Химическое конструирование трибокомпозитов и их производство в ОКТБ «Орион»

Аннотация

В.Т. Логинов, П.Д. Дерлугян

Для создания надёжной современной техники требуется разработка высокоэффективных износостойких материалов и покрытий для обеспечения надёжной и долговечной работы узлов трения механизмов, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в агрессивных средах, при переходных режимах и в вакууме. Решение этой проблемы путем применения традиционных материалов и покрытий без введения каких-либо добавок весьма ограничено, так как любые материалы всегда имеют те или иные недостатки...

Инновации в технике и технологии

Актуальность, обоснование, разработка и исследование трибокомпозитов, полученных методами химического конструирования

Для создания надёжной современной техники требуется разработка высокоэффективных износостойких материалов и покрытий для обеспечения надёжной и долговечной работы узлов трения механизмов, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в агрессивных средах, при переходных режимах и в вакууме. Решение этой проблемы путем применения традиционных материалов и покрытий без введения каких-либо добавок весьма ограничено, так как любые материалы всегда имеют те или иные недостатки.

В связи с резким, недопустимым загрязнением планеты отходами производства, продуктами переработки органического и неорганического вида, добавилась ещё одна особо важная проблема, без решения которой практически невозможно допускать к эксплуатации  материалы или изделия – все они должны быть экологически чистыми, не загрязняющими флору и фауну. Одновременно эти материалы и изделия должны быть стойкими не только в средах, проявляющих механическое, химическое (абразивное, коррозионное) воздействие, но и в биологически активных средах, такими как мировой океан, грунты различных зон земного шара, реки и т.п., т.е. там, где активно развиваются биологические объекты и особи.

Известно, что на ремонт машин  механизмов ежегодно расходуются громадные средства, из которых 85 % - на замену подшипниковых узлов трения. В то же время, для создания новой перспективной техники с более жесткими условиями работы трибологических систем требуются новые металлы, сплавы, композиционные материалы (КМ) на полимерной основе с особыми свойствами, уровень качества которых обусловлен точностью состава, оптимальностью характеристик, тщательностью изготовления на всех стадиях технологической цепочки, сравнительно недорогих и технологичных в изготовлении. Однако, анализ этой проблемы показывает, что в стране нет производств, обеспечивающих в достаточном объеме современные и перспективные машины и механизмы такими материалами. Технологии их выпуска, разрабатываемые в трибологических центрах страны, часто остаются в отчетах и проектах.

Громадную потребность в новых КМ испытывают предприятия, использующие робототехнические комплексы, характеризующиеся точностью передаточных и исполнительных механизмов, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Для их надежной работы необходимы материалы, сочетающие высокую механическую прочность с низким удельным весом, повышенную износостойкость и низкий коэффициент трения. Они должны обладать коррозионной и радиационной стойкостью с экологической безопасностью для природы, высокой степенью надежности в широком интервале температур, работоспособны  на воздухе и в вакууме, в химически активных средах, не подвергающихся биологическим повреждениям.

Известно, что при создании композиционных материалов для узлов трения возникает ряд взаимосвязанных задач, решение которых имеет свои особенности для каждого класса материалов, используемых в качестве матрицы. Так, антифрикционность многих композитов на полимерной основе часто находится в противоречии с их теплопроводностью и теплостойкостью. В то же время, введение наполнителей, повышающих теплопроводность, в полимерную матрицу часто приводит к снижению их механической прочности и повышает коэффициент трения. Использование износостойких высокотемпературных керамик для композиционных антифрикционных материалов затруднено их сравнительно высокими коэффициентами трения и хрупкостью. Поэтому, для решения вышеизложенных проблем, необходимы новые «нетрадиционные» подходы к конструированию композитов, с привлечением фундаментальных исследований в области физико-химической механики материалов, коллоидной и органической химии, металловедения и др. прикладных наук [1].

Вышеперечисленные задачи требуют для решения использование новых  подходов к химическому конструированию КМ, привлечение к ним перспективных исследований в области физики твердого тела,  материаловедения, трибомониторинга и трибо- и нанотехнологий. При этом следует учитывать природу матрицы  КМ, свойства, состав и количество введенных наполнителей, химические и физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии компонентов материала и, конечно, процессы, протекающие в трибологическом контакте во время работы узла трения.

Большое значение в этих областях науки имеют теории структурной приспосабливаемости и структурно-кинематического моделирования подвижных молекулярных форм. Использование этих теорий  позволяет трибологам - материаловедам не только объяснить многие закономерности, происходящие в контактной зоне, но и практически решать вопросы создания   КМ  с заранее заданными  свойствами.  Это достигается путем введения в полимерную матрицу компонентов, создающих определенные диссипативные структуры, резко повышающие их износостойкость. В этом плане определенный интерес вызывают фосфаты металлов, способные создавать «неорганические полимеры», структуры которых могут повышать физико-механические и трибологические характеристики  КМ.

Создание современных  КМ, начиная с синтеза их компонентов, разработки оригинальных технологий с обеспечением патентной чистоты и заканчивая промышленным внедрением и реализацией новых, конкурентно-способных  КМ,  актуально  и требует тщательной научной и технической проработки.

