РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРОВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены краткие результаты научных исследований по разработкам в последние годы множества различных антифрикционно-износостойких металлополимерных материалов и покрытий из них машиностроительного назначения. На основе их комплексного анализа и сформулированы требования, предъявляемые к созданию эффективных составов и технологии получения металлополимерных композиционных полимерных материалов (МПКМ) и покрытий на их основе с высокими антифрикционными а также другими физико-механическими свойствами.

ABSTRACT

The article presents brief results of scientific research developed in recent years on a variety of different anti-friction and wear-resistant metal-polymer materials and coatings made from them for engineering purposes and, based on their comprehensive analysis, formulates the requirements for the creation of effective compositions and technology for producing metal-polymer composite polymer materials (MPCM) and coatings based on them with high antifriction and other physical and mechanical properties.

Ключевые слова: износостойкие, физико-механические, композиционные, полимер, антифрикцион, металлополимер.

Keywords: wear-resistant, physical-mechanical, composition, polymer, anti-friction, metal-polymer.

Введение. Разработанный новый технологический процесс изготовления антифрикционно-износостойкого металлополимерного материала (АИМПМ) методом пропитки предполагает наличие двух основных этапов: получение заготовки из металлического порошка, обладающей определенным комплексом эксплуатационных свойств, и изменение последних путем пропитки композиционного полимерного материала в поровых каналах заготовки. Очевидно, что эксплуатационные характеристики получаемых изделий в равной мере определяются как характеристиками заготовки с пропитываемыми композиционными полимерными материалами, так и параметрами процесса пропитки. В связи с этим проведен комплекс исследований, включающий изучение свойств исходных порошков, выбор оптимальных поровых структур и режимов их спекания, определение свойств заготовок, выбор оптимального состава материала и наполнителей для изготовления самосмазывающегося подшипника скольжения и исследование влияния режимов пропитки на эксплуатационные свойства получаемого материала.

Объекты и методы исследования. Материалом для исследований служил сферический порошок бронзы марки БрОФ-10-1, ТУ-48-42-3-85.

Порошок получили методом распыления струи расплава бронзы потоком воздуха в воду. Свойства исходных порошков бронзы марки БрОФ-10-1 (сферический), из которых изготавливаются заготовки для пропитки представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Свойства исходных порошков бронзы марки БрОФ-10-1 (сферический)

Результаты и обсуждение. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что наиболее оптимальными для изготовления заготовки являются порошки с размером частиц (+800-1000) мкм.

1-этап. Изготовление заготовки методом порошковой металлургии включает в себя следующие основные операции: выбор материала, рассев порошка на различных фракции, выбор фракции порошка, изготовление пресс-формы. Формирование осуществляется из выбранного порошка заготовки, спекания формованных заготовок, определения эксплуатационных свойств.

Схема технологического процесса изготовления пористых заготовок для пропитки полимеров представлена на рисунке 1. 

Рисунок 1. Схема технологического процесса изготовления пористых заготовок для пропитки полимеров

Из таблицы 2 видно, что эксплуатационные свойства заготовки полученным методом спекания свободно насыпанного порошка под воздействием вибрации по сравнению с известным методом без приложения вибрации выше. Особенно это наблюдается в механических свойствах заготовки. Кроме того, применением вибрации в структуре заготовки более плотно и регулярно иллюстрирует рисунок 2. Такая структура обеспечивает распределение полимеров в поровые каналы заготовки равномерно как бы гомогенно.

Эксплуатационные свойства исходных спеченных заготовок из порошка бронзы марки БрОФ-10-1 из 6-ти фракции представлена на таблице 2.

Таблица 2.

