Tribological evaluation of graphite-reinforced polysulfone

Толық мәтін

Введение

Полисульфон — это неусиленный, аморфный полимер, который обладают 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 такие исследования как: трибологические свойства полимерных нанокомпозитов на основе полисульфона [2], исследование трибологических свойств композиционных покрытий на основе полисульфона [3], антифрикционность и антифрикционные свойства термостойких термопластов [4]. Помимо этого, проводились обширное изучение 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 графитнаполненного полисульфона не производилось. Данная композиция могла бы быть востребованной в судостроении, а именно, в дейдвудных подшипниках [7, 8], в случае получения антифрикционных свойств после добавления графита.

Определение параметров процесса трения

Для оценки трибологических характеристик композита ПСФ 150+C был выбран базовый 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, за эталон принят полиамид 6-блочным «Капролон» ТУ 2224–004–47921026–2016.

Для испытаний были разработаны и изготовлены литьевые матрицы, по которым были изготовлены образцы для испытаний. Отливка деталей происходит при помощи литьевой машины (рис. 1)

 

Рис. 1. Схема литьевой машины.

Fig. 1. Injection machine diagram.

 

Для испытаний на износ была применена испытательная установка, представленная на рис. 2.

 

Рис. 2. Испытательная установка.

Fig. 2. Test bench.

 

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

По данной методике процесс испытаний происходит в течение времени Т, при заданных 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 рис. 3.

 

Рис. 3. Эскиз пары трения: h — глубина сегмента, L — длина хорды, r — радиус диска.

Fig. 3. Tribological situation layout: h, segment height; L, chord length; r, disk radius.

 

Линейный h_l и весовой h_m износ рассчитываются соответственно по формулам

$h_l=\frac{A}{L}=\frac{L^2}{12r}$, (1)

$h_m=AH\gamma =h_{l}LH\gamma$. (2)

При сравнительном тестировании материалов на износостойкость назначается износостойкость эталонного материала. Для этого рассчитывается интенсивность изнашивания I = h_l /S, а износостойкость ε является величиной, обратной интенсивности изнашивания:

$\epsilon =\frac{1}{I}=\frac{S}{h_l}$, (3)

где S = πD_nT — путь трения.

Относительная износостойкость материала ${\epsilon }^{\text{'}}$ рассчитывается по формуле

${\epsilon }^{\text{'}}=\epsilon /{\epsilon }^{\text{'}}$, (4)

где  ${\epsilon }^{\text{'}}$— 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 F, таким образом, удельное давление определяется как:

$P=\frac{F}{LH}$. (5)

Динамический коэффициент трения определялся по формуле:

$f_{\text{тр}}=\frac{M_{\text{тр}}}{r\times P}$, (6)

где M_тр — момент трения, Н·м; r — радиус образца, м; P — действующая нагрузка.

Момент трения, возникающий при истирании образцов, определяют 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

W = M_тр × ω , (7)

где W — угловая скорость, рад/с.

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

Тогда динамический коэффициент трения:

$f_{\text{тр}}=\frac{\Delta W\times r\times P}{\omega }$. (8)

Определение параметров эксперимента

Во время эксперимента необходимо определение фактической частоты вращения вала в паре трения, установившейся в процессе эксперимента. Для выполнения данной задачи используется эффект стробоскопа, при совпадении частоты включений лампы или частоты кадров видеокамеры с частотой вращения вала, метка нанесенная на вращающейся вал «застывает». Окно программы с фиксацией частоты вращения вала придавлен на рис. 4.

 

Рис. 4. Окно программы по определению частоты вращения вала.

Fig. 4. Window of the shaft rotation frequency test program.

 

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

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

Подготовка композита

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

Для улучшения процесса гармонизации композита в процессе плавки, гранулы перемалываются в пластины на жерновой мельнице до средних размеров частиц 0,5 мм х1,9мм х0,2мм, показанных на рис. 5.

 

Рис. 5. Размеры частиц перемолотых гранул.

Fig. 5. Particle sizes of ground granules.

 

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.

Данные испытаний представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Данные с испытаний

Table 1. Test data

Нагрузка на тело трения, Н	Частота вращения вала, Гц	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 150+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	–

 

Примеры замера лунок износа образцов приведены на рис. 6, 7.

 

Рис. 6. Износ ПСФ+10%С. При условиях трения: нагрузка 1,5 кг, 1,5 мин. Трения.

Fig. 6. Wear of PSF+10%C. Friction conditions: 1.5 kg load, 1.5 min friction.