Известно, что система полимер-пластификатор является термодинамически и агрегативно неустойчивой. При повышении температуры вследствие увеличения кинетической энергии усиливается движение макромолекул полимера и молекулы пластификатора, расположенные между молекулами полимера, постепенно выжимаются наружу. Это явление и было использовано при химическом конструировании полимерных композитов. При этом было доказано, что в случае межпачечного пластифицирования композит имеет значительно лучшие трибологические характеристики, чем в случае  внутрипачечного пластифицирования. Межпачечный пластификатор, находящийся в полимере в определенном количестве, резко снижает величину коэффициента трения. В то же время, имеется большое количество пластификаторов, которые в большинстве случаев проявляют себя как смазки при граничном трении. В дальнейшем, при конструировании композитов, предназначенных для эксплуатации в тяжелых для полимеров условиях, явление пластифицирования было распространено на материалы с твердосмазочными наполнителями. Сочетание в полимерной матрице твердосмазочного наполнителя (типа дисульфида молибдена или графита)  и пластификатора-смазки позволило резко повысить трибологические характеристики антифрикционных самосмазывающихся материалов с полимерной матрицей и создать целую гаму композитов для узлов трения шлюзовых затворов гидростанций, спуска судов на воду и других отраслей техники, где ранее композиционные материалы на основе полиамидов и полиэтилена не применялись [1,2].

Однако, непрерывное совершенствование машиностроения и специальных областей техники, в том числе космической, ужесточение условий работы узлов трения требовало ещё более надёжных теплостойких материалов и покрытий, что в свою очередь заставило ученых и практиков использовать при создании композитов новые подходы и нетрадиционные полимеры. В частности, после глубоких теоретических и экспериментальных исследований, в  ОКТБ «Орион» получило начало новое направление – разработка антифрикционных композиционных материалов на принципе «структурно-энергетической приспосабливаемости» [3].

Были проведены теоретические исследования методов структурно-кинематического моделирования подвижных молекулярных форм большинства композиционных материалов и покрытий, которые показали, что при повышении температуры в  зоне контакта трущихся пар происходит перестройка структуры, заключающаяся в переходе от ограниченной подвижности молекул к их свободному вращению. При поворотной изометрии одна молекулярная структура переходит в другую без разрушения связей. При этом, скорость внутреннего вращения, т.е. скорость конформационных превращений молекул зависит от потенциального барьера внутреннего вращения, составляющего для большинства молекул 3,3 – 25 кДж/моль. Поэтому, в состав композитов вводили соединения, не только повышающие прочность и его антифрикционные характеристики, но и способствующие перестройке структурных комплексов в зоне трибологического контакта. Энергия разрушения молекулярных комплексов такой структуры значительно выше величины их конформационной перестройки. Одними из характерных соединений, создающих в системе вышеуказанные условия, являются фосфаты некоторых металлов (Cu,  Cd,  Zn,  Mo). Эти соединения снижают долю энергии, идущей на разрушение молекулярных комплексов, а в некоторых случаях трансформируют её в энергию конформационной перестройки [4].

Для примера приведём вариант композиционного материала с твердосмазочным наполнителем типа дисульфида молибдена, образующий при работе в контактной зоне  ФТСП – фосфатное твердосмазочное покрытие, одним из компонентов которого является МоОРО4 (аналогичные соединения, найдены и в объеме композита).

Конформационный анализ этого фосфата, предопределяющий вероятность структурного перестроения и оптимальной ориентации твердосмазочного наполнителя в зоне фрикционного контакта, показывает, что формирование структуры фосфатов молибдена происходит за счет входящих во все эти соединения тетраэдров РО4. При этом наличие сильно ослабленной связи атома молибдена с атомом кислорода предопределяет возможность псевдовращения октаэдра, тем самым, обеспечивая высокую подвижность системы. С геометрической точки зрения – МоОРО4 – это 8-ми- членный цикл, построенный из атомов 3-х видов, характеризующийся стабильными длинами связей и чередованием 2-х различных внутрициклических валентных углов при атомах Мо и Р  (109,5 град. и 0 град.). В этом цикле с фиксированными длинами связей и валентными углами имеются 2 степени торсионной свободы и 5 конформаций. Для полифосфатных цепей характерен широкий интервал значений углов Р-О-Р; кроме того, наблюдается значительная ротационная гибкость этой связи, которая позволяет смежным тетраэдрам занимать альтернативные положения. При исследовании энергетических параметров этих соединений была определена энергия вращения кристаллической решетки и энергия связи (разрушения) атомов металлокомплексов, имеющие значения по Б.Эггинсу и Д.Корбриджу, – 2-5 кДж/моль и 515,6 кДж/моль, соответственно.

Таким образом,  учитывая  гибкость фосфатных металлокомплексов, а также их энергетические параметры, можно сказать, что в зоне фрикционного контакта, более предпочтительно  структурно-кинетическое перестроение, а не разрушение их конформационных фрагментов. Наличие поворотной изомерии молекул фосфатных комплексов позволяет им легко приспосабливаться к тем или иным условиям трения, что в свою очередь снижает скорость изнашивания композитов. Износостойкость композитов повышается также ввиду того, что «микрокапсулы»  МоS2, находясь в высокоподвижной активно перестраиваемой системе, могут свободно ориентироваться в отношении к поверхностям, как подложки, так и контртела. Хотя приведенные данные являются не априорными, но высказанные гипотезы подтверждаются проведенными в дальнейшем модельными, микроскопическими, физическими и химическими исследованиями [4].

