Полимерные подшипники скольжения

13. Относительная износостойкость (отношение показателей износостойкости двух различных антифрикционных подшипниковых материалов при изнашивании в одинаковых условиях). 

14. Температуростойкость (свойство антифрикционного подшипникового материала сохранять работоспособность при широком диапазоне температур).

15. Сопротивление  усталости (свойство подшипникового материала в трибологической системе оказывать сопротивление усталости). 

 

2.2.2 Требования к материалам для подшипников, работающих без смазки

 

В целях выбора материалов для подшипниковых узлов  необходимо разработать основные требования, предъявляемые к ним. Применительно  к работающим при недостаточном  смазывании подшипниковым узлам  станков эти требования можно  изложить следующим образом.

1.  Материалы  должны обладать более высокой  износостойкостью, чем сплавы из  цветных металлов, применяемые для  подшипников скольжения.

2.  В случае  прекращения смазывания материалы  при работе в паре со сталью  не должны образовывать задиры  на сопряженных поверхностях  трения.

3.  Материалы  должны минимально изнашивать  металлические контртела, работающие в паре с подшипником скольжения.

4.  Попадание  загрязненного масла, содержащего  продукты изнашивания шестерен, окалину и т. п., не должно резко снижать износостойкость поверхностей трения. Материалы не должны терять работоспособность и образовывать задиры на сопряженных поверхностях при воздействии продуктов резания и изнашивания абразивного инструмента.

5.  Подшипники  из этих материалов должны  сохранять работоспособность в  случае проникновения в зону  трения различных сред, не обладающих  смазочными свойствами (например, охлаждающей  жидкости).

6.  Допустимая  температура эксплуатации материалов  должна быть не ниже 80 °С.

7.  Уменьшение  рабочих диаметров втулок из  этих материалов в результате  повышения температуры и влажности  окружающей среды должно обеспечить  возможность работы подшипников  при сборочном диаметральном  зазоре не более 0,1-0,2 мм. Ориентировочными подсчетами можно показать, что для этого предельное относительное изменение размеров втулок не должно превышать 40 мкм/мм при толщине полимерного слоя подшипника до I мм, 20 мкм/мм — при толщине до 2 мм и 8 мкм/мм — при толщине до 5 мм.

8.   Характеристики  трения новых материалов по  стали должны быть не хуже, чем у сплавов из цветных  металлов.

9.  Материалы  не должны быть дефицитными,  дорогими, токсичными.

10.  Методы  изготовления деталей из этих  материалов должны быть удобны  для организации централизованного  производства взаимозаменяемых  деталей. При этом трудоемкость  и доля ручного труда при  изготовлении подшипников должны  быть минимальны.

 

Материалы, отвечающие указанным требованиям, позволят снизить себестоимость  и трудоемкость изготовления подшипников, повысить надежность и долговечность  работы узлов, упростить их эксплуатацию и ремонт. К таким материалам относятся  антифрикционные полимерные материалы. В настоящее время производство полимеров является одной из самых  динамичных подотраслей химической промышленности. Среди конструкционных полимеров наиболее видное место занимают материалы антифрикционного назначения. В таблице 1 представлены торговые марки АПМ, выпускаемых в различных странах мира.

 

Таблица 1 - Сравнительная характеристика АПМ

 

