализации, позволяющие изменять получаемую структуру и эксплуатационные свойства самосмазывающихся подшипников скольжения.
Новизна проведенных исследований подтверждена также 12 авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Практическая ценность работы
Разработаны и исследованы материалы типа ЭФЛОНГ (МАС-1УКІІ, МАС-2УКН и др.) для эксплуатации в узлах трения без смазки и в воде при давлениях до 100 МПа.
Разработаны технические условия на материалы антифрикционные, самосмазывающиеся (ТУ 5.960 - 34.001.85) и технологические процессы изготовления триботехнических изделий методом центробежного формирования.
Разработана широкая гамма триботехнических изделий из материалов ЭФЛОНГ, включающая втулки и вкладыши подшипников, шарнирные соединения, направляющие, подшипниковые опоры для работы на открытом воздухе, без смазки или со смазкой, в водных средах, в диапазоне температур от -60С до +120С.
Создан универсальный стенд для триботехнических испытаний новых материалов и узлов трения - измерительно-вычислительный комплекс (ИВК МФТ).
5. Созданы опытные аппараты для дозирования и смешивания
высоконаполненных эпоксидных композиций типа MAC.
Созданы опытные станки для центробежного формирования триботехнических изделий.
Создан и внедрен в производство опытно-промышленный участок по изготовлению триботехнических изделий центробежным методом на основе материалов ЭФЛОНГ.
Получены данные производственных и эксплуатационных испытаний подшипниковых и уплотнительных систем на основе материалов ЭФЛОНГ.
Материалы типа ЭФЛОНГ внедрены в высоконагруженных узлах машин и оборудования - подшипниках лебедок, опорах транспортера, в поворотных устройствах гидроманипуляторов, в гидроцилиндрах лесных и строительно-дорожных машин, в направляющих тяжелых деревообрабатывающих станков и др.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 39 работах, в том числе 12 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Работа рассматривалась и одобрена на расширенных научных семинарах кафедр «Машины и оборудование лесного комплекса» и «Литейное производство и технология материалов» Тихоокеанского государственного университета. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Опыт применения автоматических станочных систем» Хабаровск, 1988; «Проблемы и перспективы применения полимерных материалов в народном хозяйстве Дальневосточного региона» Хабаровск 1989; «Оптимизация эксплуатационных свойств опор скольжения», семинар-школа «Триболог-6М», Рыбинск, 1990; «Композиционные полимерные материалы», Ижевск, 1990; «Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования», Хабаровск, 1992; «Славянтрибо-4. Трибология и технология», Санкт-Петербург, 1997; «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (ТПКММ), Москва, 2005.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений, списка литературных источников из 154 наименований. Включает 197 страниц печатного текста, 27 таблиц, 70 рисунков.
Автор выражает благодарность своему второму научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Захарычеву Сергею Петровичу за оказанную помощь в постановке задач исследования и экспериментов, за консультации при написании и представлении данной работы к защите.
На защиту выносятся:
1. Полимерные композиционные материалы - эпоксидофторопласты на основе олигомерной матрицы, антифрикционных наполнителей и армирующих углеграфитовых волокнистых компонентов с улучшенными характеристиками антифрикционности и износостойкости в условиях работы без смазки, в водных средах или с ограниченной масляной смазкой.
Технология и оборудование для переработки эпоксидофторопластовых композитов и изготовления самосмазывающихся подшипников скольжения, включающие трудоемкие операции подготовки и измельчения волокнистых компонентов, смешивания и дозирования композиций, центробежного формирования и термообработки.
Результаты исследования физико-механических, структурных и триботехнических характеристик СПС; их взаимосвязи с эксплуатационными свойствами.
Дозирующе-смешивающее оборудование для переработки высоковязких эпоксидных компаундов, а так же методика и результаты исследования технологических и конструктивных параметров процесса смешивания и взаимосвязь их со структурой и функциональными свойствами изделий.
Результаты производственных и эксплуатационных испытаний и внедрения самосмазывающихся подшипников на основе эпоксидофторопластов.
Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих
Композиционными материалами называются искусственные материалы, состоящие из двух или более фаз. В них различают - матрицу или связующее и наполнители - материалы включения, имеющие границу раздела и различный структурный состав [1, 23, 25].
