С появлением синтетических полимеров начинают проводиться исследования с целью выявления возможности их использования как антифрикционных материалов. Такая постановка вопросов объясняется тем, что существовавшие антифрикционные сплавы помимо дороговизны были еще и дефицитны, в связи с ограниченной сырьевой базой. Кроме того, применение антифрикционных металлических сплавов, как правило, требовало организации соответствующей смазки узлов трения. В периоды пуска механизма, антифрикционные металлические сплавы в подшипниках скольжения, как более мягкие, часто получали задиры, в связи, с чем срок службы такого подшипника значительно уменьшался. Кроме того антифрикционные металлические сплавы плохо воспринимают ударную нагрузку [1,2,3,4,8]. Нечего и говорить, что в условиях работы, исключающих наличие смазочных сред, металлические антифрикционные сплавы обладали недостаточной долговечностью.

Синтетические полимерные материалы отличается таким комплексом свойств, что позволили предполагать возможность их использова­ния если не в большинстве узлов трения, то хотя бы в части из них. Многие синтетические полимерные материалы хорошо воспринима­ют вибрационные нагрузки, устойчивы против истирания, что наряду с относительно высокими механическими свойствами и малым удельным весом делает их предпочтительными при использовании в узлах трения. В узлах трения нашли применение волокниты, текстолиты, древесно-слоистые пластики, лигнофоль, графитопласты и т.д. В случае работы узла трения в водах средах получили распространение различные типы подшипников с облицовкой из синтетических резиносмесей. Наиболее эффективно применение полимерных материалов в тяжело нагруженных узлах трения, Развитие синтеза полимеров привело к созданию, за последние 20 лет, и массовому производству таких синтетических полимеров, как полиамиды, фторопласты, полиолефины, эпоксидные смолы и т.д. В настоящее время выполнено больше количество исследований с целью выявления антифрикционных свойств и работоспособности указанных по­лимеров. В результате установлено, что ряд полимеров обладают вы­сокими антифрикционными свойствами и они могут быть рекомендованы в качестве материала для подшипников [3,5,6,7,9]. Особенно пристальное внимание исследователей привлекли полиамиды и фторопласты.

Высокие физико-механические свойства полиамидов, низкое значение коэффициентов трения при смазке минеральными маслами, возможность работы полиамидного подшипника при ограниченной смазке и вообще без смазки, работоспособность в агрессивных и абразивных средах и при относительно высоких температурах, все это вызвало появление большого числа работ по изучению свойств различных полиамидов. Уже в первых рабо­тах отмечалось, что грузоподъемность полиамидных подшипников не уступает грузоподъемности баббита, а износостойкость выше. В работах указано, что в условиях сухого трения полиамидные подшипники превосходят по работоспособности бронзовые [10,11,12,13,14,15,16]. Таким образом, в узлах с ограниченной смазкой или без смазки, полиамиды оказались более работоспособными, чем традиционные подшипниковые сплавы.

Исследованиями установлено, что антифрикционные свойства различных полиамидов, в зависимости от нагрузки и скорости скольжения, различны. Кроме того, изменение способа изготовления подшипников, режима  термообработки, режима и вида смазки, материала сопрягаемой  детали, ее твердости и чистоты, а также наличие абразива влияет на антифрикционные свойства полиамидных подшипников. Вводя те или иные наполнители, можно повысить грузоподъемность и теплопроводность, уменьшить водопоглощение и улучшить ряд других свойств полиамидов.

Общим выводом из проведенных исследований является то, что полиамиды могут работать при температурах не выше 80…85^оС. К недостаткам полиамидов следует отнести: высокое влагопоглощение из окружающей среды, результатом чего является снижение их прочности; увеличение веса детали и ее разме­ров;  холодная ползучесть (под действием постоянной нагрузки происходит медленнное нарастание деформации); деструкция во времени.Полученные результаты дали возможность подойти к созданию тео­ретических основ расчет и проектирования монолитных полиамидных подшипников.

Изучение антифрикционных свойств полиамидов сопровождалось внедрением их в различные отрасли машиностроения и в ремонтное произ­водство. Из полиамидов изготовляют втулки, уплотнения, направляющие аппараты и рабочие колеса насосов, турбобуров и другие детали. Количест­во деталей из полиамидов, как в машиностроении, так и в ремонтном производстве, непрерывно увеличивается.

