EVALUATION OF TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF GRAPHITE-FILLED POLYSULFONE

Full Text

Введение:

Полисульфон – это неусиленный, аморфный полимер, который обладает стойкостью к воздействию высоких температур, гидролизу, химическому воздействию и пару. Полисульфоны устойчивы к радиационным воздействиям. Высока устойчивость полисульфонов к образованию трещин при высоких напряжениях вплоть до 150 °С. Предел текучести у них на 20 – 30% больше, чем у поликарбонатов и полиамидов.   Для полисульфонов характерно постоянство диэлектрических свойств в широком диапазоне температур и частот. [1].

Ранее проводились исследования трибологических свойств полимерных нанокомпозитов на основе полисульфона [2], исследование трибологических свойств композиционных покрытий на основе полисульфона [3], антифрикционные свойства термостойких термопластов [4]. Помимо этого, проводились обширные исследования полисульфона с графитовым наполнением: влияние модификации функционализированными углеродными нанотрубками на свойства полисульфона [5], механические и проводящие свойства графитонаполненных композитов на основе полисульфона [6]. Однако исследований износостойкости графитонаполненного полисульфона не производилось. Данная композиция могла бы быть востребованной в судостроении, а именно, в дейдвудных подшипниках [7, 8], в случае получения улучшенных антифрикционных свойств после добавления графита.

Цель работы: Определение применимости графитонаполненного полисульфона (ПСФ150) в дейдвудных подшипниках судов.

 

Определение параметров процесса трения:

Для оценки трибологических характеристик композита ПСФ+10%С был выбран в качестве базового материал ПСФ150 ТУ 6-06-6-88 с модификатором трения в виде графитового порошка ГИИ-А ТУ 1916-109-71-2009. Для определения относительного коэффициента износа в качестве эталона принят полиамид 6-блочный «Капролон» ТУ 2224–004–47921026–2016.

Для получения образцов композита были разработаны и изготовлены литьевые матрицы. Отливка деталей происходит при помощи литьевой машины (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема литьевой машины

 

Для проведения испытаний на износ была применена машина трения, представленная на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Испытательная установка

 

Оценка износостойкости материалов производилась с учетом снижения удельного давления на плоский образец по методике Л. В. Ефремова, А. В. Тикалова [9, 10].

По данной методике процесс испытаний происходит в течение времени t, при заданной частоте вращения n и нагрузке F, диск диаметром D врезается в брусок шириной H, образуя износ в виде сегмента площадью A. Длина хорды образованного сегмента измеряется под микроскопом.

Эскиз пары трения «диск—брусок», где диск 1 вырезает сегмент в бруске 2 показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Эскиз пары трения

h — глубина сегмента, L — длина хорды, r — радиус диска

 

Линейный и весовой  износ рассчитываются соответственно по формулам:

(1)

где L– длина хорды поверхности износа, мм;

– радиус диска, мм.

 

(2)

где  – линейный износ, мм;

 – длина хорды поверхности износа, мм;

 – ширина поверхности трения, мм;

 – удельный вес материала исследуемого образца, г/мм³.

 

Для сравнительного тестирования материалов на износостойкость была определена износостойкость эталонного материала:

(3)

где  – путь трения, м;

 – линейный износ, мм;

 – диаметр вала в паре трения, м;

 –частота вращения вала, Гц;

 – время трения, с.

 

Относительная износостойкость материала  рассчитывается по формуле:

(4)

где -износостойкость эталонного образца.

В настоящей работе при решении задачи определения износостойкости материалов удельное давление является вспомогательным показателем и в методике не учитывается. Основной динамический показатель — нагрузка , таким образом, удельное давление определяется как:

(5)

где  – сила прижатия вала к образцу трения, Н;

 – длина хорды поверхности износа, мм;

 – ширина поверхности трения, мм;

 

Динамический коэффициент трения определялся по формуле:

(6)

где – момент трения, Н×м;

  r – радиус образца, мм;

 F – действующая нагрузка, Н;

 

Момент трения, возникающий при истирании образцов, определялся при помощи измерительного комплекта, который предназначен для измерений силы тока, напряжения и мощности в однофазных и трехфазных трехпроводных и четырехпроводных цепях переменного тока при равномерной и неравномерной нагрузках фаз.

