Антифрикционные полимерные материалы

Антифрикционные полимерные материалы — это материалы, применяемые в узлах трения и характеризующиеся низким коэффициентом трения и незначительным износом.

Достоинства полимеров как антифрикционных материалов определяются:

• 1) их способностью проявлять значительные упругие деформации, что затрудняет образование при трении адгезионных узлов сцепления в зоне контакта полимер — полимер и полимер — металл и позволяет применять полимерные материалы без смазки, с ограниченной смазкой или с подачей ее только в начальный период работы узла трения;
• 2) не высоким или низким коэффициентом трения, что облегчает применение некоторых полимерных материалов без смазки или с ограниченной смазкой;
• 3) легкостью введения в полимеры твердых (дисперсных) и жидких (типа пластификаторов) компонентов, которые могут сильно изменять их механические свойства, адгезионные характеристики и, следовательно, коэффициент трения;
• 4) удовлетворительной стойкостью к действию абразивных частиц, которые могут упруго внедряться в полимерный материал или поглощаться его поверхностью;
• 5) стойкостью к действию многих агрессивных по отношению к металлам жидких и газовых сред;
• 6) высокой способностью гасить колебания, что снижает шум при работе узлов трения [3].

Сопротивление трению и, соответственно, антифрикционные характеристики полимерных материалов обусловлены:

• — образованием адгезионных узлов сцепления между контактирующими поверхностями, механическими зацеплениями из выступов;
• — внедрением выступов одной поверхности в другую, что приводит к «пропахиванию» (деформированию) более мягкого полимерного материала выступами более твердого контр тела;
• — несовершенной упругостью полимеров, вследствие чего деформирование поверхностей трения сопровождается гистерезисными явлениями и диссипативными потерями трения (переход механической энергии в тепло).

Склонность полимерных материалов к образованию адгезионных узлов сцепления меньше, чем у металлов. Полимеры способны проявлять большие упругие деформации. Поэтому при сдвиге, которым всегда сопровождается трение, может отсутствовать интенсивное пластическое течение полимера в зонах контакта поверхностей трения, облегчающее их адгезионное сцепление. Упругие силы, действующие в зоне контакта, облегчают разрыв узлов сцепления при относительном перемещении этих поверхностей. Слабое растекание полимеров препятствует выносу из зоны контакта загрязнений и адсорбционных пленок, что также затрудняет образование и развитие адгезионных узлов сцепления.

Роль «пропахивания» при трении возрастает с увеличением различия твердости контактирующихся поверхностей трения и приложенной к ним нагрузки. Гистерезисные потери имеют основное значение для трения-качения резин и при трении резин со смазкой, но они могут быть существенными при трении со смазкой пластмасс. Величина таких потерь в полимерных материалах зависит от температуры и характеристики циклических режимов деформирования, которые всегда реализуются при трении. В тех случаях, когда коэффициент трения при скольжении определяется преимущественно гистерезисными потерями, как, например, у резин, его описание возможно с помощью метода температурно-скоростной суперпозиции и уравнения Вильямса — Ленделла — Ферри. Это значит, что кривые зависимости коэффициента трения в функции логарифма скорости скольжения при разных температураx может быть совмещены их параллельным переносом в направлении оси скорости.

Если адгезионная составляющая сопротивления перемещению поверхностей трения имеет основное значение, коэффициент м трения грубо приближенно может быть связан с прочностью на срез Sменее твердого из контактирующих материалов и текучестью P, определяемой при измерении твердости, соотношением:

м = F/W = S/P, где F — сила трения, W — нагрузка на поверхность контакта. Среди не учитываемых этим приближением обстоятельств важнейшим является то, что в зоне контакта действует сложное напряженное состояние. В большинстве случаев значения S/Pпримерно в два раза меньше измеренных м. Значение S/Pприближается к м когда узлы сцепления значительно упрочняются под действием высоких локальных давлений, что приводит к ориентации и упрочнению в них полимеров. Особое место занимает политетрафторэтилен, для которого S/P значительно меньше м, что связано с низкой адгезией этого полимера, и, соответственно, с тем, что срез узлов сцепления осуществляется не внутри полимера, а на поверхности трения.