В последние годы выполнен большой объем работ по изучению антифрикционных свойств фторопластов. Для фторопластов характерна высокая термическая и химическая стойкость. Вместе с тем фторопласты обладают рядом недостатков, в том числе сравнительно низкой прочностью (15…30 МН/м²), низкой твердостью МПА З0…40, хладотекучестью, плохой теплопроводностью, крайне невысокой адгезией к металлам, при относительно высоком коэффициенте термического линейного расширения и трудностью переработки его в изделие. В процессе исследований выявлены высокие антифрикционные свойства фторопластов. Введение смазки в подшипник из фторопласта снижает величину коэффициента трения примерно вдвое. Фторопластовые подшипники могут работать без смазки в максимально широком диапазоне температур (от

— 269°С до +260°С), сохраняя низкие значения коэффициента трения. В различных работах рассматривается возможность применения монолитных подшипников скольжения из графитопластов на основе фенольно-формальдегидной смолы. Указывается, что графитопласт модифицированный капроном (30%), может ра­ботать в подшипниковых узлах без смазки при удельных давлениях 3,5… 8 МН/м² и скорости скольжения 0,66…1,11 м/сек. При этих условиях указанный материал имеет высокие антифрикционные свойства, коэффициент трения колеблется от 0,09 до 0,025. Рассмотренные работы по полимерным антифрикционным материалам  показывают на наличие у них следующих характерных недостатков:

1. Низкая теплопроводность, в результате чего, отвод тепла, возникающего в подшипнике скольжения при работе, в основном осуществляется через металлический вал или смазкой, интенсивно, подаваемой: к трущимся поверхностям;

2.Высокий коэффициент термического линейного расширения, что при высоких рабочих температурах трущихся пар, требует либо увели­чения монтажного зазора, что не всегда допустимо по условиям рабо­та, либо наличия теплового компенсатора (разрезная втулка, Т-образный паз на рабочей поверхности и т.д.);

3. Текучесть, особенно при повышенной температуре;
4. Низкая теплостойкость.

Сочетание низкой теплостойкости, высокого коэффициента линейного теплового расширения, текучести при повышенных температурах существенно ограничивает область применения монолитных полимерных подшипников, в связи с чем делается попытки ней­трализовать указанные недостатки, присущие большинству полимерных материалов. Появляются работы, в которых сделана попытка применить тонкослойные подшипники. Результаты использования полистирола для получения тонкослойных полимерных покрытий даны в различных работах ученых. Однако в обоих исследованиях получены неудовлетворительные результаты, формируемые тонкослойные покрытия из полистирола по мере охлаждения покрывались сетью трещин, вследствие возникновения больших внутренних напряжений и хрупкости полимера. Стремление получить подшипники с тонкослойным антифрикционным покрытием  потребовало от исследователей изучения ряда фактов;

— закономерности формирования полимерных покрытий;

— влияния методов и технологических факторов нанесения покрытий на физико-механические и антифрикционные свойства полимерных покрытий;

— влияние природы металлов и технологии формирования покрытия на сцепляемость полимерных покрытий с металлическими подложками;

— структурных изменений в полимерных покрытиях, протекающих при формировании, термообработке и эксплуатации.

Как уже отмечалось, лучшими антифрикционными полимерными материалами являются фторопласты, но имеющие од низкие механические свойства (хладотекучесть) и плохую сцепляемость с металлическими подложками. В связи с этим, в работах [2, 14] предложено изготовление армированных фторопластовых подшипников. Для этой цели используют пористую металлическую подложку, пропитанную фторопластом. Получается сплошная плевкa фторопласта толщиной 0,013…0,04 мм.  Порис­тый металл прочно удерживает пленку фторопласта и воспринимает основную часть нагрузки, способствуя созданию благоприятных условии для работы фторопластовой пленки. Работоспособность таких подшипников при нагрузках от 0,035 до 14 МН/м² и скоростях скольжения от 0,05 до 7 м/сек высокая даже при работе без смазки.

