Влияние содержания волокна оксалон на триботехнические характеристики органопластиков на основе фенилона С – 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 11 Буря А.И., Томина А.-М.В., Чернов В.А. Днепровский государственный техниче- ский университет, г.Камянск, Украина E-mail: ol.burya@gmail.com ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОЛОКНА ОКСАЛОН НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАНОПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ ФЕНИЛОНА С – 1 УДК 620.178.169 Исследовано влияние содержания (5 - 20 масс.%) термостойкого волокна оксалон на триботехнические ха- рактеристики органопластиков на основе ароматического фенилон С-1. Показано, что с увеличением содержания во- локна в органопластике износ и коэффициент трения в сравнении с исходным полимером снижаются в 3,8 - 12,1 раза и на 49 – 56 % соответственно. Ключевые слова: фенилон С-1, органическое волокно оксалон, коэффициент трения, износ, твердость. Введение В настоящее время имеются технико – экономические предпосылки для широкого применения композиционных материалов (КМ) в отраслях массового машиностроения. Замена традиционных метал- лических материалов на КМ обеспечивает снижение материалоемкости деталей машин до 2,5 раз при увеличении их рабочего ресурса до 3 раз, уменьшает трудоемкость изготовления до 10 раз при сокраще- нии времени на организацию производства детали до 2,5 раз. Надежность деталей из КМ в 1,5 раза выше, чем из традиционных материалов, что позволяет успешно прогнозировать неуклонное расширение их использования в перспективных моделях транспорта будущего [1]. Современное машиностроение нуждается в расширении ассортимента износостойких КМ с вы- сокими эксплуатационными свойствами. В связи с этим большой интерес представляет получение поли- мерных КМ, обладающих высокими механической прочностью, износо- и химической стойкостью, что позволит их применять в машиностроении вместо дорогостоящих и дефицитных материалов и улучшить эксплуатационные качества многих машин и аппаратов [2, 3]. Важную роль с точки зрения повышения надежности подвижных соединений машин и механиз- мов представляет разработка новых антифрикционных материалов, особенно органопластиков (ОП). ОП отличаются от типичных представителей полимерных КМ полимерной природой обоих компонентов – волокна и матрицы. ОП, наполненные волокнами из гибкоцепных полимеров, являются материалами, в которых наиболее выгодно используются свойства данных волокон (высокие диэлектрические и тепло- физические свойства, химическая стойкость, трибологические характеристики) [4]. Цель и постановка задачи В настоящее время требуется создание совершенно новых материалов с заданными свойствами, применяемых в узлах трения и других подвижных соединений машин и механизмов. Эксплуатационные характеристики исходных полимеров, однако не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конструкционным пластмассам. Как правило, их применение в различных отраслях техники ограничива- ется низкой износостойкостью и теплопроводностью или недостаточной прочностью. В связи с этим ре- шение данной проблемы, связано с применением для изготовления трущихся деталей полимерных мате- риалов. Однако часто применяемое модифицирование пластмасс различными порошкообразными на- полнителями не позволяет получить желаемый результат, ввиду резкого снижения прочностных свойств композитов. Это происходит в следствие того, что частицы наполнителя, погруженные в расплав поли- мера, имеют на своей поверхности пленки оксидов, препятствующие контакту между наполнителем и полимером. Решением данной проблемы стало введение в полимер органических волокон. Учитывая это целью данной работы являлось исследование триботехнических характеристик ор- ганопластиков на основе фенилона С-1, армированного термостойким волокном оксалон. Объекты и методы исследований В качестве связующего использовали ароматический полиамид фенилон С–1 (ТУ 6-05-221-101- 71) - тонкий порошок розоватого цвета с насыпной плотностью 0,2 - 0,3 г/см3. Предназначается для изго- товления пластмассовых изделий методом прямого прессования. Свойства фенилона приведены в табл. 1. Полимерные композиты на основе фенилона относятся к числу наиболее перспективных поли- мерных материалов, которые вместе с высоким уровнем физико - механических и теплофизических свойств обладают высокой износостойкостью при трении в паре со сталью. Влияние содержания волокна оксалон на триботехнические характеристики органопластиков на основе фенилона С – 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 12 Таблица 1 Свойства ароматического полиамида фенилона С–1 [5, 6] Показатель Значение Плотность, кг/м3, не более 1350 Разрушающее напряжение, МПа, не менее: при растяжении при статическом изгибе 100 150 Ударная вязкость, кДж/м2, не менее 20 Предел текучести при сжатии, МПа, не менее 220 Твердость, МПа, не менее 180 Температура плавления, К, не ниже 543 Усадка после прессования, %, не более 0,6 Фенилон армировали полиоксадиазольным волокном оксалон. Для получения полиоксадиазоль- ных волокон в качестве мономеров используют фталевые кислоты и гидразинсульфат, а в качестве рас- творителя – серную кислоту и олеум, доступные и дешевые продукты массового производства. Свойства волокна приведены в табл. 2. Таблица 2 Основные свойства волокна оксалон [7] Показатель Значение Плотность, кг/м3 1430 - 1440 Прочность при растяжении, сН/текс (МН/м2) 50 - 70 (7,0 - 9,8) Относительное удлинение, % 4 - 8 Модуль упругости при 1% удлинение, ГПа 30 - 50 Снижение прочности при повышенной температуре, % при 573 К при 673 К 44 - 50 70 - 80 Коэффициент трения 0,25 Стойкость к истиранию, число циклов 30000 - 40000 Температура стеклования, К 593 - 563 Приготовление композиций фенилона С – 1 содержащих 5 - 20 % дискретного (3 мм) волокна оксалон, осуществлялось методом сухого смешивания в аппарате с вращающимся электромагнитным полем (0,12 Тл) с помощью ферромагнитных частиц, впоследствии извлекаемых методом магнитной се- парации. Перед прессованием полиамид необходимо тщательно высушить. Переработка в изделия невы- сушенного фенилона ухудшает его прочностные показатели, приводит к образованию поверхностных дефектов (раковин, пузырей и др.). Сушка заготовок производилась в термошкафу SPT – 200 в течении 2 - 3 часов при 473 - 523 К. Таблетка из термошкафа сразу же загружалась в пресс – форму, нагретую до 523 К. После загрузки в пресс – форму материал нагревали до 598 К и выдерживали без давления 10 ми- нут, после чего давали выдержку в 5 мин при давлении 50МПа и той же температуре. Далее изделие ох- лаждали при постоянном давлении до температуры 543 К и проводили распрессовку. Трибологические характеристики изучали в условиях трения без смазки на дисковой машине трения [8] при давлении 0,6 МПа, скорости скольжения 1 м/с. Путь трения составлял 1000 м. Образцы из ОП изготавливались цилиндрической формы  = 10, h = 12 мм; в качестве контртела использовали сталь 45 (45 - 48 HRC, Ra = 0,16-0,32 мкм). Коэффициент трения определяли по формуле: N FF f 21   , где 1F – сила трения исследованного образца; 2F – потери, что возникают при повороте рычага на остриях в горизонтальной плоскости. Точ- ность измерения силы трения составляет 5 %; N – нормальная нагрузка на образец. Износ образцов определяли весовым методом на аналитических весах ВЛР – 200 (ГОСТ 24104 – 80) с точностью 0,0001 г. За основную инженерную характеристику процесса изнашивания, принимали интен- сивность линейного износа Іh [9] выраженную соотношением: Влияние содержания волокна оксалон на триботехнические характеристики органопластиков на основе фенилона С – 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 13 ТaТ h dLA dG I    , где G – величина массового износа; T – плотность изнашиваемого материала; aA – номинальная площадь контакта; L – путь трения. T a A A  , где TA – номинальная площадь трения. Принимали λ = 1, то есть рассматривали износ тела, все точки поверхности трения которого по- стоянно находятся в контакте. Интенсивность тепловыделения [10] определяли по формуле:  pfq , где f – коэффициент трения; p – контактное давление;  – скорость скольжения. Твердость по Бриннелю определяли по методу вдавливания шарика диаметром 5 ± 0,005 мм при заданной нагрузке согласно ГОСТ 4670-77 на твердомере ТШСП. Суть метода состоит во вдавливании стального шарика при нагрузке МПа на поверхность исследуемого образца. Твердость по Бриннелю рас- считывали по формуле: hd P  HB , где НВ – твердость по Бриннелю, МПа; Р – нагрузка, кгс; d – диаметр шарика, мм; h – глубина проникновения шарика, мм. Шероховатость образцов измеряли при помощи профилометра 170621, посредством острой и твердой иглы (щупа), что перемещалась по исследуемой поверхности, копируя ее неровности. Обсуждение результатов исследования Анализируя результаты исследований, представленные на рис.1, можно заключить, что увеличе- ние количества оксалона с 5 до 20 масс. %, позволяет уменьшить коэффициент трения и интенсивность линейного износа фенилона С – 1 на 49 - 56 % и в 3,8 - 12,1 раза соответственно, что можно объяснить низким (0,25) коэффициентом трения волокна по стальному диску. Наиболее интенсивное снижение ко- эффициента трения происходит при введении волокна до 10 масс.