11_Gladchenko.doc Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 73 Гладченко А.Н.,* Шевеля В.В.,** Кияница Е.В.,* Зверлин В.Г.* *ЗАО «Пластмаш», г. Киев, Украина **Жешувский технический университет, г. Жешув, Польша ИЗНАШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ ПРИ ИХ ПЕРЕРАБОТКЕ В ЭКСТРУДЕРАХ УДК 621.891 Основными факторами, определяющими эксплуатационный ресурс оборудования для переработки поли- мерных материалов, являются износостойкость рабочих органов и изнашивающая способность наполненных поли- мерных композиций. На основе усталостной концепции изнашивания металла абразивом, закрепленным в полимер- ной матрице, обладающей вязкоупругими свойствами, построена математическая модель, позволяющая связать со- противление изнашиванию сплавов с их реологическими свойствами. Введен в рассмотрение реологический показа- тель, характеризующий упруго-пластические свойства изнашиваемого материала. Экспериментальная проверка мо- дели изнашивания проведена на сплавах железа, никеля, кобальта, а также на твердых сплавах. Исследована зависи- мость интенсивности изнашивания исследуемых сталей и сплавов от относительной твердости наполнителей поли- мера СФД применительно к процессу переработки в экструдерах. Ключевые слова: экструзия, износостойкость, наполненные полимеры, изнашивающая способность, реологические свойства, относительная твердость наполнителя Введение Основой для производства широко применяемых изделий из пластмасс являются технологиче- ские линии, базовой машиной в которых являются экструдеры. При большом разнообразии конструкций и типоразмеров эти устройства объединяет физико-химия процесса экструзии: механическая энергия, подводимая к шнеку, за счет внешнего и внутреннего трения преобразуется в теплоту, изменяя агрегат- ное состояние перерабатываемого материала и его реологические свойства. При этом в основной поли- мер для улучшения его эксплуатационных свойств вводится определенная номенклатура веществ (тер- мостабилизаторы, красители, армирующие волокна, дисперсные порошки), существенно влияющих на физико-механические свойства получаемых композиций по сравнению с исходным полимером. По- скольку упомянутые наполнители обладают, как правило, абразивным действием, необходимо обеспечи- вать износостойкость шнека и цилиндра при эксплуатации экструдеров. Переработка композиций, наполненных абразивными материалами, резко повышает интенсив- ность изнашивания рабочих органов, увеличивая радиальный зазор между ними. Это требует повышения частоты вращения шнека для компенсации падения давления экструзии, а значит - увеличения удельного расхода энергии и общих издержек производства [1 - 3]. Таким образом, знание закономерностей трения и изнашивания рабочих органов экструдера при переработке наполненных пластмасс и обеспечение их износостойкости является важным условием оп- тимизации параметров технологического процесса. Методики исследования Для экспериментального определения изнашивающей способности наполненных полимеров про- водили триботехнические испытания на модернизированной установке, выполненной на базе машины трения модели 2101ТП [4]. По торцевой поверхности дискового металлического образца осуществлялось трение трех штырьевых образцов из полимерного материала, закрепленных в гнездах кассеты через каж- дые 120° по дуге окружности (d = 33,5 мм). Износ металлических образцов определяли весовым методом (с погрешностью не более 10-4 г) с пересчетом на объем. Упруго-пластические свойства изнашиваемых материалов оценивали по кинетическим диаграм- мам микровдавливания алмазного индентора [5]. Результаты исследований и их обсуждение При переработке полимерных материалов в качестве основных факторов, определяющих рабо- чий ресурс оборудования, выступают износостойкость металлических рабочих органов и изнашивающая способность полимерной среды. Эксперименты показывают [2], что взаимодействие закрепленных в по- лимерной матрице частиц наполнителя с металлической поверхностью контртела (цилиндра, шнека) но- Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 74 сит характер многократного