Коэффициент трения при работе в паре с различными металлами не превышал 0,05. Учитывая высокие физико-механические свойства полиамидов и хорошие результаты применения монолитных полиамидных деталей в узлах , целый ряд исследователей в работах [57,63,66,72, ] изучали возможности использования тонкослойных полиамидных покрытий в узлах трения применительно к восстановлению изношенных деталей тракторов, автомобилей и сельхозмашин. Одной из первых работ в этом направлении являлась работа Барабанова В.Н., выполненная в лабораториях НаТИ и МИИСПа. Автором изучались свойства полиамидных покрытий, наносимых струйным способом на подогретые заготовки. При этом было выявлено, что антифрикционные свойства получаемых покрытии достаточно высоки. Прирабатываемость полиамидных покрытий не уступает прирабатываемости баббита Б-83 и значи­тельно превосходит прирабатываемость сплава АСМ. Износ сопрягаемого вала с полиамидным покрытием в 6…10 раз меньше, чем с сопрягаемыми металлическими сплавами. Хорошо работает полиамидное покрытие и при нахождении в смазке абразива.

Вместе с тем во всех перечис­ленных исследованиях подтверждаются высокие антифрикционные свойства полиамидных покрытий, отмечая однако, их довольно низкую температуростойкость 80-85⁰ С.Кроме того, попадание во­ды в узел трения приводит в набуханию покрытия, снижению его выносливости и даже к отслаиванию.

Во многих работах исследовалась возможность применения эпоксидных покрытии при ремонте деталей узлов трения. Доказано, что эпоксидные покрытия без наполнителей обладают низкой износостой­костью и не могут быть рекомендованы в качестве антифрикционных материалов. Применение наполнителей улучшают свойства этих покрытий. Лучшим наполнителей являет­ся графит. Покрытия из эпоксидных композиций с графитом могут удовлетворительно работать как при трении со смазкой, так и в условиях сухого трения. Износостойкость эпоксидных покрытий при работе со смазкой соизмерима с износостойкостью бронзы и в 1,5 раза выше, чем у чугуна. При работе без смазки износостойкость эпоксидных покрытий в 10…25 раз выше, чем у бронзы в чугуна. Отмечается, что эпоксид­ные покрытия в 4…6 раз меньше изнашивают сопрягаемую деталь. Ограничением в применении указанных покрытий является их сравнительно низкая теплостойкость и невысокая грузоподъемность. Кроме того, эпоксидные смолы, их отвердители и пластификаторы токсичны, что ухудшает условия труда рабочих.  Жизнеспособность приготовленных эпоксидных композиций относительно невелика, а сами смолы довольно дороги.

Проведенные в последние годы работы по изучению возможности применения для восстановления деталей антифрикционными покрытиями из полиэтилена и полипропилена. Было показано, что тонкослойные покрытия из полиэтилена низкого давления с заполнителями и без них, полученные вибрационным напылением, имеют хорошие физико-механические и антифрикционные свойства. В узлах трения со смазкой полиэтиленовые покрытия могут работать при нагрузках до 6 МН/м² и скорости скольжения 0,5 м/сек. Установлено, что покрытия лучше работают в паре со стальными закаленными деталями с твердостью не менее 400…420 МПа. Полимерные покрытия на базе полиэтилена могут успешно работать лишь в узлах трения, где температура не превышает 65°С. В некоторых работах исследованы тонкослойные покрытия из полипропилена, наносимые струйным методом. Показано, что полипропиленовые покрытия обладают достаточной износостойкостью, высокой водо и хими­ческой стойкостью, имеют низкие значения коэффициента трения (0,04…0,12 при трении со смазкой) и устойчивы к истиранию. Рекомендуются к применению в узлах трения, имеющих температуру не вше 50…60°С и нагрузку до 5 МН/м².

Рассмотренные результаты, ранее выполненных исследований по применению полимерных как антифрикционных материалов, позволили установить следующее:

1. Полимерные материалы (полиамиды, фторопласты, полиолефины,

эпоксидные смолы) могут применяться в узлах трения из-за высоких антифрикционных свойств.

2. Использование тонкослойных полимерных покрытий позволяет получать подшипники с большей работоспособностью, чем монолитные полимерные подшипники.
3. Полимерные подшипники превосходят традиционные антифрикционные сплавы при работе в абразивных средах, сухом трении и при ограниченной смазке.
4. В условиях работы при повышенных температурах (10О°С и выше) и трении со смазкой рассмотренные полимерные материалы, кроме фторопластов, уступают антифрикционным металлическим сплавам.

Появившиеся в последние года синтетические полимерные материалы такие как полиформальдегиды, пентоны, полиарилаты, поликарбонаты и другие, обладающие высокими физико-механическими свойствами и высокой теплостойкостью, требуют исследования по возможности применения их в ремонтном производстве.