%, после чего он практически не меня- ется. Данные результаты можно объяснить следующим образом. Рис. 1 – Влияние содержания волокна оксалон на: 1 – коэффициент трения; 2 – температуру в зоне контакта; 3 – интенсивность линейного износа; 4 – интенсивность тепловыделения Влияние содержания волокна оксалон на триботехнические характеристики органопластиков на основе фенилона С – 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 14 В процессе трения ОП по стальному диску появляется граничный слой (пленка переноса) рис. 2, а, которая выполняет при трении несколько важных функций. С одной стороны, она предотвра- щает непосредственный контакт неровностей полимера (трещины, микрорельеф) и, защищая поверхно- стные слои трущихся тел, значительно снижает адгезию органопластиков к контртелу, возникающую в результате Ван-дер-Вальсовых связей (сил межмолекулярного взаимодействия) между поверхностями трения. С другой стороны, малая толщина пленки не препятствует упругой и пластической деформации контактирующих тел (полимера и контртела). Но самое главное, сдвиговые деформации локализуются внутри пленки, которая обладает малым сопротивлением на сдвиг, что и приводит к снижению силы трения. Снижение износа при увеличении содержания оксалона в органопластике сопровождается сим- батным понижением температуры в зоне контакта полимер – контртело. Уменьшение интенсивности те- пловыделения контактного слоя в 1,65 - 2,1 раза подтверждает снижение работы сил трения, которая рас- ходуется на разрушение межмолекулярных связей, что ведет к увеличению сил Ван-дер-Вальса, и как следствие, уменьшению фрикционности ОП [11]. Из рис. 2, а видно, что при трении ненаполненного полимера, на его поверхности образуются глубокие борозды (Ra = 0,26 - 0,68) – неровности более твердой поверхности (диска) пропахивают более мягкую (полимер), образуя дорожку трения. В соответствии с моделью трения скольжения Боудена - Тейбора [10], сопротивление пропахиванию вызывает силу, вносящую вклад в силу трения, так называемая пропахивающая составляющая силы трения, которая всегда сопровождается адгезией. а б в г д е Рис. 2 – Микроструктура (×200): а – пленки переноса органопластика, содержащего 10 масс. % оксалона; б – чистого фенилона С-1; и органопластиков содержащих: в – 5; г – 10; д-15; е-20 масс.% волокна Уменьшение адгезионной силы (переход пластического контакта к упругому) и шероховатости органопластиков (Ra = 0,15 - 0,5) сопровождается увеличением фактической площади контакта рис. 2, б, в, г (поверхность становится более гладкой) [10]. Влияние содержания волокна оксалон на триботехнические характеристики органопластиков на основе фенилона С – 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 15 Рис. 3 – Влияние содержания волокна на твердость органопластиков Как известно [12] на трение и износ значительное влияние оказывает твердость материала рис. 3, что подтверждаются и в нашем случае: органопластик обладающий максимальной твердостью имеет и наилучший комплекс триботехнических характеристик. Выводы Таким образом в результате выполненных исследований можно заключить, что разработанные органопластики превосходят базовый полимер при оптимальном (10 - 15 масс. %) содержании волокна, базовый полимер по антифрикционным свойствам в 2 раза, а по износостойкости более чем на порядок. Литература 1. Волков Г.М. Композиционные материалы в массовом машиностроении / Г.М. Волков // Ме- талловедение и термическая обработка металлов. – 1990. – № 8. – С. 2 - 7. 2. Фомичев И.А Получение термостойких полимерных материалов в магнитном поле / И.А. Фо- мичев, А.И. Буря, М.Г. Губенков // Электронная обработка материалов. – 1978. – №4. – С. 26 - 27. 3. Пивень А.Н. Теплофизические свойства полимерных материалов. Справочник / Н.А. Гречная И.И. Чернобыльский / Издательское объединение «Вища школа», 1976. – 180 с. 4. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы / Ю.А. Михай- лин. – Издательство «НОТ». – 2008. – 822 с. 5. Машиностроительные материалы. Краткий справочник / В.М. Раскатов, B.C., Чуенков, Н.Ф. Бессонова, Д. А. Вейс. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: «Машиностроение», 1980. – 511 с. 6. Справочник по пластическим массам. Изд. 2-е. Т.ІІ. Под ред. В.М.Катаева, В.А.Попова, Б.И. Сажина. – М.: «Химия», 1975. – 568 с. 7. Черкасова Н.