В настоящее времянаиболее распространенными компонентами при создании материалов являютсястеклянные, полиамидные, асбестовые волокна, бумага (целлюлозные волокна),хлопок, сизаль, джут и другие натуральные волокна. Все большее место втехнологии производства композитов занимают такие материалы, как углеродные,графитовые, борные, стальные волокна и “усы” (очень короткие армирующиеволокна, обычно кристаллические). Выбор того или иного армирующего наполнителяопределяется ценой, составом и технологическими требованиями, предъявляемыми ксвойствам армированных пластиков[2,4].
Для изготовленияподшипников скольжения тяжелонагруженных и высокоскоростных узлов трениянаиболее используемыми являются сшивающие полимерные связующие –фенолформальдегидные, эпоксидные и другие смолы. Среди них особо интересныфенолформальдегидные смолы, имеющие развитую сырьевую базу, обладающие высокимиудельными физико-механическими характеристиками. На основе этого связующегосоздана группа композиционных материалов и покрытий антифрикционногоназначения, нашедших широкое применение в машиностроении[9].
В качествефункциональных добавок, улучшающих износостойкость и снижающих коэффициенттрения, в фенолформальдегидные смолы вводят графит, дисульфид молибдена,фторопласт-4, порошки металлов и оксидов, образующие на поверхностях тренияустойчивую пленку переноса. Эффективным методом повышения фрикционныххарактеристик для композиций такого типа является реализация термоактивационногоэффекта. Суть эффекта заключается в образовании в зоне трения многокомпонентнойпленки, состоящей из сухой смазки и металлополимера, который генерируетсянепосредственно в процессе трения, благодаря разложению под действием локальныхтемператур введенной в состав композиции металлосодержащей соли. Расширениянагрузочно-скоростного диапазона реализации термоактивационного эффекта удаетсядостичь при использовании специальных методов обработки рабочей поверхностиметаллического вала. Так, фосфатирование вала из стали 45 в течение 3-15 минпозволяет снизить нагрузочно-скоростные режимы трения, обуславливающиеобразование металлополимерной антифрикционной пленки, при одновременномснижении коэффициента трения. Образование фосфатного слоя на поверхности валаспособствует закреплению частиц смазочных компонентов, содержащихся в материалеподшипника, увеличивает время нахождения их в зоне трения и тем самымобеспечивает стабильную работу узла трения.
Все большеераспространение в машиностроении получают композиционные материалы на базесшивающихся связующих холодного отверждения. Преимущества таких материалов:высокая технологичность изготовления и переработки, возможность использования вполевых и ремонтных условиях способствует их широкому применению. Среди такихкомпозитов в настоящее время наиболее известны материалы на основе эпоксидныхсмол и их различных модификаций.
В последние годывнимание привлекают ненасыщенные полиэфирные смолы. Данные связующие имеютболее низкую стоимость по сравнению с эпоксидными, высокие эксплуатационныепоказатели. Существенным недостатками полиэфирных смол являются низкая ударнаявязкость, высокие усадка и коэффициент трения. Традиционные сухие смазки необеспечивают значительного улучшения фрикционных характеристик полиэфирныхсмол. Наибольший эффект снижения коэффициента трения достигнут при введениикомпонентов, формирующих в зоне трения разделительные слои, например,легкоплавких полиолефинов. Под действием температур в зоне фрикционногоконтакта на поверхности полимерного подшипника формируется пленка расплаваполиолефина, которая снижает адгезионное взаимодействие полиэфирного связующегос металлической поверхностью.
Одним из главныхдостоинств полиэфирных связующих по сравнению с материалами аналогичного классаявляется возможность регулирования времени нахождения в частично сшитом(резиноподобном) состоянии. Композиционный материал, находящийся врезиноподобном состоянии, может быть легко трансформирован в изделия сложнойконфигурации без использования сложной технологической оснастки. Достаточнаядлительность резиноподобного состояния – от десятков минут до нескольких часов– позволяет формировать крупногабаритные изделия с большой массой. Используяэтот эффект, можно формировать многослойные изделия, каждый слой которыхобладает специфическими свойствами. Особый интерес это качество разработанныхкомпозиций приобретает при изготовлении крупногабаритных подшипниковскольжения.
Разработанытехнологическая оснастка и технологический регламент, позволяющие применятькомпозиционные материалы на основе ненасыщенных полиэфирных смол при ремонте ивосстановлении техники в полевых условиях.