Между мощностью и моментом существует зависимость:

, Ватт

(7)

где – момент трения, Н×м;

w – угловая скорость, рад/с;

 

В процессе эксперимента, когда вал машины трения входит в контакт с образцом, под воздействием сил трения повышается потребляемая мощность электродвигателя. Разница в потребляемой мощности машиной трения при устоявшемся «холостом» режиме и при работе с преодолением сил трения будет мощностью, потраченной на момент трения.

Тогда динамический коэффициент трения:

(8)

где -изменения потребляемой мощности машиной трения относительно работы без нагрузки, Ватт;

r – радиус образца, мм;

F – действующая нагрузка, Н;

w – угловая скорость, рад/с.

 

 

 

Определение параметров эксперимента

Для определения фактической частоты вращения вала в паре трения использовался эффект стробоскопа, при совпадении частоты кадров видеокамеры с частотой вращения вала, метка, нанесенная на вращающейся вал «застывает». Окно программы с фиксацией частоты вращения вала представлено на рисунке 4.

Рисунок 4. Окно программы по определению частоты вращения вала

 

Регистрация потребляемой мощности оборудования для определения момента трения производится при помощи измерительного прибора, установленного в электрическую сеть перед потребителем.

Измерение износа образцов проводится при помощи цифрового микроскопа с увеличением 500х и метода искусственных баз.

 

Подготовка композита

Композит подготавливается из гранул полисульфона марки ПСФ150 ТУ 6-06-6-88.

Для улучшения однородности композита в процессе плавки, гранулы перемалываются в пластины на жерновой мельнице до средних размеров частиц 0,5 мм х 1,9 мм х 0,2 мм, показанных на рисунке 5.

 

 

Рисунок 5. Размеры частиц перемолотых гранул ПСФ150

 

Для исследования композита был выбран следующий состав ПСФ+10%С для отработки методики. Перемешивание пластин ПСФ с графитом производилось вручную поочередно в нескольких емкостях.

 

Испытания

Процесс трения осуществлялся при помощи стального вала ø 3 мм.

Мощность, потребляемая машиной трения на холостом ходу W=22,2 Вт.

Экспериментальные данные однократных испытаний представлены в таблице 1.

Примеры замера лунок износа образцов приведены на рисунках 6-7.

 

Таблица 1 Экспериментальные данные

Нагрузка на тело трения, Н	Частота вращения вала, Гц	Параметры	Время испытаний, мин
			0,5	1,5	6,5	16,5
Капролон
14,7	5,83	L, мм	-	0,7	0,71	0,85
		W, Ватт	23	22,8	23	23
29,4	5,8	L, мм	0,84	0,85	0,9	-
		W, Ватт	23,5	24,3	24,7	-
ПСФ+10%С
14,7	5,83	L, мм	1,4	2	2,4	-
		W, Ватт	22,8	23,2	23,5	-
29,4	5,8	L, мм	1,4	1,9	2,4	-
		W, Ватт	23,8	24	23,8	-

 

На основании экспериментальных данных, определены трибологические характеристики материала (табл. 2, 3).

 

Таблица 2 Трибологические характеристики капролона по результатам испытаний

Нагрузка на стенд, Н	Параметры	Время испытаний, мин
		0,5	1,5	6,5	16,5
14,7	, мм	-	0,01	0,01	0,02
	, г		0,0002	0,0002	0,003
	, путь трения, м	-	4,94	21,42	54,37
	, МПа	-	1,40	1,38	1,15
		-	0,07	0,09	0,08
29,4	, мм	0,02	0,02	0,02	-
	, г	0,0003	0,0003	0,003	-
	, путь трения, м	1,64	4,92	21,31	-
	, МПа	2,33	2,31	2,18	-
		0,25	0,40	0,45	-

 

Таблица 3 Трибологические характеристики ПСФ+10%С по результатам испытаний

Нагрузка на стенд, Н	Параметры	Время испытаний, мин
		0,5	1,5	6,5	16,5
14,7	, мм	0,05	0,11	0,16	-
	, г	0,0014	0,041	0,0071
	, путь трения, м	4,61	6,59	7,91	-
	, МПа	2,10	1,47	1,23	-
	fтр	0,10	0,12	0,13	-
29,4	, мм	0,05	0,10	0,16	-
	, г	0,0014	0,0035	0,0071
	, путь трения, м	1,64	4,92	21,31	-
	, МПа	4,20	3,09	2,45	-
	fтр	0,55	0,46	0,32	-

 

Следы износа образцов представлены на рисунках 6 и 7.