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) - класс материалов интенсивно развивающийся в последние годы. По форме строения молекул и состоящих из них звеньев полимеры разделяют на линейные, разветвленные и сетчатые [60,97].
Строение макромолекул полимеров формирует их важнейшие особенности - термопластичность и термореактивность. Термопластичные полимеры, или термопласты, к которым относится фторопласт-4, состоят из макромолекул, соединенных между собой физическими связями. При нагревании термопластов до температуры плавления физические связи исчезают, а химические - ковалентные - сохраняются, а следовательно, сохраняется химическое строение полимера. При отверждении и затвердевании расплава физические связи и физические свойства восстанавливаются [8, 40, 50].
Термореактивные полимеры состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Вследствие необратимости такой сетчатой структуры нагревание этих полимеров приводит к разрушению пространственной сетки и деструкции. Однако, густосетчатые термореактивные полимеры, в частности, полиэпоксиды, характеризуются повышенными значениями жесткости, модуля упругости, теплостойкости, стойкости к истиранию [35, 38].
Одним из наиболее распространенных термопластов, применяемый в узлах трения, является политетрафторэтилен (ПТФЭ) или фторопласт-4 и композиции на его основе. ПТФЭ отличается высокой химической и термической стойкостью, низким и стабильным коэффициентом трения, при работе без смазки [18,50]. Фторопласт-4 устойчив к длительному нагреву до 260С, минимальна температура длительной эксплуатации - 230С [8] . Однако, из-за сравнительно низкой механической прочности и хладотекучести фторопласт-4 в чистом виде практически не применяется в нагруженных антифрикционных узлах [10]. ПТФЭ без наполнителей имеет коэффициент трения 0,05-0,21 , но быстро изнашивается и обладает ползучестью при давлениях 2-4 МПа [49].
Введение в фторопласт-4 кокса (15%), дисульфида молибдена (5%) снижает износ фторопласта по чугуну на три порядка [8]. В литературе описано более 30 коммерческих марок материалов на основе фторопласта-4 отечественного производства [58,60].
Наилучшие результаты по износостойкости фторопласта достигнуты при использовании комплексных наполнителей, состоящих из синтетических волокон и металлического порошка [19]. В табл. 1.2 приведены данные по составу, методам переработки и областям применения наиболее известных фторопластовых материалов [58]. Из основных зарубежных аналогов фторопласта-4 наиболее известны ПКМ с торговыми марками Tenon, Tefzel фирмы Du Pout (США), Hostaflon фирмы Foster Grant Co (США), Fluon фирмы ICI (Великобритания), Halon и Thermocomp из США и Канады. В качестве компонентов - наполнителей для самосмазывающихся ПКМ применяются графит, кокс, дисульфит молибдена, нитрид бора, мелкодисперсные порошки металлов (свинец, медь, бронза), измельченные стекловолокна, углеграфитовые или синтетические волокна. А также жидкие антифрикционные добавки. Содержание наполнителей составляет от 1 до 10-18%. Более высокое наполнение приводит к ухудшению прочностных свойств [129]. Состав ПКМ, технология их переработки являются для большинства потребителей закрытой информацией фирм-изготовителей.
В качестве термореактивных связующих для антифрикционных ПКМ используются эпоксидные смолы, фенолформальдегидные олигомеры, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидно-новолочные сополимеры. Основные разновидности отечественных ПКМ на основе термореактивных связующих приведены в табл.1.2.
В качестве наполнителей в полимерную систему могут быть введены некоторые термопласты [7,15,16]. Введение фторопласта-4 в эпоксидную матрицу приводит к снижению коэффициента трения и повышения износостойкости [16,70]. В настоящем обзоре рассмотрим ПКМ на основе одного из лучших термореактивных связующих - литьевой эпоксидной смолы. Преимущества данного связующего объясняется низкой вязкостью, легкостью введения наполнителей, простотой отверждения при комнатной или повышенной температуре, малой усадкой, хорошей адгезией, высокой химической стойкостью и прочностью, универсальностью и технологической гибкостью в применении [17,24].