Поликарбонаты — перспективные крупнотоннажные полимеры, обладают достаточно высокой теплостойкостью, высокими механическими свойствами и относительной дешевизной. Поликарбонатами называются полиэфиры угольной кислоты и диоксисоединений. По своей структуре поликарбонаты близки к эпоксидным смолам, включающим аналогичную полиэфирную группу

Поликарбонаты — это новый класс полимерных материалов, включающих алифатические, жирноароматические, ароматические и смешан­ные поликарбонаты. Наибольшее практическое применение в настоящее время нашли ароматические поликарбонаты. Ароматические поликарбона­ты относятся к группе термопластических полимеров. Молекулярный вес поликарбонатов может быть от 20 000 до 200 000. В зависимости от молекулярного веса поликарбонаты перерабатываются литьем под дав­лением, экструзией  и из раствора.

Ароматические поликарбонаты обладают высокой температурой стеклования (149°С), температурой плавления в зависимости от молекулярного веса 230-300°С, и температурой разложения 330°С и выше. Столь высокие температурные характеристики объясняются структурными особенностями строения молекул поликарбоната. Исследования показали, что синтез поликарбоната возможен 4 методами и получаемые при этом полимеры обладают целой гаммой ценных свойств. Могут синтезироваться различные типы поликарбонатов с различными молекулярными весами. Из литературы известны основные физико-механические свойства поликарбонатов. Однако во всех источниках они даются либо для монолитных образцов, либо для пленок, полученных поливом из раст­воров или экструзией. Литературные данные показывают значительное превосходство поликарбонатов по сравнению с ныне применяемыми полимерами. Плавление поликарбоната начинается при температуре 230°С, а разложение при температуре 330^оС, т.е. температурный интервал меж­ду температурой начала плавления и температурой разложения у по­ликарбоната достаточно большой. Это, несомненно, является его боль­шим преимуществом по сравнению с другими термопластами, открывая большие возможности по переработке его в изделие при незначительных изменениях физико-механических свойств за счет разложения. Для поликарбоната характерна высокая прочность. Следует отметить высокую теплостойкость поликарбоната, осо­бенно под нагрузкой, что очень важно для антифрикционных материа­лов. Так теплостойкость под нагрузкой 1,9 МН/ м² у поликарбоната равна 140^оС,  у полиамида — 68°С,  у полиформальдегида — 100-120°С,  у пентона – 85…90°С. Теплостойкость защитных покрытий из поликар­боната равна 120…140°С.

   Поликарбонат не горюч, точнее это самозатухающий полимер. Он химически

стоек е действию водных растворов неорганических и органических кислот, солей, окислителей. Минеральные масла и топливо не вызывают набухшая и деструкции поликарбоната. В иных изученных работах сообщается, что износостойкость монолитных поликарбонатных деталей в 25 раз больше, чем износостойкость полисти­рола.

 Изучалась работа монолитных подшипниковых втулок из поликарбоната. Доказано, что сопряжение сталь-поликарбонатная втулка при скорости скольжения 1 м/сек в смазке окунанием способно ра­ботать по температурному состояние узла до величины удельного давления, равного 8 МН/м². Рассматривались вопросы наполнения поликарбоната стекловолокном. Доказано, что в этом случае удается значи­тельно повысить длительную прочность монолитных образцов из поликарбоната. Однако, все рассмотренные работы, хотя и показывают большие возможности, заложенные в поликарбонате, не приводят каких либо данных по сцепляемости поликарбонатных покрытий с металлическими подложками. Последнее требует проведения исследований для определения возможности формирования качественных поликарбонатных покрытий с высокой сцепляемостью последних с металлическими подложками. Таким образом, на основании рассмотренных литературных источников, несомненный практический и научный интерес представляло про­ведение комплексного исследования следующих свойств поликарбонатных покрытий:

—  физико-механических и антифрикционных свойств тонкослойных покрытий на металлические подложки;

— сцепляемости с металлическими подложками.

Выводы.

Исследование этих свойств было необходимо для изыскания возможности получения качест­венных антифрикционных покрытий для восстановления изношенных деталей узлов трения тракторов, автомобилей и сельхозмашин. Для чего необходимо 1. Изучение физико-механических свойств тонкослойных поликарбонатных покрытий; 2. Исследование режимов формирования, с целью определения условий получения качественных поликарбонатных покрытий с высокой сцепляемостью с металлическими подложками.