УДК 621.8+06

ОЦЕНКА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

 

EVALUATION OF TRIBOLOGICAL, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF OIL-FILLED NANOCOMPOSITES

 

Иваночкин П.Г., Новиков Е.С., Данильченко С.А.

(Ростовский государственный университет путей сообщения, г.Ростов-на-Дону, РФ)

Pavel G. Ivanochkin, Evgeniy S. Novikov, Sergey A. Danilchenko

(Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia)

 

Проведены сравнительные исследования физико-механических и трибологических характеристик двух видов материаловторговой марки «Маслянит» и разрабатываемых в ФГБОУ ВО РГУПС.

The paper contains the comparative studies of physical, mechanical and tribological characteristics of two types of materials, under the Maslyanit trade mark and developed in Rostov State Transport University.

 

Ключевые слова: маслянит, износостойкость, наноиндентирование, коэффициент трения

Keywords: oilynit, wear resistance, nanoindentation, coefficient of friction.

 

Создание несмазываемых узлов трения с большим эксплуатационным ресурсом и минимальными потерями на трение является актуальной задачей. В настоящее время промышленность России испытывает нехватку в конструкционных материалах собственного производства для узлов трения, работающих в жестких условиях (подшипники скольжения, торцевые уплотнения, поршневые кольца и т.д.).

Одним из направлений создания материалов с регулируемыми свойствами является использование антифрикционных самосмазывающихся полимерных композитов [1-3].  Композит - это многокомпонентная система, каждая компонента которой имеет свое функциональное предназначение и обеспечивает проявление определенного свойства. Одновременное функционирование всех компонентов композита в сочетании с эффектами, возникающими при трении на их поверхностях, может сопровождаться эффектом синергизма и привести к улучшению соответствующих характеристик материала.

Одним из наиболее перспективных методов создания полимерных композиционных материалов с новыми или улучшенными характеристиками является введение в полимерную матрицу различных видов наномодифицированных наполнителей и наноразмерных добавок [2,4-7]. Свойства композиционных материалов с нонаразмерными добавками существенно отличаются от композитов с макродисперсными наполнителями из-за развитой поверхности и высокой поверхностной активности [8-9].

Экономически целесообразно создавать композиционные материалы на основе таких полимеров, которые характеризуются наличием мощностей по их производству, например, ароматического полиамида фенилон.  Фенилон (ФС-2), представляет собой линейный гетероциклический сополимер, содержащий в основной цепи макромолекулы амидную группу -HNCO-, соединенную с обеих сторон фенильными фрагментами (получен эмульсионной поликонденсацией метафенилендиамина с дихлорангидридами изофталевой и терефталевой кислот, взятых в соотношении 3:2). ФС-2 в узлах трения выдерживает нагрузки до 25 МПа и рабочие температуры до 250° С.

Фенилон отличается достаточно высокими деформационно-прочностными показателями, высокой износостойкостью, химической стойкостью к агрессивным средам, формостабильносью в широком температурном диапазоне. Однако возможности применения этого материала в узлах трения ограничены в силу достаточно высокого значения коэффициента трения [10]. В наших предыдущих работах исследовано влияние типа и процентного содержания ряда нанонаполнителей к ароматическому полиамиду Фенилон ФС-2 на физико-механические и триботехнические характеристики антифрикционных композитов для работы в условиях сухого трения на основе фенилона [11-12].

В настоящей работе рассмотрена возможность создания маслонаполненных композитов на базе полученных материалов. Исследования маслонаполненных композитов давно и успешно проводятся в ФГУП ОКТБ «Орион» и создана целая линейка самосмазывающихся полимерных материалов, объединенных под торговой маркой «масляниты» [13-15].

Маслянит представляет собой многофункциональный, универсальный ингибитор изнашивания трибосистем – маслонаполненный полимер, обладающий свойством интеллекта: возможностью динамической корректировки собственных функциональных свойств при трении, выраженных в способности выборочно плакировать наиболее изношенные участки трущейся поверхности под действием энергии трения, инициирующей физико-химические процессы первичной и вторичной перестройки структуры его полимерной матрицы. Материалы этого класса в общем случае можно рассматривать как трехкомпонентную систему, состоящую из полимерного связующего, пластификатора и многофункциональных добавок-наполнителей.

Проведены сравнительные исследования физико-механических и трибологических характеристик антифрикционного самосмазывающегося полимерного композиционного материала, «Маслянит-ГМ» и разрабатываемых в ФГБОУ ВО РГУПС материалах.

Маслонаполненные композиционные материалы были получены путем насыщения ранее полученных образцов композитов на основе фенилона ФС-2[1] при температуре 200°С маслами ПЭФ (перфторполиэфир) и ПФМС (полиметилфенилсилоксан) в течение 2-2,5 часов.

Трибологические испытания проводились на машине трения типа Амслера по схеме «диск – палец» при скорости вращения вала 0,3 м/с и нагрузках 209Н, 310Н, 420Н, 520Н, 620Н, 720Н, 820Н, 920Н, 1020Н. Результаты измерений массовый износов образцов по результатам испытаний приведены в таблице 1.

 

Таблица 1- Массовые износы образцов во время испытаний

Наименование образца

Износ, г

Маслянит ОКТБ «Орион»

0,007

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 10%

0,050

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 10%, масло ПЭФ

0,055

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 10%, масло ПФМС

0,048

Фенилон + аримид 10% + фторопласт 20% + аэросил 5%

0,130

Фенилон + аримид 10% + фторопласт 20% + аэросил 5%, масло ПЭФ

0,043

Фенилон + аримид 10% + фторопласт 20% + аэросил 5%, масло ПФМС

0,132

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 20% + шпинель 3%

0,024

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 20% + шпинель 3%, масло ПЭФ

0,022

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 20% + шпинель 3%, масло ПФМС

0,114

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 20% + серпентинит 3%

0,035

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 20% + серпентинит 3%, масло ПЭФ

0,029

Фенилон + аримид 5% + фторопласт 20% + серпентинит 3%, масло ПФМС

0,035

 

Согласно полученным данным следует, что образцы материала «Маслянит», производства ОКТБ «Орион», изготовленные из полиамида 6 обладают наибольшей стойкостью к истиранию. Из полученных нами образцов наилучшие результаты были получены при введении в состав композитов масла ПЭФ. Добавление масла ПФМС, напротив, приводило к увеличению износа образцов.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о положительном влиянии введения масла в композиционный материал в целом. Однако, добавление масла ПЭФ привело к значительному снижению коэффициента трения практически во всем диапазоне нагружения только в композитах с добавлением аэросила. Масло ПФМС напротив, усилило антифрикционный эффект в диапазоне нагрузок 209 – 720Н в образцах, в состав которых входит шпинель и серпентин. Наименьшее значение коэффициента трения равное 0,1, полученное для образцов материала «Маслянит», производства ОКТБ «Орион», изготовленных из полиамида 6 было достигнуто при наименьших нагрузках 209Н и 310Н. Дальнейшее повышение нагрузок привело к резкому увеличению коэффициента трения, который достигал значения 0,5.

Определение физико-механических характеристик исследуемых материалов производилось согласно методике, описанной в [11], с помощью комплекса NanoTest 600. По итогам измерений для каждого образца составлялась таблица, в которую записывались значения максимальной глубины проникновения индентора, микротвердости , модуля упругости , отношения  и , коэффициент упругого восстановления для каждого отдельного укола. На основе этих таблиц была записана сводная таблица, в которую занесены осредненные величины этих характеристик (см. таблицу 2).

 

Таблица 2- Осредненные значения физико-механических характеристик образцов

Образец

Микро-твердость , ГПа

Модуль упругости , ГПа

Коэффициент упругого восстановления

ФС-2 + 5% Аримид + 20% Фторопласт + 3% Шпинель в масле ПЭФ

0.226

3.958

0.057

0.000756

0.184

ФС-2 + 5% Аримид + 20% Фторопласт + 3% Шпинель в масле ПФМС

0.238

3.789

0.063

0.000958

0.209

ФС-2 + 5% Аримид + 20% Фторопласт + 3% Серпентинит в масле ПФМС

0.242

3.987

0.061

0.000907

0.204

ФС-2 + 5% Аримид + 10% Фторопласт в масле ПФМС

0.243

2.796

0.087

0.001894

0.283

ФС-2 + 5% Аримид + 20% Фторопласт + 3% Серпентинит в масле ПЭФ

0.246

3.842

0.064

0.001030

0.218

ФС-2 + 10% Аримид + 20% Фторопласт + 5% Аэросил в масле ПЭФ

0.259

3.744

0.069

0.001279

0.236

ФС-2 + 10% Аримид + 20% Фторопласт + 5% Аэросил в масле ПФМС

0.265

3.954

0.067

0.001213

0.237

ФС-2 + 5% Аримид + 10% Фторопласт в масле ПЭФ

0.278

3.317

0.086

0.002057

0.302

 

Из таблицы 2 следует, что наиболее высокими физико-механическими характеристиками обладают образцы ФС-2 + 5% Аримид + 10% Фторопласт в масле ПЭФ.

Было проведено сравнение значений микротвердости и модуля упругости исследованных образцов с аналогичными характеристиками маслянита, производимого ОКБ «Орион». Для этого маслянита значение микротвердости равно 0.168ГПа, а модуля упругости 2.492ГПа. Таким образом, сравнение показало, что величины механических характеристик полученных композитов значительно выше (до 2 раз) чем у выбранного маслянита.

