» » Износостойкость полимерных материалов

Износостойкость полимерных материалов

30.08.2016

С явлением длительной прочности связан также износ полимерных материалов, под которым понимают постепенное уменьшение размеров изделия в результате режущего воздействия твердых инородных частиц или трения. Многократная деформация на шероховатых поверхностях трущихся пар приводит к усталостному разрушению материала. Природа и характер взаимодействия материалов в результате трения определяются высокой подвижностью полимерных цепей в высокоэластичном состоянии.
Молекулярно-кинетические представления о поведении полимеров на границе подвижного контакта с твердыми телами и обширные экспериментальные исследования, выполненные И.В. Крагельским, С.Н. Журковым, М.М. Хрущовым, Г.В. Виградовым, М.А. Бабичевым, М.М. Резниковским, С.Б. Ратнером, Г.М. Бартеневым и другими советскими и зарубежными учеными, позволили создать теоретические основы и практические рекомендации по обоснованному выбору материалов для условий трения и износа. Ниже приводятся некоторые из установленных этими авторами общих положений, в основном обобщенных Г.М. Бартеневым и В.В. Лаврентьевым.
Основное применение в качестве антифрикционных материалов находят полимеры в стеклообразном или высокоэластичном состоянии. Вязкотекучие и дисперсные полимерные материалы применяются в особых случаях.
Процесс постепенного разрушения полимерного материала в результате явления трения относится к термофлюктуационному, учитывающему разрыв межатомных связей под воздействием теплового движения. По результатам эксперементальных исследований сформирована так называемая кинетическая концепция разрушения полимеров, которая учитывает их релаксационные особенности и основывается на температурно-временной зависимости прочности согласно формуле Журкова (2.4). Нарушение меж- и внутримолекулярных связей полимеров рассматривается на нескольких последовательных этапах воздействия твердого тела в соответствии с классификацией И.В. Крагельского. В соответствии с этой классификацией сила трения представляется в виде суммы
Износостойкость полимерных материалов

где Fi — сопротивления, обусловленные: 1 — упругим оттеснением материала, 2 — пластическим оттеснением, 3 — срезом материала, 4 — срезом пленки.
Для каждого из компонентов И.В. Крагельским предложены выражения, учитывающие характеристики поверхности трения, удельное давление, упругие характеристики, потери на гистерезис.
Различными исследованиями установлено влияние на закономерности трения также других факторов: времени и площади контакта, скорости скольжения, температуры, состояния поверхности, типа трущихся пар. Влияние этих факторов для разных материалов различно, иногда даже в противоположных направлениях. Некоторые сведения по учету упомянутых факторов приведены у Г.М. Бартенева.
Оценивая природу трения, Бартенев считает, что вязкое сопротивление контакта, определяемое пластической деформацией твердых тел, связано с дислокационным процессом и не дает основания делать качественные различия между внешним и внутренним трением; для учета этого отличия в первом приближении вполне достаточно оперировать площадью фактического контакта. Для ориентировочной, качественной оценки вязкоупругой природы полимерных материалов с учетом площади фактического контакта S и нормальной силы N допустимо применение формулы Боудена — Тейбора:
Износостойкость полимерных материалов

где σc — напряжения среза, под которыми понимают прочность адгезии «мостиков схватывания»; HB — твердость материала, которая может быть заменена пределом вынужденной эластичности σs или пределом прочности σв.
Износостойкость материалов характеризуется их способностью сопротивляться истиранию. По характеру процесса износ условно делится на усталостный и абразивный (микрорезание). К полимерным материалам применима общая теория усталостного износа, разработанная И.В. Крагельским. Высокоэластичные полимеры (резины, каучуки) изнашиваются, кроме того, наволакиванием материала в «скатку».
Количественная оценка износа определяется по формуле
Износостойкость полимерных материалов

где q — вес изношенного материала, г; Sн — номинальная площадь контакта (площадь разрушения); L — путь трения.
Для пластмасс отмечается высокая зависимость износа от коэффициента трения: чем ниже fт, тем меньше iq. С учетом этого свойства, например, И.В. Каргельским разработана износостойкая композиция Ретинакс с коэффициентом трения fт = 0,33—0,4 при износе iq = 0,03—0,07 мм/ч.
Влияние физико-механических характеристик пластмасс можно оценить по формуле (2.12), из которой следует, что с увеличением твердости HB (или модуля упругости Е) сила трения, а следовательно, и износ уменьшаются. Это подтверждают исследования М.А. Бабичева, который показал, что относительную износостойкость ΔI в зависимости от твердости HB можно представить в линейном виде (рис. 2.7):
Износостойкость полимерных материалов

В этом случае коэффициент b для полимеров в 3,2 раза больше, чем для металлов. Следовательно, при одной и той же твердости HB относительная прочность полимеров выше, чем металлов.
Исследованиями ряда авторов доказано, что износостойкость полимерных материалов зависит также от адгезионной способности к контртелу, теплопроводности, условий обработки (давления, температуры), условий эксплуатации (температуры, давления, скорости скольжения, наличия смазки). С учетом перечисленных факторов разрабатываются и модифицируются различные композиции на основе полимерных материалов: фторопласты, полиамиды, наполненные полимеры.
Из самостоятельно применяемых конструкционных материалов наиболее стабильными качествами и наименьшим коэффициентом трения обладает фторопласт-4. Исследования показали, что при трении фторопласта по фторопласту, как и по стали, коэффициент трения fт = 0,04—0,1 независимо от температуры в пределах t = 20—200° С.
Коэффициент трения полимерных материалов существенно понижается при введении наполнителей в виде графита и двуокиси молибдена. Однако при этом следует иметь в виду, что наполнения целесообразны до некоторых пределов: с возрастанием количества наполнителя износ может увеличиваться из-за снижения механической прочности композиции.
Из полиамидов наиболее износостойкими являются полиамид П-68, капрон, полиамид AK-7, капролон В (fт = 0,13—0,2); из полиолефинов — полиэтилен низкого давления ПНД и полипропилен (fт = 0,1—0,3). Надо заметить, что износостойкость полиамидов можно существенно (в 2—2,5 раза) повысить введением наполнителя (тальк); играет существенную роль также температура его обработки. Износостойкость капрона сильно зависит от наличия смазки; так, при скорости скольжения vс = 12 м/с его износостойкость при введении смазки повышается в 150 раз.
Износостойкость полимерных материалов

При прочих равных условиях износостойкость материалов зависит от характера и вида износа: при контактном трении контртела наблюдается усталостный (фрикционный) износ полимеров; при абразивном — режущий, пропахивающий износ «острыми выступами». Характер износа оценивается по рисунку истирания: усталостный износ — поперечными полосами, абразивный — продольными.
Абразивный износ имеет свои особенности и закономерности, часто отличные от зависимостей, полученных для усталостного износа. Величина и механизм износа здесь зависят от хрупкости, формы и способа нанесения повреждений, например в свободном потоке воздуха или в жидкости (гидроабразивный износ).
При исследованиях закономерности износа некоторых полимерных материалов при воздействии на них свободного абразива (песка) установлено, что весьма высокой износостойкостью обладают полиамид П-68 и другие полимерные композиции: текстолиты, графитопласты и др. Наибольшей же износостойкостью обладают высокоэластичные полимеры типа резин и каучуков протекторная резина, наирит, синтетические каучуки СКС-30М, СКН-26, бутилкаучук.
Резиновые композиции к настоящему времени уже нашли широкое применение в горном деле.