Понятно, что основным критерием при выборе материала подшипника являются затраты энергии (А) на трение:

А = Pv? ,

где Р – нормально приложенное к трущейся поверхности напряжение (МН/м²), v – относительная скорость движения поверхностей (м/с), ? – коэффициент трения.

Поэтому одним из наиболее важных требований является низкий коэффициент трения. Для материалов подшипников коэффициент трения не должен превышать 0,2.

Не менее важной характеристикой материала узла трения является высокая стойкость к абразивному износу – износостойкость. Износостойкость – это потеря материала с трущихся поверхностей. Она измеряется объемом V потерянного материала на единицу затраченной на истирание энергии (V/Pv?, см²/Н). Иногда ее измеряют глубиной истирания материала в единицу времени (мкм/ч) при определенных значениях Р и V, но эта величина менее строго учитывает все условия испытания. Основной характеристикой, определяющей износостойкость материала, является предел текучести материала при сдвиге ?_т. Установлено, что сдвиговое напряжение ? = P? в зоне контакта не должно превышать предела текучести материала при сдвиге.

Узлы трения работают при очень высоких механических нагрузках. Вместе с тем они должны при этом сохранять свои форму и размеры. Поэтому для материалов подшипников крайне важны высокий модуль упругости Е и твердость Н.

Как уже отмечалось, при работе узла трения в нем выделяется энергия А в виде тепла, и узел может существенно разогреваться. Поэтому при работе узла трения требуется отвод тепла от зоны контакта. Для этого материал должен обладать высокой теплопроводностью и высокой температурой размягчения. Материалы с низкой температурой размягчения работают в узлах трения очень неустойчиво.

Итак, основными требованиями к материалу узла трения являются:

- низкий коэффициент трения (скольжения) ? не более 0,2;

- высокая износостойкость (износ не более 0,02 см²/Н);

- высокий предел текучести при сдвиге ?_т;

- высокая твердость (модуль упругости);

- высокая теплопроводность;

- высокая температура размягчения.

Оценим основные из этих характеристик у полимеров (табл.).

Как видно, удовлетворительным коэффициентом трения обладает только политетрафторэтилен (ПТФЭ). Это обусловлено тем, что на поверхности ПТФЭ при трении образуется тонкая пленка полимера с высокоориентированными в направлении трения макромолекулами. Эти макромолекулы из-за низкого межмолекулярного взаимодействия ПТФЭ легко скользят относительно друг друга и обеспечивают низкий коэффициент его трения о твердую поверхность.

Однако по износостойкости ПТФЭ не пригоден для изготовления узлов трения, как не пригоден ни один из полимеров. Кроме того, все полимеры обладают очень низкой теплопроводностью. Поэтому очевидна необходимость в модификации свойств полимеров для возможности их использования в узлах трения.

Таблица

Коэффициент трения и скорость износа полимеров

(Износ о низкоуглеродистую сталь при нагрузке 12 Н/см²)