Глубокие исследования были проведены в  ОКТБ «Орион» по разработке термостойких (до 300 0С) антифрикционных износостойких композитов на основе термостойких полимеров – полиимидов. Интересно различие коэффициентов граничного трения этих полимеров на воздухе и в вакууме, которое составляет соответственно – 0,5-0,6  и  0,03-0,06. Введение в матрицу этого полимера совместно с дисульфидом молибдена термостойких фторуглеродных жидких смазок привело к снижению коэффициента трения до 0,02. В настоящее время в  ОКТБ «Орион» разработан композиционный материал на полиимидной основе с наполнителем политетрафторэтиленом. Коэффициент трения полученного композита  на воздухе существенно снизился и составляет – 0,13-0,15.

Создание новых образцов техники при её эксплуатации в различных средах и климатических условиях в широком диапазоне скоростей, нагрузок, температур связано с разработкой узлов трения, работающих в экстремальных условиях. Конструирование таких узлов становится невозможным без расширения номенклатуры материалов антифрикционного назначения. Все чаще используют полимерные материалы, постепенно вытесняющие подшипники качения и традиционные цветные металлы и сплавы, предназначенные для подшипников скольжения. Использование полимеров в качестве конструкционных материалов антифрикционного назначения обусловлено многими факторами, в том числе возможностью образовывать композиты с заданными свойствами [5].

Однако такие характеристики полимеров, как низкая теплопроводность, нестабильный коэффициент трения, износостойкость, деструкция при повышении температуры, подверженность старению и биоповреждениям, высокое водопоглощение и набухание (изменение линейных размеров) и ряд других, ограничивают возможную область их применения в подшипниковых узлах. Расширение сферы использования полимеров ведется в основном в двух направлениях.

Одно из них – модификация свойств известных видов полимеров. Наиболее доступным и приемлемым методом модификации является, в частности, использование возможности введения в полимеры жидких и твердых компонентов, совместное действие которых может изменять первоначальные свойства полимеров и тем самым получать материалы с заданными свойствами [6].

Создание материала с регулируемыми свойствами стало возможно в процессе развития и исследования эффекта самосмазываемости, позволившего определить ряд научных направлений и выделить группу антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов (АСПМ).

Основанием для разработки одного из направлений создания АСПМ явились исследования в области пластификации полимеров и предложенная на их базе модель «выпотевания» пластификатора из материала с образованием на поверхности пары трения полимер – металл тонких смазочных плёнок, предотвращающих схватывание, уменьшающих коэффициент трения и повышающих износостойкость трущихся пар [7].

Важная роль в создании АСПМ с регулируемыми свойствами наряду с пластификацией отводится наполнителям (многофункциональным добавкам), которые также как и пластификатор, можно вводить в полимер в процессе технологической переработки. Каждое из вводимых веществ может самостоятельно или в совокупности друг с другом придавать полимерной основе требуемые свойства. Так, введение твердых слоистых смазок, какими являются графит, дисульфид молибдена  и им подобные, существенно влияет на антифрикционные свойства, создаваемые композиции; введение порошков металлов увеличивает теплопроводность; закись меди, реализующая избирательный перенос при трении, одновременно является хорошей биоцидной добавкой, повышающей биостойкость полимера; волокнистые наполнители увеличивают прочностные характеристики.

Таким образом, АСПМ в общем случае можно рассматривать как трех-компонентную систему, состоящую из полимерного связующего, пласти­фикатора и многофункциональных добавок — наполнителей.

Определенная роль при формировании материала отводится техноло­гическим приемам переработки [7], методам образования полимеров с ориентированной структурой поверхностного рабочего слоя [8,9]. Материалы, получаемые по такому принципу, известны под общим названием «Маслянит». Они имеют разный компонентный состав, свойства, назначение, но выполнены по единой схеме.

Комплекс работ по теоретическому обоснованию компонентного соста­ва разрабатываемого  материала,  выявлению процессов  взаимодействия элементов многокомпонентной системы, изучению факторов, реализующих принцип образования на ориентированных полимерных поверхностях при трении смазочных пленок, оптимизации технологических параметров по­лучения заготовок и их механической и термической обработки, проекти­рованию конструкции подшипниковых узлов с учетом особенностей мате­риала следует определить как химическое конструиро­вание материала антифрикционного назначения. Метод химического кон­струирования применяется в случае, если известные в практике материалы не обеспечивают надежную работу узлов трения в условиях эксплуатации. Для этого определяются технические требования к материалу, включая значения триботехнических (коэффициент трения и износостойкость), фи­зико-механических, электрических и других специальных характеристик,       обеспечивающих работоспособность механизмов  в  экстремальных условиях. Они должны обладать биологической стойкостью к действиям грибков и микроорганизмов, быть невосприимчивыми к обрастанию в речной и морской воде, легко обрабатываться на металлорежущих станках, обеспе­чивая требуемое сопряжение с металлическим контртелом, и не вызывать  коррозии контактирующих с ними металлов [10,11].

Разработка технологии химического конструирования композиционных материалов должна, по нашему мнению, учитывать исследования технологических параметров этапов получения композитов на макро- и микроуровнях. Эффективность разработки материалов с заданными свойствами будет тем выше, чем полнее они будут приближаться к конкретным условиям эксплуатации.

Прежде чем приступить к разработке материала с заданными свой­ствами, необходимо произвести оценку работы узла трения. Работоспо­собность последнего характеризуется факторами, основные показатели ко­торых приведены в табл. 1. Каждый из этих факторов оказывает на металлополимерные узлы трения существенное влияние, и поэтому рекомендуе­мый материал требует эксплуатационной проверки в условиях, приближен­ных к реальным (стендовые испытания), или же в парах трения самих ма­шин (промышленные испытания). Такие испытания исключают влияние масштабного фактора, имеющего немаловажное значение при оценке ис­тинных возможностей рекомендуемых полимерных материалов [2].