Для узлов тренияс повышенными требованиями по надежности и долговечности разработан материалХтиболон. Композиция включает термореактивное связующее (эпоксидное,фенолформальдегидное, фурановое или их смеси) и армирующий наполнитель в видеоднонаправленных или хаотически расположенных углеродных волокон или углеродныхтканей. Дополнительно в состав введены твердые смазки, порошки полимеров,металлов, базальтовые, стеклянные, металлические волокна или ткани[3,8].
При разработкесостава сшивающегося связующего на основе полиэфирных смол необходимо исходитьиз следующих критериев:
1. Связующее должно иметь высокую жизнеспособность при введеннойотверждающей системе;
2. Связующее должно обладать оптимальной вязкостью для обеспеченияхорошего заполнения литьевой формы.
3. Реакционная способность смолы не должна превышать оптимальногозначения, с целью минимизации температуры саморазогрева в процессе отверждения.
Для управлениятехнологическими характеристиками связующего на основе полиэфирных смолиспользуют различные приемы. В состав связующего вводят добавки, позволяющиеизменять вязкость системы в зависимости от механического воздействия. Вкачестве таких добавок применяют оксид кремния, бентонит, замещенные мочевины,сополимеры винилхлорида, винилацетата и т.п.
Кроме такихдобавок в состав связующего вводят загущающие добавки-оксиды, гидроксиды и солидвухвалентных металлов. Процесс загущения имеет три стадии: стадию низкогозагущающего эффекта, стадию резкого возрастания вязкости и стадию стабильнойвязкости.
По скоростинарастания вязкости при загущении можно выделить ряд: MgO>Ca(OH)>CaO>Mg(OH), а по предельной вязкости ряд:MgO>CaO>Ca(OH)>Mg(OH).Положение загустителей в ряду определяется маркой смолы.
На процессхимического загущения сшивающегося на основе полиэфирных смол оказываетсущественное влияние ряд факторов: количество загущающей добавки, дисперсность,присутствие активаторов, ингибиторов или регуляторов структурирования, строенияненасыщенного полиэфира, содержание карбоксильных групп, равномерностьраспределения добавки в объеме.
Одним из основныхкритериев выбора связующего является его жизнеспособность, т.е.продолжительность пребывания смолы в вязкотекучем состоянии после введенияинициирующей системы. Момент перехода композиций в текучее (желеобразное)состояние называется желатинизацией или гелеобразованием. Периодс момента введения инициирующей системы до гелеобразования называется временемгелеобразования.
Времягелеобразования зависит от природы и концентрации компонентов отверждающейсистемы, объема (массы) приготовленного связующего, природы и концентрацииингибиторов, природы и количества наполнителя, воздействия тепловых иэлектрических полей, излучений, вибраций и т.п. После гелеобразованияначинается стадия структурирования, в течение которой композиция имеет частичносшитую структуру, обеспечивающую высокую деформативность. Такое состояниекомпозиции называют резиноподобным, а время его достижения – временемрезиноподобного состояния.
Управляяпараметрами желатинезации и резиноподобного состояния, удается регулироватьтехнологические и прочностные характеристики композиций.
Скорость сшивкисмолы зависит от оптимального состава перекиси, ее количества и температуры.
Для отверждениясмолы используют 0,5-3% инициатора или смеси инициаторов.
Наибольшееприменение в практике получили инициирующие системы отверждения, содержащиеперекисный инициатор и ускоритель, в качестве которого используют стирольныерастворы нафтената кобальта, растворы диметиланилина в стироле и т.п.
Длядвухкомпонентных отверждающих систем существует область температур переработки,при которых возможно достижение оптимальных характеристик сшитых связующих.Например, для системы перекись бензола + диметиланилин она составляет 15-30 с,для системы перекись метилэтилкетона + нафтенат кобальта – 20-40 с,гидроперекись трет-бутила + нафтенат кобальта – 60-70 с.
Повышениесодержания ионов металла (кобальта) в нафтенате приводит к увеличению егоактивности.
В составотверждающей системы и композиции вводят соускорители, которые обеспечиваютвысокую скорость отверждения даже при отрицательных температурах.
Увеличениескорости отверждения можно достичь при введении в состав связующего солейаммония органических кислот, ацетилацетонов металлов V,Al, Mo, Mn,Fe, Cr, галогенных солей меди ит.п.
При переработкесшивающихся смол необходимо регулировать скорость отверждения, снижая ее как настадии гелеобразования с целью повышения технологической жизнеспособности, таки на стадии резиноподобного состояния с целью снижения экзотермического эффектаотверждения. Поэтому в состав отверждающей системы вводят замедлителиотверждения. В качестве ингибиторов используют воду, спирты и т.п.