Сравнительные испытания материалов серии М и СМВ с классическими пластиками в составе подшипников скольжения

1. Задача: должен быть выбран правильный подшипник скольжения из пластика

В отличие от того, что было ещё несколько лет назад, сегодня всё реже встаёт вопрос о том, стоит ли заменить подшипник скольжения из металла на изделие из пластика. Полимерные подшипники или подшипники на основе полимерных композитов уже давно утвердились практически во всех отраслях промышленности и в повседневной жизни.

Подшипники из пластика обеспечивают долговечность и высокое качество работы дверных петель в автомобилях, регулируют поток агрессивных химикатов в промышленной арматуре, а также применяются в опорах платформ самосвалов.

Скрытые риски: Даже среди подшипников скольжения из пластика существуют значительные различия по эксплуатационным характеристикам и стоимости. Более того, благодаря многочисленным возможностям комбинирования компонентов разнообразие полимерных материалов значительно превосходит аналогичное среди других конструкционных материалов.

Особенно в случае подшипников скольжения простого сравнения параметров по техническим данным недостаточно. Часто решающее значение имеет совокупность различных эксплуатационных показателей. Кроме того, необходим тщательный подбор решений с учётом постоянного давления на снижение затрат, требований к стандартизации и одновременно растущих требований к качеству.

В многообразии торговых и материальных обозначений, базовых полимеров, композитов и полимерных смесей (blends) легко потеряться—выбор подходящего материала может оказаться непростой задачей.

В этом whitepaper мы покажем вам, в чём заключаются различия между наиболее распространёнными типами пластиков, как эти различия влияют на износостойкость и как, несмотря на всю сложность, быстро и правильно подобрать наиболее подходящий для ваших задач подшипник скольжения COMPALS CMB®.

2. Классификация: технические полимеры для подшипников скольжения

Группа полимерных материалов не менее разнообразна, чем металлы. Пластики состоят из соединённых между собой молекул — так называемых макромолекул или полимеров. Как именно эти молекулы связаны между собой, а также из каких компонентов они построены, напрямую определяет свойства материала.

В зависимости от физических характеристик полимеры делятся на три основные группы: термопласты, реактопласты (дуропласты), эластомеры.

Для подшипников скольжения применяются в основном термопласты и реактопласты. Причина в том, что эластомеры, как следует из названия, обладают высокой эластичностью, что делает их менее пригодными для использования в опорах, где требуется жёсткость и стабильность формы. Термопласты и реактопласты, напротив, обладают формостабильностью. Их главное отличие заключается в следующем: реактопласты после отверждения (под действием тепла, ультрафиолета или химических агентов) больше не поддаются термическому размягчению и повторной формовке; термопласты, напротив, можно многократно расплавлять и формовать без потери ключевых свойств.

Яркий пример реактопласта — эпоксидная смола. Типичные термопласты — это, например, PE (полиэтилен), и PC (поликарбонат).

Хотя для подшипников скольжения подходят оба типа — термопласты и реактопласты, — на практике чаще используются термопласты. Одна из причин — более простая переработка: материал в виде гранулята можно расплавить и методом литья под давлением или литья в форму получить детали практически любой геометрии.

Кроме того, в процессе переработки в гранулят можно добавлять самые разные модифицирующие компоненты, чтобы улучшить эксплуатационные свойства готовой детали. Например: стекловолокно или углеволокно повышают механическую прочность; твердые смазки (например, дисульфид молибдена или графит) улучшают антифрикционные свойства; антипирены повышают огнестойкость; модификаторы трения снижают коэффициент трения и износ.

2.1 Термопластичные полимеры

Термопласты и реактопласты, в свою очередь, подразделяются на различные группы материалов, каждая из которых обладает своими характерными свойствами.

Учитывая более широкое распространение термопластов в области подшипников скольжения, в данном документе мы сосредоточимся именно на них.

Как правило, термопласты представляют в виде пирамиды, вершину которой занимают сравнительно дорогие высокопроизводительные полимеры. Основу пирамиды составляют широко распространённые и более доступные по цене стандартные термопласты. Дополнительно термопласты подразделяются на полукристаллические и аморфные материалы. Упрощённо эту разницу можно охарактеризовать как «ударопрочные» и «твёрдые» или «хрупкие» соответственно.