Таблица 1. Факторы, характеризующие работоспособность  металлополимерных  узлов трения

 Методом химического конструирования созданы и внедрены в произ­водство группы материалов «Маслянит», «НПИ», «ТАСМ», обеспечиваю­щие надежную работу узлов трения механизмов в экстремальных условиях (удельные нагрузки от 0,1 до 50 МПа; скорости скольжения от 0,01 до 20 м/с; рабочие температуры от 213 до 573 К). При этом обеспечиваются стабильно низкий коэффициент трения (0,02—0,2) и высокая износостой­кость (1 —10 мкм на км пути трения) на воздухе, в воде, технических жид­костях, коррозионно-абразивных средах, в условиях ограниченной смазки и биологического воздействия [2,10,11].

Для оценки работоспособности антифрикционных материалов принят фактор PV, увеличение значения которого говорит о повышении эксплуата­ционных возможностей материала — его использование в более нагружен­ных и скоростных узлах трения. В [2] представлены характеристики значений PV, полученных при испытаниях подшипников скольжения, изготовленных из полиэтилена низкого давления (ГОСТ 16337-77), полиамида ПА-610 (ГОСТ 10580-73), ε-капроамида (ГОСТ 7850-74) и сконструированных на их основе АСПМ, на машинах трения при переменных величинах скорости скольжения и удельной нагрузки по следующей схеме. При наименьшей скорости скольжения 0,01 м/с проводились исследования с последовательным увеличением нагрузки, начиная с 0,1 МПа до предель­ного значения. Предельным считалось значение, при котором полимерный образец либо катастрофически изнашивался, либо разрушался (пла­вился). Затем эти же испытания проводились при более высоких скоростях. Для скоростей относительного скольжения до 0,01 м/с длительность испы­тания существенного влияния на величину предельно допустимого значе­ния нагрузки не оказывала. В этом случае режим испытаний принят как «непрерывный». При скоростях выше 1 м/с были проведены дополнитель­ные исследования в следующих двух режимах работы: «периодический» — время работы узла трения не превышало 1 ч и «кратковременный» — время работы ограничивалось 15 мин с последующей остановкой до полного вос­становления первоначальной температуры. Увеличение фактора PV в 2-3 раза обеспечивает работоспособность металлополимерных узлов при ско­ростях относительного скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 60 МПа.

Другим немаловажным показателем, определяющим преимущество АСПМ перед исходными полимерами, является улучшение антифрикцион­ных характеристик на 25-50%. В [2,8] представлены данные по оценке коэффициента трения вышеуказанных полимеров и разработанных на их основе самосмазывающихся композиций на машинах трения при переменных величинах скорости скольжения и удельной нагрузки по следующей схеме. Схема трения: полимерный стер­жень — плоскость, движение поступательное, скорость перемещения 0,01 м/с. Испытания проведены на воздухе, в воде и с применением разовой смазки. Использование последней в узлах трения с АСПМ рекомендуется для лучшей прирабатываемости полимерного материала в начальный период работы.

Снижение коэффициента трения достигается за счет:

• обра­зования на поверхностях трения граничных смазочных слоев, одним из компонентов которых являются металлические мыла;
• введения антифрик­ционных добавок;
• ориентации структуры поверхностного слоя физико-химическими методами или механическим воздействием;
• термической об­работки заготовок с дополнительным насыщением поверхностных слоев (глубина проникновения до 2 мм) смазочными составами;
• внесения кон­структивных изменений в узел трения.

Улучшение антифрикционных характеристик рассматриваемых мате­риалов связано с изменением их износостойкости при трении. АСПМ обла­дают повышенной износостойкостью (на 30-50%) по отношению с применяемым в качестве связующего полимером.

В качестве примера создания АСПМ с заданными свойствами можно отметить разработку материала для скользящих затворов высоконапорных гидростанций и гидросооружений. Согласно техническим требованиям на разработку материал должен обладать рядом свойств, характеристики ко­торых представлены в табл. 2. Помимо этого заготовки из материала по конструктивным особенностям затвора должны иметь линейные размеры 600x200x50 мм, обеспечить работоспособность механического оборудова­ния гидротехнических сооружений как при работе на воздухе, так и в реч­ной воде при удельных давлениях до 60 МПа. В отечественной практике материала, обладающего комплексом всех требуемых свойств, выявить не удалось. Приступая к конструированию АСПМ с заданными свойствами, определили основу для будущей композиции.

По физико-механическим и технологическим показателям наиболее подходящим оказался материал, получаемый анионной полимеризацией ε-капролактама (капролон) [8].

Ис­пользование данной технологии переработки полимера позволяет получить крупногабаритные изделия методом свободной заливки расплава полимера в формы с последующим отверждением. Однако капролон в чистом виде обладает рядом недостатков: в первую очередь неудовлетворительными антифрикционными свойствами, высокими показателями водопоглощения и набухания в воде, нестабильностью свойств во времени (старение), подвержен обрастанию при длительном пребывании в речной воде [10,11]. Устранить эти недостатки удалось, применив предложенный метод химического кон­струирования АСПМ.

