В статье рассмотрены полимеры, которые наиболее часто используются в машиностроении в качестве основы антифрикционных композиционных материалов. Полимерная матрица для узлов трения может быть изготовлена из различных материалов. Все зависит от требований, которые предъявляют к ним, и условий эксплуатации.

В настоящее время весьма жестко и придирчиво выбираются материалы для изготовления изделий, работающих в условиях трения. Для того чтобы максимально удовлетворить эксплуатационные требования используют в основном полимерные композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы, модифицирующих добавок и упрочняющих наполнителей.
Следует сказать, что одному и тому же полимеру, используемому в качестве матрицы, в зависимости от добавок, составляющих окончательную композицию, можно придавать как фрикционные, так и антификционные свойства.

Пластмассы обладают комбинациями физико-механических свойств, которые часто наиболее полно отвечают эксплуатационным условиям узлов и деталей машин. К числу таких свойств относятся:
• Малый удельный вес при достаточной прочности. Известно, что пластмассы в 2–3 раза легче алюминия и в 5–8 раз легче стали. Это свойство особенно ценно для создания конструкций летательных аппаратов, транспортных систем, машин и аппаратов специального назначения. Машины становятся значительно легче, уменьшается «мертвый» вес конструкции и возрастает полезная нагрузка.
• Способность воспринимать и выдерживать нагрузки — механические, термические и электроэнергетические — определяется физико-механическими свойствами материала. У некоторых видов пластмасс удельная прочность, то есть нагрузка, воспринимаемая на единицу площади, значительно превышает удельную прочность металлов. Например, некоторые пластики, армированные волокнами, по прочностным свойствам превосходят прочность углеродистой стали в два раза. Кроме того, эти пластики удовлетворительно работают на сжатие и изгиб, тогда как углеродистая сталь таких нагрузок не выдерживает.
• Вибростойкость. Пластмассы — прекрасные амортизаторы вибраций. Они поглощают колебания в 20 раз лучше, чем алюминий, и в 100 раз лучше, чем сталь. Детали, изготовленные из пластмасс, хорошо работают при больших динамических и ударных нагрузках.
• Способность поглощать шумы и звуконепроницаемость — особенно ценные свойства пластмасс как конструкционных материалов. Детали из пластмасс в машинах не только не создают дополнительных шумов, но и сами в какой-то мере поглощают их. Например, при замене металлических быстроходных шестерен на пластмассовые в редукторах почти полностью устраняются шумы.
• Антифрикционные пластмассы обладают низким коэффициентом трения, мало изнашиваются, хорошо выдерживают температуры, возникающие в процессе трения. Кроме того, они способны работать без смазки.

Полиамидные материалы
Наиболее распространенными термопластичными антифрикционными материалами являются полиамиды, как алифатические, так и ароматические. Алифатические полиамиды обладают низким коэффициентом трения (коэффициент трения полиамидов по стали без смазки 0,1–0,2, со смазкой маслом — в пределах 0,05–0,10), достаточно износостойкие, способны работать в интервале температур от –40 до +80°С. К недостаткам полиамидов можно отнести невысокую теплопроводность, низкую несущую способность. Полиамиды не обладают стойкостью по отношению к маслу и влаге.
Для улучшения физико-механических характеристик полиамиды армируют волокнистыми материалами (например, стекловолокном, углеродным волокном и т. д.), для улучшения антифрикционных свойств в полимер вводят твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, и т. д.). Они могут применяться как в чистом виде, так и модифицированные добавками и наполнителями.
Ароматические полиамиды относятся к термореактивным материалам. Их применяют для изготовления узлов трения, как в чистом виде, так и с наполнителями: фторопластом, дисульфидом молибдена, графитом и другими смазками. Благодаря высокой механической прочности армировать ароматические полиамиды не нужно, поэтому в них вводят лишь добавки, снижающие коэффициент трения и износ. Детали из этих материалов не только прочные, но и термостойкие. Типичным представителем ароматических полиамидов является фенилон. Детали из фенилона эксплуатируются при температурах от –50 до +200°С. Этот материал химически стоек, может работать в агрессивных средах.

