Надежность машин и оборудования, имеющих узлы трения, детали которых подвергаются механическому изнашиванию, в значительной степени определяется износостойкостью материалов, из которых они изготовлены.

В.Н. КОРНОПОЛЬЦЕВ, н.с., к.т.н., Д.М. МОГНОНОВ, г.н.с., д.х.н., проф. О.Ж. АЮРОВА, с.н.с., к.т.н., М.С. ДАШИЦЫРЕНОВА, вед. инж., к.т.н. О.В. ИЛЬИНА, вед. инж., к.т.н. 

В последние годы значительно расширилась номенклатура деталей, изготавливаемых из полимерных композиционных материалов, используемых как конструкционные износостойкие материалы или износостойкие покрытия.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт) широко применяется в качестве триботехнического материала благодаря низкому коэффициенту трения, химической инертности, высокой термостабильности. Изделия из чистого ПТФЭ нашли применение в качестве неподвижных уплотнений, манжет, работающих в масле, защитных колец с небольшим ресурсом работы. С целью устранения недостатков (низкая износостойкость, хладотекучесть, низкая адгезия) фторопластовых материалов создан целый класс специальных композиционных материалов, относящихся к группе самосмазывающихся антифрикционных материалов.

Применение этих материалов обусловлено снижением износа узлов трения различных машин и аппаратов, в которых использование смазки нежелательно или неприемлемо. Это можно отнести к аппаратам пищевой промышленности, оборудованию текстильной промышленности, машинам, эксплуатируемым в условиях низких и высоких температур или в вакууме. Такие материалы обеспечивают упрощение обслуживания узлов трения и снижают загрязнения почвы и сточных вод смазочными материалами, что особенно актуально для территории водосбора озера Байкал и других водоемов страны.

Композиционные материалы на основе ПТФЭ

В Байкальском институте природопользования СО РАН ведутся целенаправленные работы по созданию композиционных материалов на основе ПТФЭ с использованием наполнителей органической и неорганической природы. Освоено производство деталей из композиционного ПТФЭ по размерам, близким к размерам будущих деталей, что снижает количество отходов при изготовлении конечного изделия. 

Комбинированные подшипники скольжения

Конструкция комбинированного подшипника скольжения, как правило, представляет из себя жесткую стальную основу припеченного к ней пористого бронзового слоя, поры которого заполняются смазочными материалами. Постоянное наличие в порах твердой смазки (например, композиции на основе фторполимеров) дает возможность работать узлу при периодическом или полном отсутствии жидкой смазки без задиров и локальных перегревов. Вследствие этого увеличивается допустимое значение pV для узлов трения, эксплуатируемых при экстремальных условиях.

Возможность конструирования на стальной (металлической) подложке бронзового слоя заданной архитектуры, а также применение смесей на основе ПТФЭ с различными наполнителями в широком процентном соотношении обеспечивает получение ЛМФМ с требуемыми эксплуатационными свойствами. В таких комбинированных материалах недостатки ПТФЭ (высокий коэффициент термического расширения и повышенный износ) играют положительную роль.

Предлагаемый метод позволяет изготавливать материал любой геометрической формы и разного размера, что значительно его отличает от всех существующих на данный момент промышленных методов получения ЛМФМ.

Сравнительные испытания разработанного ЛМФМ с пористым слоем столбчатой структуры, отвечающей принципу Шарпи, при скорости скольжения более 1 м/с без смазки показали, что полученный материал для 1000 часов эксплуатации с износом рабочего слоя до 0,2 мм по нагрузочно-скоростному фактору pV на порядок превосходит лучший промышленный материал марки DU (США). Достоинством разработанного ЛМФМ является сравнительно малый и стабильный коэффициент трения (0,1 — 0,12) по мере изнашивания рабочего слоя на допустимую глубину. В условиях реальной эксплуатации шаровых опор легковой и большегрузной автомобильной техники с вкладышами из разработанного ЛМФМ показано, что ресурс шаровой опоры увеличивается до 200 000 км пробега.

Разработанный листовой металлофторопластовый материал может быть рекомендован для получения высокоточных подшипников скольжения специальной техники, а также производства седлового уплотнения шарового запорного элемента на трубопроводах большого диаметра (более 250 мм) для безотказной и продолжительной работы аппаратов регулирования подачи, транспортировки горячей и холодной воды, нефтепродуктов, сжиженных газов (пат. РФ №2669056).

Использование отходов ПТФЭ

Хотя получение комбинированных листовых металлофторопластовых материалов значительно сокращает количество отходов ПТФЭ, однако при производстве деталей из монолитных композиционных болванок (например, уплотнительные кольца или манжеты) имеет место образование и накопление отходов в виде стружки.

В нашей стране широкое применение получает материал «Форум», на основе которого в созданном при БИП СО РАН ООО МИП «Мегаресурс» производится широкий ассортимент фторопластовых добавок к моторным маслам для автомобильной техники, станков и другого оборудования. В ООО МИП «Мегаресурс» совместно с лабораторией химии полимеров проводятся работы по совершенствованию процессов переработки фторполимерных отходов, а также созданию технологий возврата ПТФЭ в эксплуатацию. Спроектирована и смонтирована установка для механического измельчения фторполимерных отходов истиранием и разделения порошка полимера по фракциям. Скоростной режим, размеры и параметры циклона для отделения фракции менее 10 мкм были сконструированы и изготовлены на основании расчетов уравнения Бернулли для открытых вентиляционных систем с использованием формулы Стокса.

Полученные результаты показали возможность замены промышленного ПТФЭ продуктами переработки фторполимерных отходов до 30 масс.% при создании композиционных материалов и до 50-60 масс.% в комбинированном листовом металлофторопластовом материале.

Покрытия на основе термостойких полимеров

Разработан способ химического легирования поверхности ПТФЭ для повышения его износостойкости. Легирующий слой представляет собой полимер-полимерную смесь со структурой полувзаимопроникающей сетки состава полибензимидазол/полиаминоимидная смола при различном соотношении исходных компонентов. Износостойкость полученных материалов в сравнении с исходным ПТФЭ возрастает в 30 — 70 раз. Коэффициент трения для всех полученных композиций изменяется незначительно, причем его величины стабильны за все время испытания.

Разработанные материалы и покрытия значительно расширяют области их применения как в узлах трения общего машиностроения, так и в специальных отраслях промышленности.