Г. Реактопласты, хаотически армованные химическими волокнами / Н.Г Черкасо- ва, А.И. Буря. – Днепропетровск: ІМА – прес, 2011. – 234 с. 8. Буря А.И. Трение и изнашивание органопластиков на основе полиамида-6 / А.И. Буря // Тре- ние и износ. - 1998. –№ 5, т.19. – С. 671 - 676. 9. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин / [И.В. Крагельский, Г.М. Харач, А.В. Блюмен и др.]. – М.: Издательство Стандартов, 1979. – 100 с. 10. Мышкин Н.К. Трибология. Принципы и приложения / Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. – Гомель: ИММС НАНБ, 2002. – 310 с. 11. Саундерс Дж.Х. Химия полиуретанов / Дж.Х. Саундерс, К.Ф. Фриш. – М.: «Химия», 1968. – 470 с. 12. Погосян А.К. Трение и износ наполненных полимерных материалов / А.К.Погосян – М.: «Наука», 1977. – 138 с. Поступила в редакцію 29.10.2016 Влияние содержания волокна оксалон на триботехнические характеристики органопластиков на основе фенилона С – 1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 16 Burya A.I., Tomina A.-M.V., Chernov V.A. Effect of fiber on oksalon tribological characteristics organic plas- tics based on phenylone С–1. An important role in terms of improving the reliability of mobile joints and machinery is the development of new anti-friction materials, especially organic plastics. Organic plastics different from the typical representatives composition ma- terials polymeric nature of the two components of the polymer - fiber and matrix. Organic plastics filled with fibers of flexible chain polymers, are materials in which the most advantageous proper- ties of these fibers are used (high dielectric and thermal properties, chemical resistance, tribological characteristics) The ef- fect of the content of the heat-resistant fiber oksalon on the tribological characteristics of organic plastics on the basis of aro- matic phenylone C-1. Tests have shown that with the increase of fiber content in organoplastics coefficient of friction and wear are dramatically reduced. It is found that the obtained composites to achieve reduced wear of 3.8 - 12.1 times the coeffi- cient of friction by 49 - 56%, respectively, and the track depth decrease abrasion surface compared to the starting polymer. Polymer composites based on phenylone are among the most promising polymer materials, which together with high levels of physical - mechanical and thermal properties have a high resistance to wear by friction in a pair with the steel. The filler used polyoxadiazole fiber oksalon. Selection of the filler was determined on the one hand, its strength and antifriction properties, and on the other - a chemical affinity to the polymer matrix. For polyoxadiazole fibers are used as monomers phthalic acid and hydrazine, and the solvent - sulfuric acid and oleum available and cheap mass production prod- ucts. Keywords: phenylone C-1, an organic fiber oksalon, coefficient of friction, wear hardness. References 1. Volkov G.M. Composite materials in mass engineering. Metallurgy and heat treatment of metals. 1990. №8. P. 2 – 7. 2. Fomichev I.А. Preparation of heat-resistant polymeric material in a magnetic field. I.А. Fomichev, A.I. Burya, М.G. Gybenkov. Electronic processing of materials. 1978. №4. P.26-27. 3. Piven А.N. Thermal properties of polymer materials. Directory. N.А. Grechanai, I.I. Chernobilskii. Publishing association «Vishai shcola», 1976. 180 p. 4. Mihailin Y.А. Structural polymer composite materials. Publishing «NОТ», 2008. 822 p. 5. Engineering materials. Short Guide. V.М. Raskatov, V.S. Chuenkov, N.F. Bessonova, D. А. Weiss. – 3-th. edit. revised and enlarged. М. «Machinostroenie», 1980. 511 p. 6. Guide to plastics. edit.. 2-nd. Т.ІІ. edited by. V.М. Kataeva, V.А. Popova, B.I. Sazhina. М. «Chimia», 1975. 568 p. 7. Cherkasova N.G. Thermosets, chaotically reinforced fibers. N.G Cherkasova, А.I. Burya. Dne- propetrovsk: ІМА – press, 2011. 234 p. 8. Burya А.I. Friction and wear organic plastics based on polyamide – 6. Friction and Wear. 1998. № 5, т.19. P. 671-676. 9. Methods of estimation of wear resistance of the friction surfaces of machine parts. [I.V. Kragelskii, G.М. Kharach, А.V. Blumen and oth.]. М. Standards publishing, 1979. 100 p. 10. Sounders Dg.Х. Polyurethane chemicals. Dg.Х. Sounders, К.F. Frisch. М.: « Chimia», 1968. 470 p. 11. Myshkin N.К. Tribology. Principles and Applications. N.К. Myshkin, М.I. Petrokovets. Gomel: IММS NАNB, 2002. 310 p. 12. Pogosyan А.К. Friction and Wear of Filled Polymer Materials. М.: «Nayka», 1977. 138 p.