Полиолефины
Другими распространенными материалами для узлов трения являются полиолефины — полиэтилен и полипропилен. Они используются как в чистом виде, так и в композициях с различными наполнителями. Полиолефины в чистом виде обладают хорошими эксплуатационными свойствами в пределах температурных нагрузок до +60°С. Свыше этой температуры из-за невысокой теплопроводности они в нагруженном режиме работать не могут. Это ограничивает область их применения в качестве антифрикционных материалов. Для повышения работоспособности будущих изделий в полимер вводят армирующие наполнители, повышающие его прочность, а также добавки, снижающие коэффициент трения, износ и температуру в зоне трения. При этом коэффициент трения у модифицированных полиолефинов может быть ниже 0,1. Компоненты, добавляемые к такой композиции, стандартны, однако существенно повысить температурную работоспособность материала крайне трудно (максимум на 20%), а подчас невозможно. Поэтому полиолефины применяют в слабонагруженных узлах, работающих в относительно мягких условиях эксплуатации.

Узлы трения из поликарбоната
Поликарбонат используется не только для производства листов и тары, но и для изготовления антифрикционных изделий. Он идеально подходит для работы в условиях низких и сверхнизких температур, вплоть до криогенных. Изделия из поликарбоната эксплуатируются в среде жидкого азота, водорода и гелия при температурах до –253°С. Поликарбонат, как известно, обладает высокой ударной прочностью и стабильностью размеров деталей, малой ползучестью. Эти свойства являются одними из определяющих для его применения в узлах трения, работающих при ударных нагрузках. Однако следует заметить, что поликарбонат плохо сопротивляется циклическим воздействиям нагрузки и имеет низкую усталостную прочность. Материал устойчив к ультрафиолетовому излучению и резким перепадам температур, но не стабилен по отношению к действию ионизирующего излучения. Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в поликарбонат вводят специальные наполнители и твердые смазки. Введение дисульфида молибдена (Эстеран-29, Эстеран-51), графита (ДАК-УП5Д) или 15–20% фторопласта (ДАК-8) снижает коэффициент трения в 2–3 раза, наполнение поликарбоната стекловолокном и фторопластом (Дифлон) придает изделиям из такой композиции высокие физико-механические и диэлектрические свойства.

Термопластичные материалы на основе полиарилатов
Полиарилаты также относятся к антифрикционным термопластам. Они способны стабильно работать при высоких температурах — 160–180°С, а кратковременную работу выдерживают при 230°С. Такие диапазоны для термопластов весьма высоки. Наряду с теплостойкостью полиарилат обладает высокой сопротивляемостью ионизирующим излучениям, хорошими диэлектрическими свойствами, химической и морозостойкостью (может эксплуатироваться при температуре до –100°С). В чистом виде полиарилаты имеют нестабильные триботехнические характеристики, для их стабилизации в материал вводят такие добавки как фосфор, дисульфид молибдена, медь. Это приводит к уменьшению коэффициента трения (у чистых полиарилатов коэффициент трения высокий, примерно 0,4) и снижению износа.

Пентапласт
Этот полимер гораздо реже используется в качестве антифрикционного материала для узлов трения. Он химически стоек и применяется для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах. Из пентапласта можно получать различного рода уплотнители, так как он обладает небольшой усадкой. Работоспособность материала стабильно сохраняется в интервалах температур 120–130°С. По этому показателю пентапласт превосходит полиолефины. Его используют как в чистом виде, так и в комбинации с наполнителями: стекловолокном, слюдой, окисью хрома, графитом. Коэффициент трения чистого материала составляет 0,12.

Полимерный материал, стоящий отдельно от термопластов и реактопластов
Фторопласт имеет самый низкий коэффициент трения (коэффициент трения фторопласта-4 составляет 0,03–0,05). Он обладает высокой химической стойкостью, способен работать в диапазоне температур от –250°С до 300°С. Несмотря на это, фторопласт в чистом виде применяют весьма ограниченно. Это объясняется его низкой прочностью и небольшой твердостью, что в свою очередь приводит при трении к деформированию его поверхностных слоев. В результате деталь изнашивается достаточно быстро.

Фенолоформальдегдные смолы
Как правило, такую полимерную матрицу упрочняют волокнистыми наполнителями, а также вводят внутренние смазки. Изделия на основе фенолоформальдегидов обладают химической стойкостью, высокой жесткостью, стабильностью размеров, высокой износостойкостью. Как и большинство реактопластов, изделия на основе этих смол способны стабильно эксплуатироваться при температурах до 180°С. Смолы в чистом виде практически не используются. Из них готовят композиты, состоящие из армирующих наполнителей и внутренних смазок. Содержание добавок в композите может составлять до 70%.

На основе вышеизложенного можно сказать, что полимерная матрица для узлов трения может быть изготовлена из различных материалов. Все зависит от требований, которые предъявляют к ним, и условий эксплуатации.

Автор: Артем Третьяков
Источник: Полимеры-Деньги