Таблица 2 - Свойства антифрикционного самосмазывающегося полимерного материала АСМ-К-112

 Обосновав выбор пластификатора, способ его введе­ния в связующее совместно с наполнителями и добавками, оптимизировав состав, режимы переработки и термической обработки, создали анти­фрикционный самосмазывающийся материал АСМ-К-112 (ТУ ГМ 015-84), удовлетворяющий требованиям технического задания. Материал прошел испытания на стенде-имитаторе и в производственных условиях в качестве направляющих полозьев шлюза Волго-Донского судоходного канала им. В.И. Ленина, обеспечив   требуемый ресурс работы, стабильность свойств, надежность работы опорно-ходовых устройств гидросооружений. Материал рекомендован к широкому внедрению в гидротехническом строительстве, в том числе на эксплуатирующихся и вновь строящихся гидроэлектростанциях.

Области применения материалов «Маслянит»

Нет практически не одной отрасли техники, где бы ни могли применяться материалы типа «Маслянит», как в качестве материала для узлов трения, выпускаемого оборудования, приборов, машин и механизмов, так и для ремонта узлов трения, опор скольжения и замены подшипников качения на подшипники скольжения. Кроме специальных отраслей техники эти материалы в больших объемах используются в несущих роликах ленточных конвейеров, работающих в условиях сильной запыленности на предприятиях горно-рудной промышленности, литейных цехах. Широкое применение нашли эти материалы на предприятиях химической, машиностроительной и легкой промышленности, в сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства, где применяются ленточные транспортеры с шириной ленты до 1000 мм  и скоростью движения до 2 м/сек. Обладая уникальными характеристиками при работе в водных средах материалы «Маслянит» широко внедрены в гидротехнических сооружениях, портовых и судовых механизмах. На всех высоконапорных гидростанциях России и стран СНГ используются материалы этого типа. Являясь биологически стойкими и экологически чистыми, некоторые виды «Маслянита» внедрены в пищевой и консервной промышленности. Материалы этого типа нашли применение в узлах трения точных приборов, вибростендов, сейсмографов, в уплотнениях сервомоторов. Термостойкие антифрикционные самосмазывающиеся материалы на полиимидной основе нашли широкое применение в авиационной, космической технике, в приборостроении, атомной энергетике, роботизированных системах в качестве элементов высокоточных зубчатых передач, подшипников скольжения и их сепараторов.

Ниже приведен перечень материалов, которые изготавливаются на производственной базе  ОКТБ «Орион» и предназначаются для реализации. В настоящее время технологическое оборудование позволяет выпускать до 40 тонн/год композитов трибологического назначения.

Материалы и покрытия антифрикционного назначения

• предназначены для эксплуатации в качестве подшипников скольжения, скользящих направляющих и уплотнений узлов трения машин;
• обеспечивают работоспособность в широком интервале нагрузок, скоростей, температур, в различных средах и климатических зонах;
• не требуют подачи смазки в зону трения, исключают задиры и заклинивания узлов, обеспечивают плавность и бесшумность в работе;
• снижают металлоёмкость машин, способствуют экономии цветных металлов и сплавов, смазочных материалов;
• повышают износостойкость, коррозионную стойкость режущего и штампового инструмента, улучшают качество поверхности при механической обработке труднообрабатываемых металлов и сплавов;
• технологичны при переработке, экологически чистые, стойкие к биоповреждениям.

Полозья скользящих затворов и подшипники скольжения гидросооружений из антифрикционных самосмазывающихся материалов  АСМК-112 (112Л)

Предназначены для эксплуатации в механизмах гидротехнических сооружений в качестве скользящих направляющих затворов водопроводных галерей, шлюзовых затворов и ворот шандоров, компенсационных втулок тяг гольсбантов створчатых ворот и плавучих рымов, подшипников скольжения насосов и т.д.

Условия эксплуатации:

• удельное давление – 60-120 МПа;
• скорость скольжения – до 2,5 м/мин.;
• температура окружающей среды – от минус 60 до плюс 80 0С;
• рабочая среда:  воздух, речная и морская вода.

Применяется вместо материалов  ДСП-Б,  Ф4К20,  «Маслянит-Д». Материалы разработаны в ОКТБ «Орион» по заказу треста «Гидромонтаж» и СКБ «Ленгидросталь».

Внедрение:   подшипниками и направляющими оснащается гидромеханическое оборудование, выпускаемое Чеховским заводом  ГМО  и направляемое на реконструируемые и вновь строящиеся гидроэлектростанции, затворы Волжского, Камского, Волго-Балтийского, Обского бассейновых управлений водных путей, шлюзы Волго-Донского судоходного канала.

Подшипники скольжения и уплотнения для судовых и портовых механизмов из антифрикционных и самосмазывающихся материалов МК

Предназначены для использования в судостроении, судоремонте, портовых и палубных механизмах, технологическом оборудовании плавсредств взамен подшипников качения, антифрикционных бронз, баббитов, капролона.

Обладают высокой износостойкостью и стабильным коэффициентом трения (0,12 … 0,16) на воздухе без смазки, в воде, эмульсиях, масляных средах.

Применение в винтодейдвудных и рулевых устройствах обеспечивает стабильную работу и герметичность узлов в широком диапазоне температур. Позволяет свести к минимуму вибрационные нагрузки и шумы, исключает выброс масляных пятен в воду.

Использование в ленточных и ковшовых транспортёрах, шнеках рыбцехов, морозильных аппаратах, насосах, элеваторах в среде морской воды или повышенной влажности при нагрузках до 10 МПа, скоростях скольжения до  2 м/сек. обеспечивает ресурс работы подшипников узлов до  10 тыс. часов, сохраняя работоспособность до полного износа.