упруго-пластического деформирования микрообъемов металла, вызываю- щего накопление усталостных повреждений. Для моделирования процесса абразивного изнашивания металлического контртела в контакте с полимерным материалом матрично наполненного типа принимаем, что изношенный объем V пропор- ционален объему материала, деформированного упруго-пластически Vуп: упM VCV ⋅= , (1) где С – коэффициент, зависящий от свойств наполненного полимера и металлического контртела. Объем упруго-пластически деформируемого материала при взаимодействии абразивного зерна с поверхностью контртела можно смоделировать с помощью кинетической диаграммы микровдавливания индентора с исключением упругой деформации (рис. 1). а б Рис. 1 – Модель вдавливания конусного индентора: а – контур вдавливания; б – диаграмма вдавливания При деформировании материала на глубину h и последующем снятии нагрузки вначале исчезает упругая составляющая деформации hу, а затем происходит некоторое дополнительное уменьшение глу- бины деформации на величину hПД, связанное с упругим последействием, которое определяют как про- цесс релаксации энергии, накопленной при деформации [5]. При смещении абразивной частицы под действием тангенциальной силы площадь поперечного сечения износа (на рис. 1, а заштрихована), возникающего за счет упруго-пластической деформации, равна: упПДу hrhhhrS ⋅=−−⋅= 22 )( . (2) Учитывая, что радиус пластического отпечатка: β⋅= tg2 упhr , (3) можно записать: β⋅      +⋅−=β⋅−≈β⋅= tg)(21tg)(tg 2222 h h h h hhhhS ууууп . (4) Невосстановленная микротвердость Hh (твердость под нагрузкой) определяется из выражений: ;2 1r P H h ⋅π = β⋅= tg1 hr , (5) из которых следует: β⋅⋅π = 2 2 tghH P h . (6) После подстановки (6) в (4) получаем: h уп H hhP S 2)/( tg ⋅ β⋅π = . (7) Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 75 При смещении частицы абразива на величину L объем деформированного материала: h уп уп H hhPL LSV 2)/( tg ⋅ β⋅π ⋅ =⋅= , (8) где L – путь трения; P – нормальная нагрузка. Таким образом, с учетом (1), получаем величину объемного износа: β⋅π ⋅⋅⋅ = tg RPLC VM , (9) где 12)/( −⋅= hуп HhhR (10) является реологическим показателем, учитывающим упруго-пластические свойства изнашиваемого ма- териала. Физический смысл параметра R поясняется схемой, представленной на рис. 2, характеризующей зависимость износа V от твердости металла Hh в связи с соответствующим вкладом составляющих сум- марной энергии WС, расходуемой на абразивное изнашивание. Рис. 2 – Схема зависимости износа V и вклада составляющих расходуемой энергии (WР, WГ, Wпл) от твердости металла Суммарную энергию WС можно представить в виде суммы: плГРC WWWW ++= , (11) где WР – энергия, рассеиваемая по механизмам амплитуднонезависимого (релаксационного) внутреннего трения; WГ – энергия, соответствующая гистерезисному внутреннему трению; Wпл – энергия, расходуемая на микропластическую деформацию. Зависимость )( 1−= hHfV имеет трехстадийный характер. В области I скорость изнашивания минимальна и удельная доля повреждающей составляющей рассеяния энергии Wпл / WС в общем балан- се энергии незначительна. В области III скорость изнашивания и отношение Wпл / WС максимальны. Об- ласть II является промежуточной. Показатель R, будучи пропорциональным величине hCпл HWW ⋅/ , отражает влияние на износ материала соотношения повреждающих (Wпл) и неповреждающих (WР, WГ) составляющих механиче- ской энергии, рассеиваемой при трении. Коэффициент пропорциональности С в формуле (9) зависит от твердости, дисперсности и кон- центрации наполнителя, а также от системы легирования изнашиваемого металлического материала, с учетом чего указанный коэффициент можно представить в виде: ЛН KKC ⋅= , (12) где KН – фактор, учитывающий твердость, дисперсность и концентрацию наполнителя; KЛ – фактор, зависящий от системы легирования сплава (вида сплава). Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 76 С учетом сказанного, выражение для объемного износа металла в контакте с полимером, содер- жащим абразивный наполнитель, принимает вид: R PL KKV ЛНM ⋅β⋅π ⋅ ⋅⋅= tg (13) Из этого выражения следует, что для данного полимерного композита интенсивность износа ме- таллического контртела пропорциональна реологическому показателю R сплава и зависит от системы его легирования. Для экспериментальной проверки рассмотренной модели изнашивания было выбрано четыре группы материалов (системы легирования): сплавы на основе железа, никеля, кобальта и твердые сплавы (табл. 1). Таблица 1 Сплавы для испытаний на изнашивание № п/п Сплавы Микротвердость, кгс/мм2 I. Сплавы на основе железа 1 Сталь 40Х, зак. 207 2 Сталь 40ХН2МА, аз. 746 3 Сталь 38Х2МЮА, аз. 868 4 Сплав АН-148 796 5 Сплав ПН-АН2 452 6 Чугун № 1 (эксп) 746 7 Чугун № 2 (эксп) 854 8 Чугун № 3 (эксп) 941 II. Сплавы на основе никеля 9 ПГ-СР2 320 10 ПГ-СР3 432 11 ПГ-СР4 620 12 ПГ-АН6 804 III. Сплавы на основе кобальта 13 110Х27К61М5Н3 (эксп) 361 14 АН34 (Co-Cr-W-Si-B) 525 15 160Х29К60В8 (эксп) 467 16 180Х30К55В12 (эксп) 580 17 C-6 (Co-Cr-W) 863 IV. Твердые сплавы 18 ВК6 (WC-Co) 565 19 ВК8 (WC-Co) 478 20 ВК15 (WC-Co) 444 Выбранные конструкционные стали и чугуны традиционно применяются для изготовления ра- бочих органов экструдеров. Исследованные наплавочные материалы разных систем легирования и твер- дые сплавы являются перспективными для применения в оборудовании для переработки композицион- ных термопластов. Наплавку сплавов на стальные образцы (Ст20) производили плазменным методом. В качестве полимерного материала был выбран сополимер формальдегида с диоксоланом (СФД). Для приготовления композиций наполнителями служили высокодисперсные оксиды (табл. 2) зернистостью 40/28 мкм, вводимые в количестве 30 % мас. Таблица 2 Оксиды для приготовления композиций Оксид Микротвердость, ГПа Оксид Микротвердость, ГПа FeO 4,6 - 5,5 MgO 11 - 12,6 CaO 6,0 - 6,15 ZrO2 13,6 - 16,0 SiO2 9,5 - 10,5 Al2O3 20 - 21 Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 77 Испытания материалов на изнашивание производились в контакте с наполненными полимерами в твердом агрегатном состоянии в условиях, отвечающих режимам переработки в зонах загрузки и сжа- тия экструдера (Р = 140 Н; v = 0,3 м/с). Штыревые образцы из исследуемой композиции, трущиеся по торцевой поверхности дискового металлического образца, моделировали единичные гранулы перераба- тываемого полимера. Реологический показатель R, входящий в выражение (13) и характеризующий упруго- пластические свойства изнашиваемых материалов, рассчитывали по кинетическим диаграммам микро- вдавливания алмазной пирамиды и значениям микротвердости согласно (10). На рис. 3 представлены зависимости интенсивности объемного износа V сталей и сплавов раз- личных систем легирования от реологического показателя R при трении с композицией СФД+30%Al2O3. Рис. 3 – Интенсивность износа сталей и сплавов при трении с композицией СФД+30%Al2O3 в зависимости от реологического показателя R. Цифры у точек соответствуют номерам материалов, приведенных в табл. 1 Для сплавов одной системы легирования наблюдается линейная зависимость в соответствии с выражением: RCR KK PL V V Л ЛНM ⋅=⋅ β⋅π ⋅ = ⋅ = tg , (14) где СЛ – коэффициент, зависящий от системы легирования материалов (при трении с данным композитом), равный для сплавов на основе железа – 1,0; никеля – 0,52; кобальта – 0,23; чугунов – 0,28; твердых сплавов – 0,03. Из рис. 3 следует, что соотношение между максимальными и минимальными значениями коэф- фициента СЛ, характеризующее относительную износостойкость сплавов различных систем легирова- ния, равно 34, что свидетельствует о широком диапазоне их эксплуатационных возможностей. При данной дисперсности и концентрации наполнителя наиболее значимым фактором, опреде- ляющим интенсивность изнашивания металлического контртела, является твердость этого наполнителя. Обычно влияние твердости наполнителя оценивается по относительному показателю П = На/Нм, где На и Нм – значения твердости абразива и изнашиваемого материала. За счет комбинирования отобранных для исследования материалов пар трения (табл. 1 и 2) полу- чен широкий диапазон величин относительной твердости П, который охватывает основные случаи, имеющие место на практике. На рис. 4 представлена зависимость приведенного