Известны и исследованы свойства ряда отечественных марок ПКМ. Композиты ЭНГ-25, ЭНГ-30 (с графитом) и ЭНМ-25 (с дисульфидом молибдена) имеют коэффициент трения 0,15-0,25 без смазки и 0,05 со смазкой [1]. Но их интервал рабочих температур от 173 до 423К [1,4]. ПКМ на основе ЭД-6 с добавками алюминиевой пудрой и минеральным маслом МК-8 имел показатели [paV] = 0,8-1,0 МПа-м/с и коэффициент трения до 0,3 [10, 58]. В табл. 1.3 и 1.4 даны триботехнические характеристики антифрикционных ПКМ на основе фторопласта-4 и термореактивных материалов, обобщенные в работе [58].
Материалы на основе ЭД-5, ЭД-6, ЭД-40 с наполнителями бронзовой стружкой, древесных опилок, алюминиевой пудры и графита применялись для работы в воде, маслах, в кислых и абразивных средах [10].
Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения
Для материалов антифрикционных самосмазывающихся (MAC) преимущественно использовалась эпоксидная смола ЭД-20 (ГОСТ 10587-76) отверждаемая алифатическим полиэтиленполиамином - ПЭПА (ТУ 6-02-594-75).
Неотвержденная смола ЭД-20 - низкомолекулярная вязкая жидкость янтарного цвета с плотностью 1,65... 1,66 г/см и динамической вязкостью при 25С - 7... 15 Па-с, которая легко растворяется во многих органических растворителях. Для уменьшения вязкости, а также устранения хрупкости в отвержденном состоянии рекомендуется применять пассивные и активные разбавители (например, низковязкие эпоксиалифатические смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1 и др.). В качестве пассивного разбавителя, не вступающего в химическое взаимодействие с эпоксидной смолой и способствующего уменьшению межмолекулярного взаимодействия применяется дибутилфталат.
Свойства отвержденных эпоксидных связующих: теплостойкость по Мартенсу -65...95 С, разрушающее напряжение 88..Л08 МПа при сжатии и 68... 137 МПа при изгибе, ударная вязкость 9,8...22,6 КДж/м , твердость по Бринеллю 98... 147 МПа, водопоглощение при 20 С в течение 24 часов -0,04... 0,08%.
«Идеальное» связующее для антифрикционных эпоксидов должно обладать высокими показателями прочности и модуля упругости особенно при сжатии и сдвиге при сравнительно большом удлинении, а также высокой теплостойкостью. К таким перспективным материалам можно отнести эпоксидно- резорциновые и эпоксидно-аминные смолы, модифицированные изоцианатами (ар =125... 130 МПа, Е= 5,0...5,5-103 МПа, єр = 3,0...7,5 % ) и др.
Стеклокловолокно используется для повышения характеристик прочности [64, 143], модуля упругости и износостойкости при жестких режимах трения за счет передачи части нагрузки от матрицы к волокнам. Для получения МАС в практике используются стеклянные волокна малого диаметра 5...11 мкм. Характеристики стекловолокон: р = 2,54...2,58 г/см , т = 3,57...4,57.10 МПа, Е = 74...88 ГПа, « = 4...5-106 К"1, теплопроводность 6-Ю8 Вт/(м-К). Антрифрикционные наполнители в композиционных материалах, как известно, выполняют функции уменьшения трения, обеспечения самосмазываемости, задиростоикости и износоустойчивости за счет создания на контактирующих поверхностях прочной защитной смазочной пленки. Разработанные материалы отличаются хорошими характеристиками самосмазывания за счет включения в их состав фторопласта-4, твердых слоистых смазок, жидких масел, порошков металлов и др.
Из антифрикционных компонентов материалов антифрикционных самосмазывающихся (MAC) основным является фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80). Для композиции используется фторопласт-4 марки 0 представляющий собой (рис. 4.12, а, б) легко комкающийся порошок белого цвета с дисперсностью 0,05...0,2 мм. Насыпная плотность материала 0,45 г/см3. По ТУ 6-05-1999-85 выпускаются марки фторопласта Ф-4А1 и Ф-4А2, представляющие гранулированные сорта фторопласта-4 с повышенной сыпучестью и большой насыпной плотностью - до 0,7 г/см3, с размером гранул 0,5...0,7 мм. Промышленностью также выпускаются тонкоизмельченные фторопласты марки Ф-4Т (ТУ 6-05-1999-85), отличающийся малыми размерами частиц - 0,025...0,04 мм.