Применение взамен крупногабаритных (до  800 мм) конических роликоподшипников и эластомерных уплотнений в грейферных снарядах Е-1100  производств Mitsubisi Nagasaki (Japan), в узах трения ковшей ёмкостью  9,3 и 17,5 м3 позволило увеличить межремонтный период эксплуатации, снизить затраты на ремонт, исключить применение смазочных материалов и остродефицитных запасных частей импортного производства.

Внедрено:  на судостроительных верфях и заводах Нижнего Новгорода, Туапсе, Мурманска, Северо-Двинска, Калининграда, Лазаревки, Жилаговска, Усть-Донецка.

Детали машин из термостойких антифрикционных самосмазывающихся материалов на основе полиимидов

Особенности исходного полимера – полиимида – предопределили область применения деталей из этих материалов.

Высокая термостойкость, радиационная стойкость, работоспособность в вакууме, сложных газовых смесях, агрессивных жидкостях, большинстве органических растворителях позволили применять их в космической и авиационной технике, атомной энергетике, химической промышленности в качестве подшипников скольжения уплотнительных сёдел, сепараторов, подшипников качения, тепло- и электроизоляторов и др. узлах.

Высокие прочностные и триботехнические характеристики и стабильность геометрических параметров в широком диапазоне температур позволили получить высокопрочные зубчатые передачи, преимущественно для приборостроения, в т.ч. аппаратуры бортовых спутниковых систем по программам «Венера», «Марс», «Луна».

Усовершенствовав технологию переработки полиимидов, пластифицируя и вводя в них многофункциональные добавки, удалось получить группу материалов с заданными свойствами, резко расширившими возможную область применения.

Высоконагруженные подшипники скольжения

Представляют собой металлический корпус, облицованный антифрикционным полимерным композитом, армированным волокнистым каркасом, предназначены для эксплуатации в подвижных сопряжениях машин и механизмов.

Условия эксплуатации:

• рабочая удельная нагрузка – до 200 МПа;
• скорость относительного скольжения – 0,1 м/сек;
• интервал рабочих температур – от  минус 60  до плюс 150 0С.

Внедрены в тяжелонагруженных узлах трения подъемно-транспортного и металлургического оборудования Новокраматорского машзавода.

Возможен вариант применения корпуса из углепластика с антифрикционным рабочим слоем. Подшипники обеспечивают высокую нагрузочную способность, износостойкость, низкий коэффициент трения при работе как в гидравлических жидкостях, так и всухую.

Эксплуатируются в качестве направляющих втулок элементов гидроцилиндров, в т.ч. втулок штока гидравлических ножниц на Белорусском металлургическом заводе. Вкладыши сферических опор скольжения, не требующие подачи смазки, исключающие заедания и задиры, внедрены в опорных пятниковых узлах миксеров-чугуновозов Новокраматорского машиностроительного завода.

Несущий ролик ленточного транспортёра с подшипниками скольжения из антифрикционных самосмазывающихся полимерных композиционных материалов

Выполняется в металлическом или резиновом корпусе. Предназначен взамен роликов с подшипниками качения для работы в условиях сильной запылённости или повышенной влажности воздуха.

Условия эксплуатации:

• скорость транспортирования – до 2 м/с;
• погонная нагрузка на ленту конвейера – 60 кг/м.

Преимущества от применения:  в процессе длительной эксплуатации (до 5 тыс. часов) не требуется периодическая подача смазки, экономятся дорогостоящие материалы, высоколегированные стали, сокращается простой конвейеров, связанный с их техническим обслуживанием и ремонтом, исключены аварийные ситуации вследствие заклинивания металлических подшипников качения, снижается уровень шума при работе.

Возможная область применения – горнорудная, горнодобывающая, металлургическая, химическая, судостроительная, лёгкая и пищевая промышленности, машиностроение, сельское хозяйство.

Внедрение – разработки внедрены в ПО «Ростовнеруд», ОПО «Ворошиловграднерудпром», ОПО «Винницнерудпром», Щедокском гипсовом комбинате, Камском автозаводе, Калиниградском управлении тралового флота.

Упорные подшипники скольжения и резьбовые втулки из антифрикционных композитных полимерных материалов в узлах трения запорной трубопроводной арматуры

Подшипники скольжения предназначены для замены упорных подшипников качения №№ 8109, 8110, 8112, 8205, 8207, 8208 и др. в узлах трения клиновых задвижек и сильфонных клапанов с диаметром условного прохода  Dу  40, 50, 65, 80, 100 и 150.

Резьбовые втулки используются при замене втулок с трапецеидальными резьбами  14х3,  18х4,  20х4,  22х5,  26х5.

Характеристики материала:

• состав – композиционный полимерный материал на основе полиамидов;
• плотность – 1,0-1,23 г/см3;
• разрушающее напряжение при сжатии в интервале температур от минус 40 до плюс 150 0С – 70 … 150 МПа;
• коэффициент линейного теплового расширения – 2,4-9,0 х 10-5 ;
• коэффициент трения скольжения – 0,08-0,15.

Внедрены на арматурных завода в городах: Санкт-Петербург, Кролевец, Юго-Камск, Курган, Чехов и др.