Группа	вид		Основа		Основные наполнители		Армирующие элементы		Предельные значения paV, Мпа*м/с		Температура эксплуатации максимальная, 0С		Коэффициент трения без смазки		Особенности применения		Показатель относительной стоимости		Торговая марка		Страна изготовитель или фирма
1	A		Полиамид 6						0,08		90		0,4		Влагопоглощенне   при нормальных условиях 4 %, высокая абразивостойкость		1		Мирамид НЗ                    Торнамид Т-27 ПА6-210, ПА6-211       Ультрамид В Силон                                Технил С                          Бонамид		ГДР ПНР СССР БАСФ ЧССР Рон-Пуленк ВНР
2			Блочный полиамид 6		2 – 10% масла				0,12		100		0,2				2 – 3		Ойлон DE EP10		-
3			Пористый полиамид порошковый		20% масла, МоS2 или графит				0,70 0,12		100 100		0,1 0,3				4 2 – 3		Найлосинт Найлосинт		- -
4			Полицеталь						0,10		100		0,25		Влагостойкость, Высокая жесткость		1		Дельрин СФД, СТД Кематал Хостаформ С9021 Ультраформ N2320 Тарноформ		Дюпон СССР Ай-Си-Ай Хёхст БАСФ   ПНР
5			Высокомолекулярный полиэтилен (ВМПЭ)						0,10		90		0,35				2		ВМПЭ 87-1 Луполен 4261А 1900UHMW		СССР БАСФ  Геркулес
6			ПЭВП		Медь и окись свинца				0,05		70		0,25		Повышенная износостойкость		2		Ульра-уэр		-
7			Полисуфон		ПТФЭ И др.				0,15		130		0,2				3		Термолюбе Удель Вайтрекс		- - -
8			Полиуретан(Эластомер)						-		60		0,3				1		Десмопан Полисет Витур		- - СССР
9	В	Резина		Уголь		Слой бронзовой сетки		0,03		70		0,8		При смазывании водой (f=0.05)		4		Кутлесс		-
10	D	Ткань из волокон ПТФЭ		MoS2, Целлюлозные полиэфирные  волокна		Металлические, стеклянные волокна, пропитанные  эпоксидной смолой		0,7		150		0,05-0,25		При низких скоростях скольжения		2-4		Файберглайд Унифлон Дуролон Файберслип Бифо Гар-Мекс		Ампеп - - - - -
11	F	Фенолформальдегидные смолы		Графит ПТФЭ Кокс и др.		Асбестовые, хлопчатобумажные волокна  или ткани		0,10-0,16		150		0,2-0,4				1-2		Туфлон Феробестос АФ-3Т Капропласт КПГ Текстолит графитированный АТМ-1 Питтоид		- - СССР СССР СССР   СССР -
12	D	Эпоксидные смолы		ПТФЭ минеральный и/или другой наполнитель		Стальная лента		0,7		150		0,25		Покрытие напыляется на ленту, покрытую слоем бронзового порошка		2-3		Флуоролон Куфалойт Аральдит KU Столлодур ЕР Оксипласт Триторга		- - ЦИБФ АГ Столак АГ ВНР Ковенберг
13	F	Эпоксикремнийорганическая смола		ПТФЭ, Графит, MoS2 и др.				0,3		150		0,25				1-2		АМС-1, АМС-3 Ксилан Армоукотс		СССР - -
14	F	Силиконовая смола				Асбестовая ткань или мат.		0,08		250		0,6		Высокая теплостоцкость		2		Феробестос		-
15	C	Полифенилен-сульфид		ПТФЭ, графит		Стекловолокно или металлическая  основа		0,7		200		0,25		При кратковременной эксплуатации до 3000С		2-3		Рутон   Дукор Термокомп		Петролеум - -
16	С	Полиамид		ПТФЭ или графит				0,7		240		0,15		При кратковременной эксплуатации до 3200С		3-4		Торлон Мелдин		- -
17	С	Ароматический полиамид		ПТФЭ и/или графит		Углеродное или полиамидное волокно		0,7		220		0,25		Высокая технологичность и механические свойства		3-4		Варпельк Фенилон ФГ Фенилон ФА		- СССР СССР
18	C	Полиимид		ПТФЭ, MoS2 CdO, Графит и др.				1,0		280		0,15		При кратковременном воздействии 4000С при смазывании водой и паром		3-4		ПАМ-15-67 ПАМ-12-69 ПАМ-50-67 ПАМ-50-69 Веспель SP Кинель Енвекс Филимид Довапласт		СССР СССР СССР СССР - - - - -
19	С	Полиимид		ПТФЭ, графит, жидкое масло				1,5		200		0,1				5		Веспель		-

 

Классификация АПМ по видам:

А — ненаполненные термопластичные материалы;

В — наполненные термопластичные материалы (исключая ПТФЭ);

С — теплостойкие полимеры;

D—тонкослойные листовые материалы;

Е—наполненные материалы на ПТФЭ;

F — армированные термореактивные пластики.