 

Рис. 7. Износ капролона. При условиях трения: нагрузка 1,5 кг, 6,5 мин. Трения результаты испытаний представлены в виде сравнительных графиков (Рис. 8–11).

Fig. 7. Caprolon wear. Friction conditions: 1.5 kg load, 6.5 min friction. For test results, see comparative graphs (Fig. 8–11).

 

Рис. 8. Сравнение коэффициентов трения при нагрузке 14,9 Н.

Fig. 8. Friction coefficients comparison for a load of 14.9 N.

 

Рис. 9. Сравнение линейного износа при нагрузке 14,9 Н.

Fig. 9. Linear wear comparison for a load of 14.9 N.

 

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

Fig. 10. Friction coefficients comparison for a load of 29.4 N.

 

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

Fig. 11. Linear wear comparison for a load of 29.4 N.

 

Рис. 12. Линейный износ ПСФ+10%С.

Fig. 12. Linear wear of PSF+10%C.

 

На основании таблицы испытаний, определены трибологические характеристики материала (табл. 2, 3).

 

Таблица 2. Трибологические характеристики капролона по результатам испытаний

Table 2. Tribological test parameters of caprolon

Нагрузка на стенд, Н	Параметры	Время испытаний, мин
		0,5	1,5	6,5	16,5
14,7	hl	–	0,01	0,01	0,02
	S, путь трения, м	–	4,94	21,42	54,37
	P, МПа	–	1,40	1,38	1,15
	Fтр	–	0,07	0,09	0,08
29,4	hl	0,02	0,02	0,02	–
	S, путь трения, м	1,64	4,92	21,31	–
	P, МПа	2,33	2,31	2,18	–
	Fтр	0,25	0,40	0,45	–

 

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

Table 3. Tribological test parameters of PSF+10%C

Нагрузка на стенд, Н	Параметры	Время испытаний, мин
		0,5	1,5	6,5	16,5
14,7	hl	0,05	0,11	0,16	–
	S, путь трения, м	4,61	6,59	7,91	–
	P, МПа	2,10	1,47	1,23	–
	Fтр	0,10	0,12	0,13	–
29,4	hl	0,05	0,10	0,16	–
	S, путь трения, м	1,64	4,92	21,31	–
	P, МПа	4,20	3,09	2,45	–
	Fтр	0,55	0,46	0,32	–

 

Следы износа образцов

Результаты испытаний

Исходя из результатов экскремента можно сделать вывод, для капролона при нагрузке 14,9Н в начале процесса трения наблюдается увеличение динамического коэффициента трения, после притирки коэффициент трения незначительно уменьшается. Динамический коэффициент трения для образца ПСФ+10%С больше порядка двух раз чем у капролона. В отличии от капролона, у ПСФ+10%С коэффициент трения увеличивается на всем рассматриваемом участке. Линейный износ для ПСФ+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 значение линейного износа аналогичные, как и при опыте с нагрузкой 14,9 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 (максимальное значение, достигнутое при нагрузке 14,9Н.

Относительная износостойкость материала ПСФ+10%С относительно капролона, 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, а также коэффициенту относительной износостойкости.

По результатам эксперимента построена математическая модель линейного износа ПСФ+10%С.

h_l = 0.0426ln(S) + 0.0302. (8)

Заключение

Разработка современных антифрикционных материалов с высокими физико-механическими свойствами остается актуальной задачей, в том числе, отечественного судостроения.

В связи с этим в данной работе был рассмотрен композит на основе ПСФ 150 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 на трение с различной нагрузкой и продолжительностью воздействия. Также был испытан капролоновый образец сравнения.

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 подшипниках, однако полученная математическая модель износа может найти применения в других областях науки и техники.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Н.А. Поляков — поиск публикаций по теме статьи, проведение экспериментов, написание текста рукописи. С.Г. Чулкин — редактирование текста рукописи, экспертная оценка.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Additional info

Author contributions: N.A. Polyakov: investigation, writing—original draft; S.G. Chulkin: writing—review & editing.

Funding sources: The study was not supported by any external sources.

Disclosure of interests: The authors have no explicit or potential conflicts of interests associated with the publication of this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Авторлар туралы

Nikita Polyakov

Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: nik.polyackov2010@yandex.ru
SPIN-код: 9150-5890

postgraduate student

Ресей, Saint Petersburg

Sergey Chulkin

Saint Petersburg State Marine Technical University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: chulkin@smtu.ru
SPIN-код: 9201-5361

Dr. Sci. (Engineering), Professor

Ресей, Saint Petersburg

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар