ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТА

 

CHANGE OF MECHANICAL AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF THE COMPOSITE

 

Негров Д.А., Шевчук А.М., Микенин И.П. (ОмГТУ, г.Омск, РФ)

 Negrov D.A., Shevchuk A.M., Mikenin I.P. (The Omsk state technical university, Omsk, Russian Federation)

 

Изучено влияние энергии ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства полимерного композиционного материала, на основе политетрафторэтилена применяемого для несмазываемых металлополимерных пар трения.

The influence of the energy of ultrasonic fluctuations on mechanical and tribotechnical properties of a polymeric composite material, on the basis of Polytetrafluoro-Ethylene applied to non-lubricated metal-polymeric friction pairs.

 

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, ультразвуковые колебания, прессование, пара трения.

Key words: polymeric composite material, ultrasonic vibration, pressing, friction pair.

 

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) широко применяются для изготовления деталей узлов трения многоцелевых гусеничных и колесных машин. Увеличение давления в контакте и скорости движения элементов гусеничных машин делает актуальной задачу улучшения механических и триботехнических свойств ПКМ и, особенно, ПКМ на основе ПТФЭ, применяемых для смазываемых и несмазываемых металлополимерных пар трения [1].

За последнее время получили применение способы уплотнения порошков с одновременным наложением вибрации. Под действием вибрации силы трения и сцепления частиц уменьшаются. При этом повышаются текучесть порошков, равномерность укладки частиц полимера, разрушаются арочные структуры[2].

Под термином «виброформование полимеров» подразумеваются такие технологические процессы переработки пластмасс, в которых на протяжении всего технологического цикла или на отдельных его этапах перерабатываемому материалу сообщаются  вибрационные импульсы  инфразвуковой, звуковой и ультразвуковой частоты. При виброформовании частицам перерабатываемого материала придаются значительные знакопеременные скорости и ускорения, в результате чего в полимерах наблюдается целый ряд физических и химических явлений, приводящих к интенсификации процессов переработки, снижению энергоемкости оборудования, повышению качества готовых изделий.

Одним из перспективных способов вибрационного воздействия является наложение ультразвуковых колебаний, благодаря которым существенно облегчается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка. Это положительно влияет и на характер изменения сил трения от давления прессования и дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях [3].

Цель работы – исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства ПТФЭ, модифицированного скрытокристаллическим графитом (СКГ).

Методика эксперимента. Для проведения исследования влияния ультразвуковых колебаний при прессовании порошков полимерных композиционных материалов была разработана специальная установка на базе гидравлического пресса [1]. Ультразвуковая установка состоит из двух частей: силовой и колебательной. В силовую часть установки входит гидравлический пресс МТ – 50, с максимальным усилием прессования 500 кН. Колебательная часть установки состоит из ультразвукового генератора УЗГ 2 – 4 М и магнитострикционного преобразователя ПМС 15-А-18. Усилие прессования составляло 65 МПа, время прессования 90 секунд, амплитуда колебаний волновода-пуансона 14 мкм.

После ультразвукового прессования образцы подвергались термообработке (спеканию) при температуре 360 оС. Для сравнения, соблюдая те же режимы прессования, изготавливали образцы без воздействия ультразвуковых колебаний. Образцы для исследования механических свойств изготавливали из ПКМ с содержанием СКГ 3, 6, 9, 12 мас. %. Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

Методика исследования триботехнических свойств ПКМ предусматривала определение их износостойкости (скорости изнашивания) и антифрикционных свойств (момента и коэффициента трения). Образцы для триботехнических испытаний изготавливали из ПКМ с содержанием СКГ 6 мас. %. Испытания проводили на специальном стенде МДС – 2 без смазочного материала, скорость скольжения составляла 0,75 м/с, давление 2 МПа.

Результаты исследования и их обсуждение. Изучение влияния ультразвуковых колебаний на механические свойства ПКМ выполняли на образцах с различным содержанием СКГ. Было установлено (рисунок 1), что зависимости предела прочности ПКМ от содержания СКГ для образцов, изготовленных по обычной технологии и с наложением ультразвуковых колебаний, имеют одинаковый характер и экстремум при содержании СКГ 6 мас. %. При этом же содержании получена и наибольшая величина предела прочности. Предел прочности образцов изготовленных ультразвуковым прессованием на 10 % больше, чем у образцов, изготовленных без наложения ультразвуковых колебаний.

Рисунок 1 – Зависимость предела прочности при разрыве

 от содержания СКГ

 

Относительное удлинение при разрыве, характеризующее пластические свойства материала, при наложении ультразвуковых колебаний снижается (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость относительного удлинения от содержания СКГ

 

Характер кривых аналогичен характеру кривых предела прочности с экстремумом при содержании СКГ 6 мас. %. Максимальное уменьшение относительного удлинения (≈ 8 %) также получено при этой концентрации.

Анализ зависимостей модуля упругости образцов  с различным содержанием СКГ, полученных по традиционной технологии и с наложением ультразвуковых колебаний (рисунок 3) показал, что наложение ультразвуковых колебаний в процессе прессования повышает модуль упругости на 10 ÷ 15 % в зависимости от содержания наполнителя. Максимальное значение модуля упругости для обеих технологий получено при концентрации СКГ 6 мас. %.

Рисунок 3 – Зависимость модуля упругости от содержания СКГ

 

Закономерности изменения механических свойств ПКМ (рисунки 1 – 3) показывают, что при наложении ультразвуковых колебаний в процессе прессования заготовок предел прочности и модуль упругости возрастают, а относительное удлинение снижается. Следовательно, такое содержание СКГ следует считать рациональным для исследуемого ПКМ.

Установлено, что воздействие ультразвуковых колебаний на ПКМ приводит к улучшению их триботехнических свойств. Так скорость изнашивания снижается на 23 %, а коэффициент трения на 11 %. Столь значительное повышение износостойкости  может свидетельствовать об изменении структуры композиционного материала.

Заключение. На основании проведенных исследований установлено, что применение ультразвукового прессования, в производстве металлополимерных пар трения (время прессования – 90 секунд, усилие прессования – 65 МПа, амплитуда колебаний волновода пуансона – 14мкм), позволяет повысить предел прочности на 10 %, модуль упругости на 15 %, при этом относительное удлинение снижается на 8 %.

Наряду с повышением механических свойств, при воздействии ультразвуковых колебаний, улучшаются и триботехнические характеристики ПКМ при трении без смазочного материала по стали: скорость изнашивания снижается на 23 %, коэффициент (момент) трения на 11 %  для данных условий испытания. Результаты проведенных исследований возможно применить при изготовлении металополимерных пар трения многоцелевых гусеничных и колесных машин.

 

Список использованных источников

1. Еремин Е. Н. Совершенствование технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Е. Н. Еремин, Д. А. Негров // Технология машиностроения. – 2010, – №1. – С. 30–32.

2. Негров Д. А. Влияние параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства структурно-модифицированного политетрафторэтилена / Д. А. Негров, Е.Н. Еремин // Омский научный вестник. – 2009, – №2(80). – С. 58–60.

3. Негров Д. А. Разработка ультразвукового инструмента для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин //  Технология машиностроения. – 2012. – № 5. – С. 44–47.