В зависимости от природы полимера и режимов работы коэффициенты трения могут иметь значения от нескольких сотых до единицы. Как правило, коэффициент трения снижается с увеличением кристалличности полимера. Так как полимерные материалы — типичные вязкоупругие тела, площадь их контакта в зоне трения зависит от времени. Особенно сильно это влияет на статический коэффициент трения и может заметно возрастать со временем. Коэффициент трения полимеров также зависит от структуры поверхностного слоя. На примере полиамидов показано, что в процессе трения достигается равновесная структура поверхностного слоя и постоянный коэффициент трения.

В широком интервале нагрузок коэффициент трения увеличивается как при их снижении, так и при повышении. В области низких нагрузок это повышение обусловлено усиливающейся ролью упругих деформаций. При высоких нагрузках возрастающее значение приобретает «пропахивание». Зависимость коэффициента трения от нагрузок для полимерных материалов выражена значительно сильнее, чем для металлов. Температура сравнительно слабо влияет на трение полимерных материалов. Коэффициент трения значительно повышается при приближении к температурам стеклования и плавления.

В области низких скоростей скольжения их изменение не оказывает существенного влияния на коэффициент трения. При скоростях в десятые доли м/секи выше трудно расчленить влияние на коэффициент трения собственно скорости и разогрева. Этот разогрев может вызывать структурные изменения и термическую деструкцию полимера, сильно влияющие на трение и износ.

Применение полимеров как антифрикционных материалов ограничивается:

• 1) их высокими температурными коэффициентами расширения (в десятки раз больше, чем у металлов);
• 2) низкой теплопроводностью (в сотни раз ниже, чем у металлов);
• 3) низкой твердостью;
• 4) высокой механической податливостью (низкие модули упругости), что уменьшает роль пластических деформаций и затрудняет тем самым приработку поверхностей трения;
• 5) низкой эффективностью граничной смазки.

При использовании антифрикционных полимерных материалов следует учитывать их способность электризоваться, что сопровождается локальными импульсными микроразрядами. Потенциал электрических зарядов на поверхности полимеров может достигать сотен и тысяч вольт, что повышает силу трения на десятки процентов и увеличивает нагрев трущихся тел.

Механизм действия граничной смазки на антифрикционные полимерные материалы такой же, как и на металлах. Эффективность граничной смазки, образующей на поверхности твердых тел ориентированные защитные слои, которые препятствуют непосредственному контакту этих тел при трении, резко падает с переходом от полярных материалов к неполярным. Однако даже для таких полярных полимеров, как полиамиды, снижение коэффициента трения и износа в присутствии способных адсорбироваться на их поверхности длинноцепочечных алифатических дифильных соединений (амины, кислоты) незначительно. Причины незначительного влияния смазок на коэффициент трения антифрикционных полимерных материалов следующие:

• 1) на поверхности полимера вследствие больших расстояний между полярными группами не образуются плотные адсорбционные слои;
• 2) даже в случае образования такого слоя его защитное действие обычно относительно слабое, т.к. прочность на срез этого адсорбционного слоя к полимеру могут различаться не очень сильно.

Действие граничной смазки гораздо эффективнее при контактировании полимеров со сталью. Это объясняется образованием на металле плотного адсорбционного слоя. Повышение температуры выше некоторой критической может вызывать дезориентацию и десорбцию граничной смазки, что приводит к повышению коэффициента трения и износа.

Основные области применения антифрикционных полимерных материалов — подшипники скольжения, зубчатые передачи, уплотнительные устройства. Низкие теплофизические и механические характеристики антифрикционных полимерных материалов не допускают их использования в узлах трения с высокими скоростями скольжения и нагрузками. Для подшипников скольжения за критерий работоспособности полимерных материалов ориентировочно принимают мощность трения[4].