Фторопласт Ф-4НТД. В 1986 году был разработан Ленинградским объединением «Пластполимер» и налажено его производство. Материал Ф-4-НТД (ТУ 6-05-041-553-78) разрабатывался для применения в качестве сухой смазки в узлах трения и выпускался для этих целей и в аэрозольных упаковках «Смазка 5,1 сухая фторлан». Материал обладает наиболее малой дисперсностью из всех выпускаемых фторопластов и имеет частицы размером 2-10 мкм с четко выраженной шаровидной формой (рис. 4.12, в, г). Насыпная плотность 0,5-1 г/см3.
Грабит марки ГС-1 или ГС-2 (ГОСТ 8295-73) вводится в составы для улучшения антифрикционных свойств, а также увеличения прочности, теплостойкости и теплопроводности, улучшения литейных качеств. Графит рекомендуется для материалов, работающих в узлах без смазки, на открытом воздухе, в водных средах, при повышенных температурах.
Углеродные волокнистые материалы или углеволокна получают специальной термообработкой химических и природных волокон, лигнина, каменноугольной смолы и нефтяных пеков. Углеволокна имеют структуру близкую к структуре графита. Классификация углеволокон проводится по содержанию углерода [54] (1 -до 90 %, 2 - 90-98 %, 3 - свыше 98 %), по прочностным показателям (низкопрочные, средней прочности, низкомодульные, высокой прочности и высокомодульные) и по конечной температуре термообработки (частично карбонизированные - 573-823 К, углеродистые -1073 - 2273 К, графитированные -2273-3273 К (табл.2.5). Углеродные волокна по сравнению со стеклянными более предпочтительны для MAC - они имеют более высокую износостойкость и меньший коэффициент трения. Кроме неорганических, использовались также для армирования MAC синтетические волокна, например, лавсан, капрон, фторволокна. Однако, модуль упругости этих волокон сравнительно невелик, что ограничивает их применение для армирования антифрикционных материалов. Рассмотрим свойства применяемых для образцов углеволокон - Углен-9, Грален, Эвлон и УКН-5000.
Углен-9 относится к классу угольных волокон с низкой прочностью и низким модулем. Углен представляет собой жаростойкое жгутовое или штапельное (длина резки 5 мм и более) некрученное волокно с регулируемыми электрофизическими свойствами. Оно выдерживает в инертной или восстановительной среде температуру до 3000 С без существенного снижения веса и прочности. Волокно «Углен» используется для создания теплостойких композиционных материалов, не являющихся несущими частями .
Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов
На основании проведенных исследований была разработана технология производства эпоксидофторопластов - материалов и изделий для узлов трения различных машин [15,16,71-76,78-87].
Первый полный механизированный технологический цикл создания опытных самосмазывающихся подшипниковых узлов машин показан на рис. 3.1. и включал следующие операции [100]: - подготовку исходных компонентов наполнителей, смолы, отвердителя t композиционного состава; - подготовку металлической основы; - смешивание эпоксидной смолы с наполнителями и получение композиции; дозирование композиции и отвердителя; их смешивание и подача компаунда для формирования изделия; формирование металлополимерной или полимерной заготовки центробежным способом; намоткой; прессованием; - отверждение ПКМ, термообработка и механическая обработка. Создание технологии эпоксидофторопластов включало выработку принципиальных идей, конструирование и изготовление специального оборудования, исследование и оптимизацию режимов переработки ПКМ, разработку оснастки и инструментов, автоматизацию отдельных операций, ответственных за качество конечного продукта и безопасность оператора, внедрение оборудования в технологический процесс [15, 16]. При создании технологического процесса руководствовались принципами механизации грязных и трудоемких операций; возможности производства изделий различных форм, размеров и конструкций; автоматизации контроля режимов техпроцесса; гибкости - как способности формировать различные технологические схемы производства; техники безопасности при работе оператора с исходными компонентами и компаундом. Основными операциями подготовки исходных компонентов, являются: рубка волокна, в частности, стекловолокна, а также измельчение порошка фторопласта-4 и смешивание его с графитом и волокнами (рис. 3.1, поз. 1-5). Разработаны и исследованы следующие виды рубки стекло- и углеволокна -ручной, гильотинный, многорезцовый, кривошипношатунный и эксцентриковый [66,70,72,81]. Установлено, что по параметрам производительности, качества