объемного износа иссле- дуемых сталей и сплавов от относительной твердости наполнителей полимера СФД. Приведенный износ нормировался по следующим факторам: L, P, tgβ, СЛ: Л ПР CPL tgV V ⋅⋅ β⋅ = (15) Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 78 Рис. 4 – Приведенный объемный износ (VПР) сталей и сплавов в контакте с композициями на основе полимера СФД в зависимости от относительной твердости наполнителя (П) (сплавы на основе: ○ – железа, ● – никеля, ◊ – кобальта; ▲ – твердые сплавы) Зависимость имеет трехстадийный характер, подобный ранее рассмотренной схеме (рис. 2). Вид- но, что интенсивности изнашивания минимальны при П < 1,6. В диапазоне значений 1,6 < П < 3,4 изна- шивание металлического контртела резко возрастает, а при П > 3,4 интенсивность износа максимальна и стабильна по величине. Указанные значения величины П, соответствующие трем стадиям влияния этого показателя на изнашивание, отличаются от таковых при трении по абразивному кругу или при ударно- абразивном изнашивании [6]. По-видимому, это связано со специфическими условиями закрепления аб- разива в полимерной матрице, обладающей вязкоупругими свойствами. Литература 1. Силин В.А. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных машинах. – М.: Маши- ностроение, 1972. – 150 с. 2. Гладченко А.Н., Зверлин В.Г., Петренко С.Д., Шевеля И.В. Износостойкость оборудования для переработки полимерных материалов. – К., 1997. – 256 с. 3. Зверлин В.Г. Исследование предельно-допустимого износа рабочих органов червячных прес- сов // Химическое и нефтяное машиностроение. – 1982, № 9. – С. 20-22. 4. Гладченко А.Н., Шевеля И.В. Реология износостойкости металлополимерных трибосистем. – Хмельницкий: Универ, 2001. – 183 с. 5. Булычев С.И., Алехин В.Г. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. – М.: Машиностроение, 1990. – 224 с. 6. Добровольский А.Г., Кошеленко П.И. Абразивная износостойкость материалов. Справочное пособие. – К.: Техника, 1989. – 128 с. Поступила в редакцію 11.09.2013 Изнашивающая способность наполненных полимеров при их переработке в экструдерах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 79 Gladchenko A.N., Shevelya V.V., Kianycia E.V., Zverlin V.G. Wear out capability of filed polymers subject to their processing in extruder. The basic factors, that define the operation life of the equipment for the processing of polymer materials, are wear resistance of operative parts and wear out capability of filled polymer materials. Mathematic model on the basis of fatigue conception of the wear of metals by abrasive, fixed in the polymer matrix, that are possessed of viscoelastic properties was built. This model allows to bind wear resistance of alloy materials and their rheological properties. The rheological index that characterizes elasto-plastic properties of wearing material was introduced for consideration. The experimental verification of the model was examined on the iron alloys of nickel, cobalt as well as on hard alloys. The dependence of wear rate of men- tioned alloys on relative solidity of the polymer fillers with regard to the process of treatment in extruders was studied. Key words: extrusion, wear resistance, field polymers, wear out ability, rheological properties, relative solidity of the filler. Reference 1. Silin V.A. Plastic treatment process dynamics in strainer extruders. M.: Mechanical Engineering, 1972, 150 p. 2. Gladchenko A.N., Zverlin V.G., Petrenko S.D., Shevelya I.V. Endurance of the equipment for poly- mer materials processing. Kiev, 1997. 256 p. 3. Zverlin V.G. Study of the extreme-acceptable wear rate of driven elements of worm presses. Chemi- cal and petrol mechanical engeneering. 1982, № 9. P. 20-22. 4. Gladchenko A.N., Shevelya I.V. Endurance rheology of metal-polymeric tribosystmes. Khmelnit- skiy: Univer, 2001. 183 p. 5. Bulychev S.I., Alehin V.G. Testing of the material by continuous indentation of the indentor. M.: Mechanical Engineering, 1990, 224 p. 6. Dobrovolskiy A.G., Koshelenko P.I. Abrasive wear resistance of materials. Handbook. K.: Technol- ogy, 1989. 128 p.