В целом, стандартные термопласты для подшипников скольжения применяются редко — требования к материалам в таких узлах слишком высоки. Ключевыми критериями являются стойкость к повышенным температурам и агрессивным химическим средам. Особенно важна теплостойкость: в случае подшипников скольжения решающим фактором является не температура начала плавления материала, а способность сохранять необходимую твёрдость и ударопрочность вплоть до предельно допустимой рабочей температуры. Именно поэтому подшипники из полиэфирэфиркетона (PEEK) применяются в условиях высоких температур — свыше 200 °C. В то же время, в узлах с низкой тепловой нагрузкой подшипники чаще изготавливают из полиоксиметилена (POM) или полиамида 66 (PA 66).

2.2 Типичные термопласты для подшипников

PA66 и POM — наиболее распространённые материалы для подшипников скольжения. Причина проста: благодаря своим эксплуатационным свойствам они подходят для множества различных применений. Однако в условиях повышенных требований к узлу эти материалы зачастую не справляются.

POM легко поддаётся переработке и механической обработке, что делает его универсальным решением. Он отличается низким износом и высокой формостабильностью. Однако его применение ограничено температурой до примерно 100 °C. При высоких нагрузках и температурах материал быстро достигает своих пределов. В то же время POM обладает относительно низкой ползучестью и стоит сравнительно недорого, что делает его привлекательным в ряде стандартных решений.

В определённых условиях POM может выделять небольшие количества формальдегида — ядовитого вещества, вредного для здоровья. Это создаёт проблемы при использовании подшипников из POM в закрытых, плохо вентилируемых помещениях, где находятся люди. По этой причине POM не применяется в салонах автомобилей — выделения могут представлять опасность для пассажиров или вызывать неприятный запах.

PA66 (полиамид 66) часто модифицируют добавлением стекловолокна или углеволокна, что значительно повышает его прочность и жёсткость. Благодаря этому он выдерживает значительно более высокие нагрузки, чем POM, и обладает лучшей термостойкостью.

Недостаток: механическая обработка и производство крупногабаритных деталей из PA66 — сложный процесс. Тем не менее, материал остаётся сравнительно недорогим, поэтому широко и охотно используется. Свои преимущества PA66 проявляет в высокой износостойкости, хороших антифрикционных свойствах и высокой механической прочности.

PEEK относится к числу высокотехнологичных материалов, таких как PPS, PPS-U и PAI, которые применяются в особо ответственных узлах. Он активно используется в подшипниках скольжения, поскольку допускает эксплуатацию при температурах свыше 200 °C.

Кроме того, PEEK отличается: высокой химической стойкостью, отличными механическими характеристиками, хорошими трибологическими свойствами.

Единственный серьёзный недостаток — высокая стоимость: цена материала примерно в 20 раз выше, чем у POM или PA66. Поэтому PEEK применяется в особо сложных условиях: при высоких температурах, в агрессивных средах или там, где затруднительно защитить металлические подшипники от коррозии и недостаточной смазки.

2.3 Сравнение полимеров для подшипников скольжения

 2.4 Полимеры COMPALS CMB®

— это так называемые полимерные композиты. Благодаря смешиванию определённых базовых полимеров (таких как PEEK, PA66, POM и др.) с наполнителями и модифицирующими добавками, каждый материал серии COMPALS CMB® может быть оптимизирован под самые разные условия эксплуатации. Базовые полимеры играют ключевую роль в обеспечении износостойкости материалов COMPALS CMB®. Они создают прочную матрицу, предотвращающую чрезмерное сжатие твёрдых смазок под высоким удельным давлением.

Полимерный композит COMPALS CMB®. (CMB –COMPOSITE MATERIAL FOR BEARING) базовый материал + сухая смазка + волоконный наполнитель, увеличение х200

Волокна и наполнители повышают прочность композита, позволяя подшипникам выдерживать высокие нагрузки, включая краевые и ударные, а также применяться в узлах с длительным циклом работы.

Однако некоторые наполнители могут оказывать и негативное влияние — например, увеличивать склонность к поглощению влаги в зависимости от типа используемого волокна.

Твёрдые смазки обеспечивают самосмазывание деталей из материалов COMPALS CMB®. Благодаря им коэффициент трения остаётся низким даже в условиях сухого трения и отсутствия внешней смазки. Эти смазки равномерно распределены по всему объёму материала в виде микроскопических частиц — их количество составляет миллионы на кубический миллиметр.

Благодаря непрерывным исследованиям и разработкам, а также всесторонним испытаниям в собственной испытательной лаборатории, компания COMPALS создала широкую линейку — более 60 различных материалов COMPALS CMB®.

Хотя все они в основе своей основаны на относительно небольшом числе базовых полимеров, эксплуатационные характеристики, особенно по износу, могут значительно различаться — в зависимости от состава, наполнителей и области применения.