и надежности наилучшим из способов изготовления короткого стекловолокна, является эксцентриковый способ [72]. Разработана и изготовлена опытная установка для механизированной рубки стекловолокна (рис. 3.2.). Шкив 2 приводится во вращательное движение от электродвигателя 1. Нити искусственных волокон, например ровинг, подаются с бобины 10 (или шпулей) в направляющую фильеру и поступают по ней в сторону пакета ножей 4, до упора в нижний неподвижный нож. При совпадении отверстий ножей нити втягиваются в отверстие нижнего ножа за счет упругости распрямляющихся волокон и отсоса воздуха вакуум-насосом 6. При перекрытии отверстий ножей происходит отрезание нитей. Отрезки нитей 8 отсасываются и собираются при повторном цикле резания в баке-накопителе 5, расположенном на линии отсоса перед вакуум-насосом 6. Требуемая длина отрезков волокна 8 и производительность могут изменяться в широком диапазоне при согласованном регулировании скорости подающих вальцов 9 и скорости вращения шкива устройства с верхним подвижным ножом. При этом не требуется разборки и переналадки устройства, что повышает производительность процесса резки волокон. Производительность установки до 100 г/час. В состав установки для рубки стекловолокна (рис. 3.3, а) входит устройство для рубки, вакуумный насос, механизм мерной подачи жгута, корпус. Рубленное волокно отжигают в печи при температуре 320 С в течение 1 часа с целью удаления замасливателей, связующего и повышения адгезионных свойств волокна. В результате исследований определены оптимальные режимы и параметры процесса рубки волокон: диаметр стекловолокон -8-12 мкм; способ подготовки стеклонитей - скручивание в жгут; диаметр стекложгута - 3-4 мм; частота вращения резца - 500 об/мин; диаметр отверстия - 6 мм; скорость подачи жгута -1 м/мин; эксцентриситет - 7 мм; производительность - 10-15 г/мин. Исследовались антифрикционные свойства эпоксидофторопластов в зависимости от состава армирующих микроволокон. Выполненные испытания при ступенчатом нагружении в условиях возвратно-поступательного движения при давлении 100 МПа и скорости 0,1 м/с показали, что имеют наилучшую работоспособность покрытия на основе эпоксидной смолы с фторопластом-4, графитом и армирующими коротковолокнистыми добавками, например, стеклянными волокнами [93, 136]. Добавление в смолу 3-6 масс. % фторопласта 4 повышало несущую способность до ра= 50 МПа с коэффициентом трения 0,03 0,05 [53, 57]. Увеличение количества фторопласта Ф-4 более 20 масс. % в композицию приводило к увеличению износа образцов. Установлено оптимальное содержание фторопласта-4 и графита ГС-1 в эпоксидной композиции [140]. Армирующие волокна - грален и УКН-5000 в виде нарубленных отрезков нитей длиной 1-3 мм добавляли в ЭФ-материалы в количестве 1, 2, 5,10, 15, 20 масс. %.
Изучение термостойкости композиционных эпоксидофторопластов
Экспериментально установлено, что режим формирования и отверждения позволяет управлять структурой материалов ЭФЛОНГ, адгезией покрытия к металлической основе, шероховатостью, пористостью, а следовательно и эксплуатационными свойствами изделий. В результате большого количества экспериментов обобщены наиболее типовые температурно - скоростные режимы формирования и отверждения материалов ЭФЛОНГ (рис. 3.29). Цикл изготовления разделен на три стадии: I скоростное формование; II - отверждение; III - термообработка. Выделены три основные разновидности скоростного режима: ІА - стационарный; Установлены оптимальные условия формирования изделий центробежным способом. При стационарном режиме формирования наблюдается заметная ликвация наиболее крупных и тяжелых частиц, в частности, фторопласта. В практике следует применять режим обработки (ІБ) - двухступенчатый, включающий высокоскоростной и низкоскоростной периоды (рис. 3.29). В высокоскоростном периоде формирование с повышенными частотами вращения происходит разгон и равномерное растекание композиции по внутренней поверхности формы, удаление газовых включений - пор и пузырьков из слоя полимерной смеси и перераспределение наполнителей под действием центробежных сил в зависимости от их плотности, конфигурации и размеров включений, количества их содержания в смеси. Частота вращения и продолжительность высокоскоростного периода определяется комплексом параметров смеси: физико-механическими свойствами компаунда и наполнителей, входящих в состав смеси, прежде всего вязкостных и адгезионных, а также и габаритами формируемого изделия (длины, диаметра и толщины втулки).
