Износостойкость бисмалеимидно-алюминиевых пар трения, наполненных тальком

Аннотация: На дисковой испытательной машине для измерения трения и износа исследована скользящая фрикционная и износная характеристика композитов на основе двойного малеинового ангидрида имида, наполненных различными количествами и размерами частиц стеатита, в контакте с твёрдым алюминием. С помощью сканирующей электронной микроскопии был изучен механизм регулирования стеатитом фрикционных свойств двойного малеинового ангидрида имида. Результаты показывают, что с увеличением содержания стеатита и уменьшением размера его частиц износостойкость композитов на основе двойного малеинового ангидрида имида и алюминиевых колец повышается, а коэффициент скользящего трения снижается; улучшение износостойкости пары трения за счёт стеатита объясняется тем, что он способствует образованию прочной переносной плёнки из двойного малеинового ангидрида имида на поверхности алюминиевого кольца. Введение: Фрикционные и износные характеристики модифицированных полимерных композитов, наполненных неорганическими наполнителями, всегда являлись актуальной темой в исследованиях трибологии композитов. Однако большинство работ посвящено термопластичным полимерам, тогда как исследований термореактивных полимеров относительно мало. Также предложен механизм воздействия наполнителей на трение и износ полимеров. Смола двойного малеинового ангидрида имида (далее — BMI) — это новый тип термореактивной смолы, которая не только обладает превосходной термостойкостью и влагостойкостью, но и может быть переработана с использованием аналогичных формовочных процессов, как эпоксидные смолы. Она имеет такие преимущества, как низкая стоимость, высокий модуль упругости, подходящая твёрдость и хорошие адгезионные свойства. Впервые она была применена в авиационной промышленности и в последние годы всё чаще используется в гражданской отрасли в качестве высокотемпературного инженерного пластика, поскольку её термостойкость превосходит термостойкость фенольных смол, что делает её потенциальным связующим для органических фрикционных материалов. Однако эксперименты показали, что BMI характеризуется высоким коэффициентом сухого трения и подвержена сильному адгезионному износу при взаимодействии с противоположными материалами, что обусловило выбор порошка стеатита в качестве модификатора трения. Стеатит — это недорогой и широко доступный природный минеральный наполнитель с иглообразной кристаллической структурой, который также обеспечивает армирование короткими волокнами. Его добавление в некоторые полимеры позволяет не только повысить их износостойкость, но и улучшить фрикционные свойства; вместе с тем сообщений о его трибологических характеристиках при добавлении в BMI пока недостаточно. В данной работе исследовано влияние различных количеств и размеров частиц стеатита на скользящие фрикционные и износные характеристики BMI в контакте с твёрдым алюминием, а также рассмотрены возможности и механизм регулирования трибологических характеристик BMI стеатитом. 2 Экспериментальная часть 2.1 Подготовка образцов Материалы: Порошки стеатита с размерами частиц 12–15 мкм, 8–10 мкм и 1–5 мкм, соответственно обозначенные как 1#, 2# и 3#. Основными компонентами являются SiO2 и CaO; твёрдость по шкале Мооса — 4,5; предоставлены факультетом материаловедения Харбинского технологического института; двойной малеиновый ангидрид имид HF-9401 (далее — BMI) разработан кафедрой химии Харбинского технологического института; твёрдость по шкале Роквелла HRM — 122. Подготовка образцов: Порошки стеатита очищают и сушат с использованием смеси ацетона и спирта, получая порошки с массовыми долями стеатита 30%, 50% и 70%; затем их прессуют в кольцеобразные образцы бинарной системы BMI с наружным диаметром 32 мм, внутренним диаметром 22 мм и толщиной 7 мм. Верхнюю и нижнюю торцевые поверхности полируют водяной наждачной бумагой № 800 (размер частиц примерно 23,5 мкм), многократно промывают этанолом и высушивают, получая образцы для испытаний на трение. 2.2 Метод испытаний Испытания на скользящее трение проводятся на дисковой испытательной машине MPX-200 для измерения трения и износа в режиме «кольцо на кольце». Противоположное кольцо изготовлено из твёрдого алюминиевого сплава LY12; его размеры: наружный диаметр — 34 мм, внутренний диаметр — 20 мм, толщина — 7 мм. Обе торцевые поверхности полируют водяной наждачной бумагой № 800, очищают и высушивают. Нормальное давление устанавливается на уровне 60 Н, частота вращения шпинделя — 370 об/мин, продолжительность трения — 30 мин. Износ образцов определяют по разнице массы до и после износа с точностью до 0,0001 г; скорость износа выражается в г/Н·м. Испытания проводятся в условиях сухого трения при комнатной температуре. 