Чтобы оценить, как добавление масел влияет на физико-механические характеристики материалов, представленные в таблице 2 значения сопоставлялись с данными измерений образцов, изготовленных без добавления масел. Результаты для таких образцов частично представлены в [11,12]. Сравнение показало, что микротвердость и модуль упругости маслонаполненных композитов снижаются на 20-25%. Помимо этого, добавление масел также привело к увеличению диапазона значений физико–механических характеристик, т.е. к большей неоднородности материала. Однако нельзя сделать однозначный вывод о том, использование какого из выбранных масел приводит к большему снижению механических характеристик.

Поскольку величина  характеризует способность материала к изменению его размеров и формы в процессе деформации, она может использоваться для оценки сопротивления материалов к износу при трении. На основании полученных результатов можно констатировать, что износостойкость маслонаполненных композитов снижается при добавлении масла ПФМС и остается на том же уровне или незначительно возрастает при применении масла ПЭФ.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод об изменении физико-механических и трибологических характеристик маслонаполненных полимерных композиционных материалов с матрицей на основе фенилона ФС-2, в зависимости от примененных нанонаполнителей, а также используемого при изготовлении масла и давления.

Только в композитах, содержащих аэросил, добавление масла ПЭФ привело к значительному снижению коэффициента трения практически во всем диапазоне нагружения. В то же время как масло ПФМС напротив, усилило антифрикционный эффект в образцах, в состав которых входят шпинель и серпентин.

Результаты трибологических испытаний хорошо коррелируют с результатами исследований физико-механических свойств разрабатываемых композитов.

На основе этих результатов можно сделать заключение о том, композит с каким составом является наиболее подходящим для применения в несмазываемых узлах трения.

 

Список использованных источников

1.        Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. М: Недра, 2004.

2.        Авдейчик С.В.  Нанокомпозиционные машиностроительные материалы: опыт разработки и применения, под ред. В.А. Струка. Гродно: Гр ГУ, 2006. 403 с.

3.        Ловшенко Ф.Г. Новые ресурсосберегающие технологии и композиционные материалы. М.: Энергоатомиздат; Гомель, БелГУТ, 2004. 519 с.

4.        Кочнев А.М., Галибеев С.С. Модификация полимеров: Монография. Казань: Казан. гос. технол. ун-т., 2008. 533 с.

5.        Охлопкова А.А., Виноградова А.В., Пинчук Л.С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями. Гомель: Изд-во ИММС НАН Беларуси, 1999. 162 с.

6.        H. Gleiter, Nanostructured Materials, Scientific Background and Technological Perspectives, Materials Science Forum, Vols. 189-190, 1995, pp. 67-80.

7.        Охлопкова А.А., Андрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. Якутск: ЯФ Изд-во СО РАН, 2003. 224 с.

8.        Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В. Исследование триботехнических характеристик нанокомпозитов на основе смесей полимеров // Трение и износ. Т. 30. №. 5. 2009. С. 500-505.

9.        Песецкий С.С., Богданович С.П., Мышкин Н.К. Триботехнические свойства нанокомпозитов, получаемых диспергированием наполнителей в расплавах полимеров// Трение и износ. Т. 28. №5. 2007. С.500-524.

10.    Буря А.И., Ткаченко Э.В., Чигвинцева О.П. Полиамидные композиты: свойства и применение// Композитные материалы: международный научно-технический сборник. Днепропетровск: изд-во ДГАУ. Т.3. №1. 2009. С.4-21.

11.    P.G. Ivanochkin, S.A. Danilchenko, E.S. Novikov, Antifriction composites based on phenylone C2 for work under conditions of dry friction, Procedia Engineering 150, 2016, p. 520-526.

12.    V.I. Kolesnikov, P.G. Ivanochkin, N.A. Myasnikova, S.A. Danilchenko, F.V. Myasnikov, The influence of surface nanostructures on the formation mechanism of the anti-friction layer at tribocontact, Proceedings of the 2016 International Conference "Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications", Nova Science Publishers, New York, 2017, p. 121-131.

13.    Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. 1976. 152 с.

14.    Дерлугян П.Д., Логинов В.Т., Сухов А.С., Дерлугян И.Д. Конструирование антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами// Известия СКНЦ ВШ Технические науки. №3. 1987. С.61-67.

15.    Дерлугян П.Д., Ленивцев В.А. Процесс получения композиционного самосмазывающегося материала «Маслянит-ГМ» методом химического конструировани// Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. Технические науки. №2. 2004. С. 9-15.

 

 

Исследование выполнено в Ростовском государственном университете путей сообщения при поддержке Российского научного фонда (грант №14-29-00116).