Подшипники скольжения, скользящие направляющие и уплотнения для узлов трения машин и механизмов

Изготавливаются из антифрикционных самосмазывающихся полимерных композиционных материалов взамен подшипников качения и подшипников скольжения из цветных металлов. Апробированы и внедрены в узлах трения:

• скользящих направляющих транспортно-перегрузочных устройств;
• аксиально-поршневых насосов серии  РИАС, циркуляционных насосов, насосов-дозаторов, погружных насосов;
• конусных дробилок;
• прессов  СМ512,  СМ516  по производству силикатных материалов;
• роботов-манипуляторов  М10П.62.01  и  М20П.40.01;
• редуктора минитрактора «Луч» (мотоблока  МБ-5040);
• полиспастов тросовых литейных машин;
• гидроцилиндров разгрузчиков сыпучих материалов  У15 УРБС;
• гидроцилиндров землеройных, дорожных и строительных машин в качестве защитных колец;- шнековых транспортёров, винтовых конвейеров;
• подъемного механизма рентгенаппаратов типа  12Ф7;
• упаковочной линии по производству химволокна;- карданных шарниров автомобилей;
• дверей автомобилей (в петлях);- опор дистанционного привода управления механизмом переключения передач автомобиля КамАЗ;
• измерительных приборов и бытовой техники;
• стапельной дорожки для припуска и спуска судов;
• конвейерных и поточных линий.

Применение самосмазывающихся подшипников повышает надежность и долговечность узлов трения, снижает эксплуатационные затраты, расход смазочных материалов, металлоемкость конструкций, исключает заедания и задиры трущихся поверхностей, обеспечивает плавность и бесшумность в работе в условиях повышенной вибрации и ударных нагрузок. Подшипниковые узлы сохраняют работоспособность в условиях попадания влаги, абразива в интервале рабочих температур от минус 50 до плюс 120 0С.

Основные технические характеристики материалов подшипников:

• плотность – 1,1-1,2 г/см3;
• разрушающее напряжение при сжатии – 80-130 МПа;
• коэффициент трения в зависимости от условий эксплуатации – 0,08-0,16.

Композиционное модифицированное никель-фосфорное покрытие

Предназначено для повышения износостойкости режущего и штамповочного инструмента, пресс-форм, продления срока службы механизмов, работающих в коррозионно-абразивных средах.

Метод нанесения – химическое осаждение на рабочие поверхности, в т.ч. сложной конфигурации. Разнотолщинность 1-2 мкм.

Технические характеристики покрытия:

• адгезия к металлической подложке – 400-550 МПа;
• микротвердость – 12000-14000 МПа;
• эксплуатационная толщина – 3-100 мкм;
• пористость – отсутствует;
• обладает высокими противозадирными свойствами.

Покрытие обеспечивает повышение срока службы режущего инструмента в 2-3 раза, рабочих органов машин и механизмов, работающих в коррозионно-абразивных средах, в 3-5 раз.

Разработка внедрена на химкомбинате «Россия», ПО «Химволокно», НПО «Машиностроение», Харьковском ПО «Комунпродвод», Химзаводе им. Петровского.

Термостойкие твердые смазочные покрытия

Предназначены для узлов трения машин и механизмов, работающих на воздухе, в вакууме, инертных и агрессивных средах или условиях фреттинг-коррозии.

Покрытия могут быть использованы в качестве антифрикционных, защитных, антикоррозийных в приборостроении, авиационной и космической технике, химической промышленности.

Внедрены на ряде предприятий, в т.ч.  НПО «Машиностроение», заводе им. Хруничева, ПО «Стрела», РНИИП НПО «Космическое приборостроение», НПО «Вакууммашприбор».

Важнейшие ожидаемые научно-технические достиженияв области мехатронных технологий

Необходимы разработки мехатронных технологий и нанотехнологий создания экологически чистых композиционных самосмазывающихся материалов, покрытий и смазок, обладающих свойствами самоорганизации и самовосстановления, для узлов трения и сопряжений машин, механизмов и приборов (на период 2005-2006 гг. и перспективные  НИОКР  до 2010 г.).

Выявление механизма.  Известно, что самоорганизация не является универсальным свойством материи и проявляется лишь при определенных внутренних и внешних условиям. В  ФГУП  ОКТБ «Орион» установлено, что в узлах трения, представляющих собой открытую систему, получающую из внешней среды отрицательную энтропию и вещество, могут возникать новые стационарные неравновесные структуры с высокой степенью упорядоченности. Узел трения – трибосистема – в неживой природе удовлетворяет требованиям самоорганизации, поскольку представляет собой открытую систему. К нему подводится энергия, например от электродвигателя, и вещество в том или ином агрегатном состоянии. Все это создаёт условия для формирования во фрикционном контакте диссипативных структур, в том числе в виде самовосстанавливающихся в процессе работы защитных антифрикционных плёнок [4,8-10]. Подобное явление образования защитной «сервовитной» плёнки (т.н. «избирательный перенос») изучено и в настоящее время используется в технике. Однако эффективность этого явления проявляется, в основном, при работе пар трения с участием меди или её сплавов и при смазывании глицерином.

Вышеизложенные представления заложены в основу настоящих и будущих мехатронных технологий конструирования композиционных материалов, проводимых в ФГУП ОКТБ «Орион». При этом на атомно-молекулярном уровне с помощью классической и прикладной биофизики и трибохимии ведётся постоянный анализ трибологических аспектов объектов и диссипативных систем, созданных природой для биологических объектов. Например, сравнительный анализ матрицы композиционного материала - полиамида и основного компонента белков – полипептида. Созданы материалы и покрытия, проявляющие свойства самоорганизации и самовосстановления, за счет поставки в зону трения тех или иных веществ, например, материалы «Маслянит»,  ТАСМ, материалы для механизмов по добыче пелоидов  Тамбуканского месторождения и др.