3 Результаты и обсуждение Коэффициент трения композитов BMI, наполненных стеатитом, изменяется в зависимости от его количества. Как видно, при добавлении порошка стеатита в BMI коэффициент трения постепенно снижается по мере увеличения его содержания. Кроме того, установлено, что порошки стеатита разных размеров оказывают различное влияние на снижение трения: чем больше размер частиц, тем меньше снижение коэффициента трения. Стеатит — это неорганический наполнитель, способный понижать коэффициент трения BMI, что представляет собой интересное явление, заслуживающее дальнейшего изучения. Согласно принципам трибологии, трение между скользящими парами возникает вследствие молекулярных и механических взаимодействий на поверхностях трения. Когда чистый BMI находится в контакте с алюминиевым кольцом, основную роль играет молекулярная адгезия между микровыступами на контактной поверхности, тогда как механическое воздействие относительно слабо. При введении стеатита в BMI уменьшается площадь адгезии между чистым BMI и алюминиевым кольцом, что приводит к снижению адгезионного трения. Кроме того, благодаря малому размеру частиц и меньшей твёрдости порошка стеатита, особенно если стеатитовый порошок во время трения изнашивается, он может выступать в роли качающейся опоры, в результате чего механическое воздействие между композитом BMI и алюминиевым кольцом существенно не возрастает. Таким образом, коэффициент трения композитов BMI, наполненных стеатитом, снижается по мере увеличения количества используемого стеатита. На рис. 2 показана зависимость скорости износа композитов BMI и алюминиевых колец от количества порошка стеатита. Как видно, добавление порошка стеатита в BMI значительно снижает износ BMI и испытательного алюминиевого кольца; при увеличении количества стеатитового порошка и уменьшении его размера эффект снижения износа усиливается. Износостойкость порошка стеатита в основном обусловлена его структурой коротких волокнистых неорганических наполнителей с соотношением длины к диаметру от 5:1 до 15:1; основными компонентами являются CaO и SiO2. Как уже отмечалось, трение между чистым BMI и алюминиевым кольцом происходит за счёт образования адгезионной переносной плёнки, однако эта плёнка недостаточно прочна. После добавления порошка стеатита прочность на растяжение композита BMI возрастает, а мелкий и твёрдый стеатитовый порошок оказывает полирующее действие, в результате чего оксидная плёнка на поверхности алюминиевого кольца отслаивается, обнажая свежие участки. Исследования показали, что CaO и SiO2 могут способствовать образованию прочной переносной плёнки полимера на металлической поверхности, что дополнительно повышает её износостойкость. Этот вывод подтверждается морфологией поверхностей износа композитов BMI и алюминиевых колец, полученными с помощью СЭМ и представленными на рис. 3. На рис. 3а видно, что поверхность алюминиевого кольца покрыта коричневой переносной плёнкой и очень тонкими полировочными полосками, тогда как на рис. 3б фрикционная поверхность композита BMI покрыта адгезионной плёнкой и относительно гладкая. Кроме того, иглообразная кристаллическая структура стеатита и его армирование короткими волокнами могут улучшить ударную вязкость матрицы BMI, повысить её вязкость при расплавлении и стабилизировать размеры формованных изделий. Испытание композита BMI с массовой долей стеатита 50% показало, что его твёрдость по шкале Роквелла HRM составила 115, а температура формования повысилась с 210 °C для чистого BMI до 220–230 °C. Как видно, добавление стеатита в BMI практически не влияет на его твёрдость и термостойкость. Таким образом, использование превосходных свойств стеатита в качестве модификатора трения делает возможным превращение BMI в органический фрикционный материал с отличными эксплуатационными характеристиками и высокой термостойкостью. Настоящее исследование служит основой для оптимизации конструкции составов композитных фрикционных материалов с комплексными эксплуатационными характеристиками. Заключение: 1. Стеатит может улучшать износостойкость BMI, изменять его фрикционные характеристики; при увеличении количества стеатита и уменьшении размера его частиц износостойкость BMI и алюминиевого кольца повышается, а коэффициент трения снижается. Однако при содержании стеатита более 50% разница в этом эффекте уменьшается. 2. Улучшение износостойкости BMI и алюминиевого кольца за счёт стеатита в основном связано с образованием защитной переносной плёнки. CaO и SiO2 в составе стеатита способствуют формированию переносной плёнки BMI на поверхности алюминиевого кольца, усиливая адгезию этой плёнки к матрице.