Применение полимеров и пластических масс в машиностроении

Особенностями пластмасс являются малая плотность (1000...2000 кг/м3), низкая теплопроводность (0,1...0,3 Вт/м • К). Они обладают хорошими электро-, тепло-, звукоизоляционными свойствами, что определяет использование пластмасс как специальных (функциональных) материалов – диэлектриков, теплоизоляционных материалов, плавучих средств и др.

Механические свойства пластмасс значительно ниже, чем у металлических материалов, при длительных нагружениях может проявляться ползучесть; кроме того, они подвержены старению. Это не позволяет использовать пластмассы для ответственных, нагруженных деталей. В основном они применяются для вспомогательных деталей – рукоятки, панели и т.д. Помимо рассмотренных случаев пластмассы и резины широко используют для изготовления пленочных материалов в упаковочных технологиях, трубопроводов, уплотнительных прокладок и т.п.

Вместе с тем ряд особенностей пластмасс определяет их применение в машиностроении для изготовления деталей, обеспечивающих работоспособность оборудования. Это трибологические (антифрикционные и фрикционные), а также виброгасящие свойства, определяемые малым модулем упругости. Для остекления транспортных средств широко используют безопасное органическое стекло (оргстекло).

Антифрикционные пластмассы

В качестве антифрикционных материалов используются как термореактивные, так и термопластичные пластмассы. Это текстолит и ДСП (термореактивные), капрон, фторопласт (термопластичные) и др. Отличительной особенностью этих материалов является сохранение работоспособности при отсутствии смазки, а также при попадании воды в зону трения. В таких условиях они изнашиваются значительно медленнее, чем бронза – традиционный антифрикционный металлический сплав. Так, если при трении без смазки принять скорость изнашивания капрона за 1, то для текстолита эта величина составит 1,6, а для бронзы – 11,5. Металлические контртела (стальные колонки, валы и т.п.), сопряженные в узлах трения с деталями из пластмасс, изнашиваются значительно меньше, чем в бронзовых или баббитовых подшипниках.

Однако применение антифрикционных пластиков ограниченно: они работоспособны лишь в малонагружснных узлах трения. Из-за низких механических свойств недопустимы высокие давления. Вследствие низкой теплостойкости (см. рабочую температуру в табл. 12.3) недопустимы высокие температуры и тем самым скорости относительного перемещения деталей узла трения. Выход из строя полимерных подшипников обычно связан с повышением температуры на поверхностях трения, при этом реактопласты обугливаются, а термопласты оплавляются и текут; допустимая температура эксплуатации не более 80 °С.

Наиболее высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт-4. Коэффициент трения в нарах со сталью и чугуном у фторопласта в несколько раз ниже, чем у бронз и цинковых сплавов. Так, в паре трения с чугуном СЧ20 при скорости скольжения 20 мм/мин коэффициенты трения составляют: для бронзы БрОЦСб-6-3 – 0,19, для цинкового сплава ЦАМ10-5 – 0,15, а для фторопласта-4 – 0,04.

Важной особенностью фторопласта является равенство коэффициентов трения покоя и трения движения (табл. 12.4). Это свойство обеспечивает отсутствие скачка в начале движения (антискачковость). Скачок – резкое перемещение в начале движения – не позволяет осуществлять перемещения на малые расстояния; движущаяся деталь "проскакивает" – перемещается на расстояние, большее необходимого. Скачок возникает в случае, если коэффициент трения покоя больше коэффициента трения движения. Тогда для начала движения подвижной детали (трогания с места) необходимо приложить усилие большее, чем требуется для ее перемещения.

Фторопласт-4 обладает достаточно высокой теплостойкостью и стабильностью свойств при повышении температуры, но из-за невысокой прочности и хладотекучести его применение в чистом виде возможно лишь в мало- нагруженных узлах трения. В промышленности применяют наполненные материалы на основе фторопласта-4: Ф4К20 и Ф4К15М5 (К – кокс, М – Mo2S).

Материалы на основе фторопласта и текстолит используют для направляющих скольжения. Фторопласт, капрон и ряд других полимерных материалов применяют для изготовления подшипников скольжения. Применяются также комбинированные металлопластиковые подшипники, выдерживающие большие нагрузки.

Таблица 12.4

Коэффициент трения скольжения в зависимости от длительности неподвижного контакта и скорости перемещения

(материал контртела – чугун СЧ20; смазка – масло индустриальное 45)

Материал пары трения	Коэффициент трения покоя при продолжительности неподвижного контакта, с			Коэффициент трения движения в зависимости от скорости перемещения, мм/мин
	600	60	2	10	50	100	200	300
Чугун СЧ20	0,31	0,30	0,29	0,24	0,19	0,17	0,13	0,08
БрОЦС 6-6-3	0,20	0,20	0,20	0,19	0,18	0,16	0,12	0,08
ЦАМ10-5	0,20	0,19	0,18	0,17	0,15	0,10	0,05	0,02
Фторо- пласт-4	0,05	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04