Таким образом, мехатронные технологии, разработанные в ФГУП ОКТБ «Орион», позволят создавать в зоне трибосопряжений сервовитные плёночные покрытия в процессе работы узла трения, обладающие свойствами самоорганизации, самовосстановления и создавать тем самым в узле трения сравнительную безызносность [9].

Разработка. С помощью мехатронных технологий будут созданы новые композиционные самосмазывающиеся материалы и покрытия, а также смазочные композиты для узлов трения и опор скольжения машин, механизмов и приборов, обладающих повышенной износостойкостью и долговечностью. Будут исследованы свойства этих материалов, разработаны практические рекомендации по их серийному выпуску, разработана технологическая документация, ГОСТы и др. нормативные документы.

Практическое применение.  Подготовка серийного производства и выпуск материалов, покрытий и смазок, разработанных с помощью мехатронных технологий.

Широкое использование.  Распространение продукции предприятий и организаций, выпускающих новые самосмазывающиеся материалы, покрытия и смазки на внутреннем и внешнем рынках.

Выводы

1. Метод химического конструирования антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами для работы в качестве подшипников скольжения и скользящих направляющих узлов трения машин и механизмов включает в себя комплекс работ по:
   * изучению условий и характера физико-химического и механического внешнего воздействия на материал и поверхности трибосопряжения в процессе эксплуатации;
   * теоретическому обоснованию компонентного состава разрабатываемого материала;
   * выявлению принципов взаимодействия элементов многокомпонентной системы;
   * изучению условий, реализующих образование на ориентированных полимерных поверхностях при трении граничных смазочных слоёв;
   * оптимизации технологических параметров получения заготовок и их термической обработки;
   * конструированию подшипниковых узлов с учетом особенностей разработанного материала.
2. Данный метод создания АСПМ позволяет расширить возможную область применения существующих отечественных полимеров без вложения значительных капитальных затрат; значительно улучшить триботехнические характеристики узлов трения, повышая их надежность в работе и долговечность; обеспечить плавность и бесшумность в работе, исключая заедания и задиры трущихся поверхностей; исключить необходимость принудительной подачи смазки в зону трения; снизить металлоёмкость и энергоёмкость узла трения и машины в целом.
3. В ходе химического конструирования разработана большая группа АСПМ, известных под названием «Маслянит», «НПИ», «ТАСМ», обеспечивающих работоспособность узлов трения в экстремальных условиях взамен традиционно применяемых подшипников скольжения из цветных металлов. Они находят широкое применение в различных отраслях техники, в том числе в машиностроении, химической и горнорудной промышленности, мелиорации и гидротехническом строительстве.

Литература

1. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. – М.: Машиностроение, 1976. 220 с.

2. Дерлугян П.Д., Логинов В.Т., Сухов А.С., Дерлугян И.Д. Конструирование антифрикционных самосмазывающихся полимерных материалов с заданными свойствами. // Изв. СКНЦ ВШ. Техн. науки. 1987. № 1. С. 61-67.

3. Логинов В.Т., Гончаров А.В.и др. К вопросу о создании условий самоорганизации трибосистем при трении композиционных материалов типа «Маслянит». // V Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону. Изд-во ДГТУ. 1997, т. II, с. 131-133.

4. V.T.Loginov, D.V.Minkov, S.V.Iliasov, O.M.Bashkirov, A.V.Goncharov, N.V.Loginova. Composition materials “Maslianit”. The problems of the chemical design and direction of the friction characteristics / World tribology congress, 8-12 september 1997, London, UK, S. “Industrial problems and solutions” t.4, p.134.

5. Логинов В.Т., Башкиров О.М., Дерлугян П.Д. и др. Проблемы химического конструирования композиционных материалов типа «Маслянит» - цели и задачи. // Труды международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов – 21 век. М. 2001. С. 313-316.

6. Логинов В.Т., Миньков Д.В. и др. Классические и прикладные технические решения создания и внедрения композиционных материалов и покрытий ОКТБ «Орион» / Труды междунар. Конгресса «Механика и трибология транспортных систем – 2003» сентябрь 2003 г. Ростов н/Д –  Ростов н/Д: Изд-во РГУПС. – 2003. С.81-83.

7. Башкиров О.М., Логинов В.Т. и др. Использование элементов нанотехнологий при разработке и исследовании композиционных материалов и покрытий для повышения долговечности работы шестеренных насосов 11НШ / Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). Труды междунар. конф. 27-30 августа 2003 г. Москва. – М.: Знание, 2004. С. 392-397.

8. Логинов В.Т., Башкиров О.М., Дерлугян П.Д. и др. Новые самосмазывающиеся композиционные материалы – вопросы химического конструирования. Тр. межд. семинара-выставки «Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении» (НАУКА – ПРОИЗВОДСТВУ) 20-23 апреля 1999г. Киев, 1999. С.54.

9. Логинов В.Т., Щеголев В.А. и др. Биофизические и структурные подходы к трению и износу. // Антифрикционные материалы специального назначения.- Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. С.41-45.

10. Логинов В.Т., Дерлугян П.Д., Докукина Г.Н. Биостойкие антифрикционные самосмазывающиеся композиции. Докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. «Защита судов и технических средств от обрастания». – Л.: Судостроение. 1999. С.136-143.

11. Логинов В.Т., Докукина Г.Н. Стойкие к морскому обрастанию композиты анти-фрикционного назначения. Докл. Всес. науч.-техн. конф. «Защита судов и технических средств от обрастания». – Л.: Судостроение. 1999. С. 143-147.

15 мая 2007 г.