3. Износостойкость различных полимеров по сравнению с COMPALS CMB®

Прежде всего, требования к подшипнику скольжения должны быть максимально детально определены. От полноты и точности этих данных зависит не только общая пригодность выбранного материала для конкретного применения.

Часто оказывается, что в рамках заданных условий многие высокопроизводительные полимеры в принципе подходят для данной задачи. Однако в условиях постоянного давления на снижение затрат и стремления к стандартизации излишнее резервирование по нагрузке и функционалу необходимо исключать.

3.1 Методы испытаний — теория и практика

В трибологии — науке о трении и износе — испытания на износ часто проводят по методу «штифт по диску» (Pin-on-Disk). В этом случае диск, изготовленный из исследуемого подшипникового материала, вращается, а по его поверхности скользит неподвижный штифт, выполненный из контртела — например, из стали (моделируя стальную валовую поверхность). После завершения испытания измеряется объём или масса износа.

По нашему мнению, основной недостаток этого стандартизированного метода — его слабая приближённость к реальным условиям эксплуатации. На практике на узел действуют сложные профили нагрузки и движения, а геометрия подшипника существенно отличается от плоского диска.

Для максимально реалистичного моделирования работы подшипникового узла компания Приводная Техника, COMPALS использует собственные стандартизированные методики испытаний.

Уже на протяжении десятилетий более чем в 10 000 испытаний в год подшипники из различных материалов устанавливаются с натягом в посадочные отверстия и тестируются в сочетании с валами из разных материалов.

Испытания проводятся при: различных температурах, разной нагрузке, разных типах движения (вращательное, колебательное).

После завершения теста износ определяется по потере толщины стенки подшипника. Этот параметр напрямую влияет на увеличение зазора в узле и, как следствие, на ресурс подшипникового соединения — именно он является ключевым в реальных условиях эксплуатации.

В рамках настоящей серии испытаний для оценки износостойкости различных полимеров использовались два стандартных стенда:

 Стенд 1: Испытание на износ при вращательном движении

 Нагрузка на подшипниковый узел: от 100 Н до 1000 Н

 Скорость скольжения: от 100 до 1300 об/мин

 Диаметры валов: 6, 8, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20 мм

 Температурный диапазон: от комнатной температуры до 150°C

 Возможность проведения испытаний под водой

 Стенд 2: Испытание на износ при колебательном движении

 Нагрузка на подшипниковый узел: от 25 Н до 300 Н

 Скорость скольжения: 0,01 м/с (при диаметре вала 10 мм)

 Угол поворота: ±60°

 Диаметр вала: 10 мм

 Температура: комнатная

 Все материалы тестировались в одинаковых условиях и с одинаковыми контр-телами (валами), что обеспечивает  объективное и сопоставимое сравнение результатов.

3.2 COMPALS CMB13® против различных модификаций POM

Окончание срока службы определялось по достижению критического износа — потери толщины стенки 0,25 мм. В то время как две модификации POM без добавок и наполнителей вышли из строя уже через 7 и 46 часов, POM с 20 % добавки ПТФЭ показал ресурс 289 часов. Материал COMPALS CMB® 13, выбранный для сравнения, достиг срока службы 482 часа.

3.3 COMPALS CMB13® против других полимеров

В испытании с колебательным движением — типичным для подшипников скольжения (угол поворота ±60° в режиме длительной работы) — материалы PEEK, PA66, а также PA66 с углеволокном и добавкой ПТФЭ показали сравнительно близкие результаты. Наиболее высокие результаты продемонстрировали POM и тестируемый материал COMPALS CMB®13.

4. Заключение

Тестируемый материал COMPALS CMB® 13 показал наилучшие результаты в проведённых испытаниях. Хотя все протестированные материалы существенно превосходили требования, заданные условиями эксплуатации, их ресурс в качестве подшипников скольжения оказался существенно разным.

Технические паспорта материалов — это наиболее нейтральный и наглядный способ сравнения полимеров, особенно на фоне многообразия торговых наименований и составов полимерных композитов. Однако оценку соотношения «цена — эффективность» можно провести только с учётом результатов репрезентативных испытаний на износ.

Специализированные испытательные стенды требуют значительных затрат и времени на этапе разработки, а полевые испытания при новых конструкциях зачастую не дают достоверных данных. В этом контексте наличие у поставщика собственных испытательных возможностей и базы готовых тестовых данных представляет собой существенное конкурентное преимущество.

Только так можно уже на ранних стадиях проектирования выбрать оптимальный материал, избежав дополнительных расходов, связанных с последующими изменениями или необходимостью проведения дополнительных испытаний.