Продолжительность высокоскоростного периода формирования с повышенными частотами вращения ограничивается процессом ликвации композиции - быстро развивающимся процессом расслоения компонентов смеси в зависимости от их плотности под действием высоких центробежных сил. Частота вращения и продолжительность низкоскоростного периода также определяются указанным комплексом параметров смеси, а также и степенью ее полимеризации.
Разработан способ и технология центробежного формирования [76], при котором производится многократное чередование периодов вращения формы с низкой и высокой скоростью вращения. При этом, задаваемый скоростной и температурный режим (Т = 40...90С) зависит от состава полимерного композита и габаритов формируемых изделий.
Повторяющиеся короткие высокоскоростные режимы способствуют равномерному растеканию полимерной смеси по внутренней поверхности формы, лучшей адгезии полимера к металлической основе и эффективному удалению газовых включений (пузырьков) из слоя полимерной композиции, а введение низкоскоростных длительных периодов способствует предотвращению ликвации (расслоения) компонентов под действием центробежных сил (рис. 3.29,в). Чередование высоко- и низкоскоростных периодов позволяет оптимизировать процесс формирования, сочетать в компромиссном решении факторы антагонистического характера, достигнуть требуемого качества формируемого изделия и обеспечить равномерность внутренней структуры формируемого слоя. В результате уменьшается образование внутренних дефектов, снижаются внутренние напряжения в стенке изделия после полимеризации, обеспечивается возможность формирования изделий, различных по диаметру и длине. Центробежным способом рекомендуется наносить покрытия на втулки диаметром от 30 до 150 мм. Продолжительность обработки и частота вращения зависят от конструкции детали и температурного режима обработки - для цилиндрических втулок общее время формирования 10...20 мин при частоте вращения 20...60 с"1, а для втулок с торцевыми покрытиями - до 30 мин при частоте 100 с"1. Применяется как поштучная, так и обработка партии 3...8 деталей в кассете. После формирования покрытия установка переключается с максимальных (до 6000) на минимальные обороты 40... 100 мин"1 до отверждения композиции, которое устанавливается для MAC 15 мин при температуре 70 С и до 40 мин при температуре 25 С. Отверждение композиции производится и в сушильном шкафу, куда устанавливается снятая деталь в сборе с крышками. Способ центробежного формирования обладает теми же преимуществами, что и ручной способ, однако его производительность и качество получаемых изделий значительно выше. Оптимальная температура в зоне калориферного обогрева - от 250 до 300 С в начальный период и до 150 - 200 С - при отверждении изделия. 1. Разработана общая схема технологического цикла производства триботехнических изделий на основе композиционных материалов ЭФЛОНГ. 2. Разработаны устройства для подготовки исходных компонентов установка для рубки стекловолокна УРС-2, мельница для фторопласта и графита МП-1 и установка для хранения и дозированной подачи эпоксидной смолы УЭС-3 и экспериментально определены конструктивные параметры, технологические режимы их эксплуатации. 3. Создан дозирующее-смешивающий аппарат (ДСА) и экспериментально определены оптимальные режимы переработки композиций ЭФЛОНГ. 4. Созданы настольные станки для центробежного формирования (СЦФ) самосмазывающихся подшипников из композиций ЭФЛОНГ. Установлены виды температурно-скоростных режимов. Предложена схема широтно-импульсного формирования эпоксидофторопластов с чередующимися скоростными режимами. 5. На основании микроструктурных исследований процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов экспериментально установлен эффект диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей, определяющий степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.