Примечания: За единицу принята относительная стоимость полиамида 6. При повышении на единицу показателя относительной стоимости стоимость материала повышается в 2 — 3 раза.[2,3,4].

 

2.2.3 Характеристика АПМ на основе литьевых термопластов

 

Из таблицы 1 следует, что из большинства материалов на основе термопластов (полиамидов, полиацеталей, полиэтиленов) изготовляют изделия высокопроизводительными методами, что объясняет относительно низкую стоимость изделий .

Из  представленных групп АПМ абсолютное большинство составляют термопласты. По числу марок и массе выпуска выделяются полиамиды, являющиеся в настоящее время наиболее распространенными конструкционными термопластичными материалами. Существуют несколько типов полиамидов, отличающихся исходным сырьем, но близких по эксплуатационным свойствам.

 

Таблица 2 - Свойства полиамидов различных типов (испытания по ASTM- Американское общество специалистов по испытаниям и материалам)

 

Параметр	66(8)	6(1)	12 (13)	11 (12)	Блочный (5)
Плотность , г/см3 Температурный   коэффициент  линейного расширения *105, 0С-1 Модуль упругости Еизг, Гпа Удлинение , % Твердость НRС Влагопоглощение за 24ч, %	1,13-1,15 8,1     1,5 60 120 1,5	1,13 8,3     1,4 200 119 1,6	1,06-1,08 9,0     1.0 150 114 0,4	1,04 9,1     0,6 120 - 0,4	1,15-1,17 9,0     - 10-50 112-120 0,9

 

Плотность полиамидов близка к плотности воды. Наиболее распространенный полиамид 60 перерабатывают методами экструзии и литья под давлением. Второй по распространению полиамид 6 имеет более низкую, чем полиамид 66 точку плавления и кроме указанных методов допускает переработку в изделия методами центробежного литья и напыления. Возможно получение блочного полиамида 6 , удобного для изготовления крупногабаритных деталей. Упомянутые типы полиамидов отличаются значительным влагопоглощением, сопровождающимся изменением размеров (примерно 3,5 мкм/мм на 1 % влагопоглощения). Полиамиды менее чувствительны к влаге, вследствие чего обладают лучшей стабильностью размеров. Однако их изготовляют из дорогостоящего и дефицитного сырья, вследствие чего их значительный выпуск в настоящее время невозможен.

Полиамиды обладают сравнительно высокой износостойкостью. Так, испытания полиамида 6 (группа 1) при трении без смазки со скоростями скольжения V = 0,4-1-2,0 м/с и давлениями р_а = 0,5-3,5 МПа показали, что он по износостойкости в 1,6 раза превосходит текстолит (термореактивный пластик на основе фенолформальдегидной смолы и хлопчатобумажной ткани) и в 11 — 12 раз — бронзу. С введением смазочного материала различия в износостойкости этих материалов значительно сокращаются, но и в этих условиях износостойкость полиамида 6 выше износостойкости каждого из этих материалов.

Отличительной особенностью АПМ является то, что  при смазывании водой их работоспособность  не хуже, чем при смазывании минеральными маслами. Поэтому в случае попадания охлаждающих жидкостей в узлы, выполненные с применением полимерных материалов, их работоспособность не снизится.

Многочисленные  исследования показали, что полиамиды обладают сравнительно высокой работоспособностью при работе в абразивной среде. Следует отметить, что из всех полиамидов именно полиамид 5 обладает наилучшей абразивостойкостью.

Важным качеством  антифрикционных материалов является степень их воздействия на поверхность контртела АПМ видов А—Е значительно меньше изнашивают вал, чем цветные металлы и АПМ вида F.

В нашей стране кроме полиамида 6 выпускают и другие полиамиды, перекатываемые в изделия методами литья под давлением и экструзии. Наряду с традиционными, сравнительно дешевыми литьевыми сополимерами   капролактама и солей АГ, выпускаемыми под торговыми марками АК 80/20 и АК (ГОСТ 19459—74).