 

 

Рисунок 6. Износ композита ПСФ+10%С. При нагрузке 14,7 Н и продолжительности трения 1,5 мин

 

 

Рисунок 7. Износ капролона. При нагрузке 14,7 Н и продолжительности трения 6,5 мин

 

Результаты испытаний представлены в виде сравнительных графиков (рис.8-11).

 

Рисунок 8. Сравнение коэффициентов трения при нагрузке 14,7 Н

 

Рисунок 9. Сравнение линейного износа при нагрузке 14,7 Н

 

 

Рисунок 10. Сравнение коэффициентов трения при нагрузке 29,4 Н

 

 

Рисунок 11. Сравнение линейного износа при нагрузке 29,4 Н

 

 

Результат испытаний

Исходя из результатов эксперимента можно сделать вывод, что для капролона при нагрузке 14,7 Н в начале процесса трения наблюдается увеличение динамического коэффициента трения, после притирки коэффициент трения незначительно уменьшается. Динамический коэффициент трения для образца ПСФ+10%С больше, чем у капролона. В отличие от капролона, у ПСФ+10%С коэффициент трения увеличивается на всем рассматриваемом пути трения. Линейный износ для ПСФ+10%С на порядок больше, чем у капролона.

При нагрузке 29,4 Н для ПСФ+10%С наблюдается значительное уменьшение динамического коэффициента трения в процессе износа, причем значения линейного износа аналогичны тем, что были получены при опыте с нагрузкой 14,7 Н. Вероятно материал обладает достаточной твердостью для сопротивления трению под разной нагрузкой, но является хрупким, в связи с чем процесс износа зависит в большей степени от пути трения нежели удельного давления.

Капролон в данном эксперименте сохраняет постоянным значение линейного износа, достигнутое при нагрузке 14,7 Н.

Относительная износостойкость материала ПСФ+10%С в сравнении с капролоном, определяемая по формуле 3,4, лежит в диапазоне 0,08-0,33.

Таким образом, полученный материал ПСФ+10%С уступает капролону по износу и коэффициенту трения.

По результатам эксперимента определена математическая зависимость линейного износа ПСФ+10%С от пути трения:

 

, мм где  – путь трения, м;

(8)

 

Рисунок 12. Линейный износ ПСФ + 10%С

 

 

Заключение:

Разработка современных антифрикционных материалов с высокими физико-механическими свойствами остается актуальной задачей для отечественного судостроения.

В связи с этим в данной работе был рассмотрен композит на основе ПСФ с добавлением графита как альтернативный антифрикционный материал.

Для определения механических свойств полученного материала было подготовлено оборудование и изготовлена специальная оснастка. Образец материала был подвергнут испытаниям трением с различной нагрузкой и продолжительностью воздействия. Также был испытан образец сравнения, изготовленный из капролона.

На основании полученных данных, можно сказать, что полученный материал ПСФ+10%С уступает капролону по износу и коэффициенту трения, а также коэффициенту относительной износостойкости. Исследуемый состав композита не может быть рекомендован для применения в дейдвудных устройствах, однако композит ввиду относительно меньшей стоимости по сравнению с капролоном, а также полученная математическая зависимость износа может найти применение в других областях науки и техники.

 

About the authors

Nikita Polyakov

St. Petersburg State Maritime Technical University

Author for correspondence.
Email: nik.polyackov2010@yandex.ru

Аспирант

Russian Federation, (190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Sergey Chulkin

St. Petersburg State Maritime Technical University

Email: sergej.chulkin@yandex.ru
SPIN-code: 9201-5361

профессор

Russian Federation, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

References

Supplementary files