Эксплуатационные свойства спеченных заготовок из порошка бронзы марки БрОФ-10-1 из 6 -ти фракции

а) х100                                      б) х100

Рисунок 2. Фрактограммы поверхности ППМ из бронзы марки БрОФ-10-1 полученным методом спекания со свободной насыпкой (а) и под воздействием вибрации (б), фракции каркаса (+800-1000) мкм

Второй этап научно-исследовательской работы посвящается выбору антифрикционно-износостойких полимерных материалов и наполнителей, которые в дальнейшем пропитывают поровые каналы заготовки в вакууме. Следует отметить, что после пропитки полимерными материалами с наполнителями поровых каналов предварительной детали, эксплуатационные свойства заготовки существенно меняются. Поэтому целесообразно провести комплексное исследование влияния свойств полимеров и наполнителей на адгезионные, прочностные и триботехнические свойства исходных заготовок.

На основе анализа современных литературных источников и результатов проведенных нами экспериментальных исследований были разработаны эффективные составы антифрикционных композиционных материалов, составы которых приведены в таблице 3.

Для исследования антифрикционных и износостойких свойств состав   композиции условно обозначим следующей буквой и цифрой:

МП- металл полимер

МП-1-металл полимер состав БрОФ-10-1 + ЭД-20 без наполнителя:

МП-2- состав БрОФ-10-1 + ЭД-20+(1,5-3) % графит;

МП-3 -состав БрОФ-10-1 + ЭД-20+1,5-3) % дисулфидмолебдена;

МП-4 -состав БрОФ-10-1 + ЭД-20+(20-30) % закись меди;

МП-5 -состав БрОФ-10-1 + ЭД-20+(20-30) % окись свинца;

МП- 6 - состав БрОФ-10-1+ ЭД-20 + (1,5-3) % графит + (1,5-3) % МоS₂ + (20-30) % Cu₂O + (20-30) % PbO₂ + (15-20) % свинец.

Таблица 3.

Разработанные эффективные составы антифрикционных композиционных материалов 

В результате проведения исследований был разработан состав металлополимерного материала: БрОФ-10-1+ ЭД-20+(1,5-3) % графит + (1,5-3)% МоS₂+(20-30) % Cu₂O+(20-30) % PbO₂+(15-20) % свинец для триботехнического назначения.

Технологический процесс получения антифрикционных износостойких металлполимерных материалов, получаемых методом пропитки, следующий и представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема технологического процесса получения антифрикционных износостойких металлополимерных материалов получаемых методом пропитки

1. Емкость для растворителя; 2. Емкость для пластификатора; 3. Емкость для термопластичного полимера; 4, 5, 6, 7, 8, 9. Емкость для наполнителя; 10, 11. Смеситель; 12. Устройств для пропитки полимеров; 13. Печь для температуры предварительного нагрева металлополимерных материалов; 14. Комплекс оборудования и приборов для определения эксплуатационных свойств готовых изделий.

Приготовления пропитываемых жидких термопластичных полимеров в составе: 3-ЭД-20, 2-пластификатор дибутилфталат 1-растворитель марки 676 – в определенных соотношениях поступают через дозатор, далее в смеситель 10.

Смесь из термопластичного полимера, пластификатор и растворитель смешиваются при температуре 30–40 ℃ в течение 10 минут в смесителе 10. Из ёмкости 4–9 наполнители в определенных соотношениях поступают в смеситель 11, все компоненты жидких термопластичных полимеров и наполнителей смешиваются при температуре 30–40 ℃ в течении 10–15 мин. в смесители 11. Полученная жидкая смесь пропитываются на установке 12 в вакууме. Для ускорения процесса полимеризации добавляется отвердитель. Обычно вводят 1 часть отвердителя на 10 частей смолы, над готовыми изделиями производится нагрев при определенной температуре в течение 30 мин. в печи 13, далее изделия подвергается контролю для определения эксплуатационных свойств.

По разработанному процессу композиции (табл. 3) изготовлены для изучения физико-механических, адгезионных и треботехнических свойств металлополимерные лабораторные образцы 6 составов каждый по 5 шт. по разработанной технологии. Зависимость коэффициента трения от удельного давления для наполненных полимера (БрОФ-10-1 + ЭД-20) при смазке глицерином (ТНПМ =500 К, Ʊ-0,5 м/сек) представлена в рис. 4.