Для улучшения  эксплуатационных свойств эти материалы  наполняют антифрикционными добавками (дисульфидом молибдена, графитом) и  стекловолокном. Примерами таких материалов являются ПА610-1-109, ПА12-11 (литьевой) и ПА12-21 (экструзионный). Эти материалы применяют в приборах и средствах автоматики[3].

 

2.2.4 Характеристика АПМ на основе ПТФЭ

 

Наиболее  распространенной полимерной основой  металлополимерных композиций является ПТФЭ. Без наполнителя ПТФЭ имеет низкий коэффициент трения, однако легко изнашивается и обладает ползучестью под нагрузкой. Практика применения этих материалов показывает, что за счет введения наполнителей износостойкость фторопласта можно увеличить на три-четыре порядка. От вида, свойств, количества и сочетания наполнителей зависят также физико-механические, термодеформационные, теплофизические и технологические свойства композиционных материалов. Из металлов в качестве наполнителей наиболее употребимы порошки бронзы, меди, железа, свинца и др. Среди других неорганических наполнителей наиболее часто применяют оксиды и соли металлов, стекло в виде порошка, волокна, нитей и ткани, каолин, слюду, глинозем, оксид кремния, кокс, а также антифрикционные наполнители: графит различной дисперсности, сульфиды и другие вещества, выполняющие функции твердого смазочного материала. Из органических наполнителей наиболее часто применяют хлопчатобумажные и синтетические волокна и ткани, антифрикционные термопласты (полиамиды, полиэтилены и др.).

 

Тетрафторэтилен

 

Исходным  мономером для получения политетрафторэтилена (ПТФЭ) является тетрафторэтилен СF₂=СF₂, который представляет собой бесцветное газообразное вещество без запаха. Температура плавления тетрафторэтилена—142,5⁰С, температура кипения 76,3⁰С, плотность при температуре кипения 1,519 г/см³. Под воздействием тепла тетрафторэтилен разлагается, образуя тетрафторметан, углерод и высшие фторуглероды.

Другой представитель  непредельных фторутлеродов — гексафторпропилен (СF₂=СF—СF₃), применяют для приготовления сополимеров с тетрафторэтиленом и фтористым винилиденом. Температура плавления гексафторпропилена -156,2⁰С, температура кипения – 29,4⁰С и плотность при температуре 40⁰С равна 1,583г/см³.

 

Политетрафторэтилен

 

Промышленное производство политетрафторэтилена под различными торговыми названиями организовано во многих странах. В СССР его выпускали под названием фторопласт-4, в США —тефлон (фирма «Дюпон»), в Англии — флуон (фирма «Империал Кемикал Индастриз», в Италии — алгофлон (фирма «Монтекатини»), во Франции — гафлон (фирма «Резинс флоурс»), в ФРГ — гостафлон (фирма «Фарбверке Хехст») в Японии — полифлон (фирма «Дайкин Когу Компании»).

В СССР выпускают  также фторопласт-4Д, представляющий собой модификацию политетрафторэтилена с несколько меньшим: молекулярным весом и высокой дисперсностью. Метод прозводства фторопласта-4Д, разработанный в НИИПП, существенно отличается от метода производства фторопласта-4. В результате полимеризации получается его водная дисперсия, которая или коагулируется для получения порошка и смазанных паст, или концентрируется для получения стабильных суспензий.

 

Свойства политетрафторэтилена

 

Несмотря  на то, что политетрафторэтилен (фторопласт-4) относится к разряду термопластичных смол, он не плавится и не течет в обычном понимании этого слова. При комнатной температуре он обладает высокой степенью кристалличности и даже процесс закалки не может препятствовать его кристаллизации. Из фторопласта-4 можно приготовить образцы со степенью кристалличности (содержание в полимере вещества в кристаллическом состоянии в процентах) от 50до 70%, в виде же порошка (волокнистые частицы), получающегося в результате полимеризации, фторопласт-4 может иметь степень кристалличности 93—97%. Из тонкодисперсного фторопласта-4Д можно получить изделия со степенью кристалличности до 80—85%. Следует, однако, учитывать, что при степени кристалличности выше 85% изделия или образцы из фторопласта становятся хрупкими.