1-БрОФ-10-1+ЭД-20, 2-МП1+Графит(1,5-3)%, 3-МП1+дисульфидмолибден (1,5-3)% , 4- МП1+ закись меди (20-30) %,  5- МП1+окись свенца (20 - 30)%, 6- МП1 + ЭД-20+(1,5- 3) % графит + (1,5-3) % МоS₂ +(20-30) % Cu₂O+(20-30) % PbO₂ +свинец (15-20) %.

Рисунок 4. Зависимость коэффициента трения от удельного давления для наполненных полимера (БрОФ-10-1 + ЭД-20) при смазке глицерином (ТНПМ =500 К, Ʊ-0,5 м/сек)

Лабораторные исследования показали (рис. 3), что металл полимерные образцы изготовленные из БрОФ-10-1 + ЭД-20+(1,5- 3) % графит + (1,5-3) % МоS₂ +(20-30) % Cu₂O+(20-30) % PbO₂ +свинец (15-20)%, физико-механических, адгезионных и треботехнических свойств по сравнению с другим наполнителем выше.

На рис. 5 представлена заготовка и самосмазывающийся подшипник скольжения, изготовленные полученным методом пропитки.

А                                                         Б

Рисунок 5.  Заготовка из материала бронзы марки БрОФ-10-1(А) и самосмазывающийся подшипник скольжения полученным методом пропитки (Б) изготовленные из БрОФ-10-1 + ЭД-20 + (1,5-3)%графит +(1,5-3) % МоS₂ +(20-30) % Cu₂O+(20-30)% PbO₂ +свинец (15-20) %.

В таблице 4. представлено влияние степени наполнителя на коэффициент трения металл полимерных материалов при воздушно-сухом трении (v = 1,0 м/сек, p_уд = 0,75мн/м²).

Таблица 4.

Влияние степени наполнителя на коэффициент трения металл полимерных материалов при воздушно-сухом трении (v = 1,0 м/сек, p_уд = 0,75мн/м²)

Исследования показывают, что антифрикционные свойства на­полнителя не всегда проявляются в случае наполнения ими материала (табл. 4). Самыми результативными оказались композиции, состав которых состоит из материала и наполнителя БрОФ-10-1 + ЭД-20 + (1,5- 3)% графит + (1,5-3)% МоS₂ +(20-30)% Cu₂O + (20-30)% PbO₂ + свинец (15-20)%,  коэффициент трения при воздушно-сухом трении (v = 1,0 м/сек, p_уд = 0,75мн/м²) составляет 0,06.

Заключение. Определены оптимальные параметры техпроцесса получения заготовки для пропитки из металлического порошка бронзы марки БрОФ-10-1, оптимальный состав – антифрикционно-износостойкий металлополимерный материал для узлов трения. Разработана технология получения антифрикционно-износостойкого металлополимерного материала для узлов трения методом пропитки композиции в поровых каналах заготовки. Определены оптимальные параметры технологического процесса получения антифрикционно-износостойкого металлополимерного материала для узлов трения методом пропитки композиции в поровых каналах заготовки.

Список литературы:

1. Алентьев А.Ю. Связующие для полимерных композиционных материалов. –М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2010.
2. Витязь П.А. Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий. – Минск: Беларус. навука, 2011.
3. Гарифуллин Р.Р. Подвижные и неподвижные соединения. – М.: КНИТУ, 2020.
4. Подшипники скольжения // Автомобильный справочник. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://press.ocenin.ru / podshipniki-skolzheniya / Metallkerampodsip (дата обращения: 08.06.2022).
5. Рождественский Ю.В., Хозенюк Н.А., Задорожная Е.А. Динамика и смазка гидродинамических трибосопряжений поршневых и роторных машин. – М.: Наука, 2018.
6. Федорченко И.М., Крячек В.М., Панаиоти И.И. Современные фрикционные материалы. АН УССР. Киев: Наук. думка, 1975.
7. Шаповалов В.В. Эркенов А.Ч., Кохановский В.А. Триботехника. – М.: Феникс, 2017.