Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте

Подождите немного. Документ загружается.

Для изготовления прокладок используют такие материалы,

которые обладают упругостью, высокой прочностью на сжатие, в

ряде случаев температурной стойкостью, хорошей стойкостью

против воздействия масел, жидкостей и газов. Они должны быть

достаточно мягкими, чтобы при затяжке соединения с их помо

щью заполнялись неровности поверхности стыка, и достаточно

прочными, чтобы не разрушались при установке и снятии.

Уплотнительные материалы, из которых изготовляют сальни

ки, применяемые для вращающихся деталей, а также сальники и

манжеты для деталей, совершающих возвратно-поступательное

движение, не должны, кроме того, вызывать износа уплотняемой

поверхности и не должны быстро изнашиваться сами.

Наиболее часто прокладки изготовляют из бумаги, прокладоч

ного картона, пергамента, фибры, пробки, асбеста, войлока и

резины.

Уплотнения (набивки) сальников изготовляют из войлока,

асбеста, джута, пеньки, асбестовой ткани или парусины, пропи

танных резиной, антифрикционных металлических сплавов и др.

В ряде случаев мягкие набивки сальников обматывают металли

ческой фольгой или проволокой, пропитывают связующими ве

ществами и антифрикционными составами.

В качестве электроизоляционных материалов применяют такие

материалы, которые не проводят электрический ток или прово

дят его очень слабо. Они должны также обладать необходимой

механической прочностью, тепло- и влагостойкостью. Такими

материалами при изготовлении и ремонте приборов электрообо

рудования автомобилей являются пластмассы, резины, электро

изоляционные лаки, фибра и эбонит. Кроме того, для этих целей

используют изоляционную ленту, изоляционную бумагу, пресс

шпан, слюду, текстильные ленты, лакоткани и др.

РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И АВТОМОБИЛЬНЫЕ

ШИНЫ

ЧАСТЬ IV

Глава 17

РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

17.1. Резина

Многие автомобильные детали изготовляют из резины или из

композиций, основой которых является резина. Число наимено

ваний таких деталей на автомобиле превышает 500, а их масса в

общей массе автомобиля составляет более 5 % для легкового и

более 10 % для грузового автомобиля.

В ряде случаев резиновые детали выполняют очень ответствен

ные функции, влияющие на безопасность движения, надежность

работы, комфортабельность езды и другие эксплуатационные ка

чества автомобиля.

Благодаря высокой эластичности (упругости), способности

поглощать вибрации и ударные нагрузки, низкой теплопроводно

сти и звукопроводности, хорошей механической прочности, вы

сокому сопротивлению истиранию, растяжимости, хорошей

электроизоляционное™, газо- и водонепроницаемости, устойчи

вости к действию многих агрессивных сред, легкости, невысокой

стоимости и другим свойствам резина в ряде случаев является

незаменимым материалом для автомобильных деталей.

Такое сочетание перечисленных качеств характерно только для

резины и делает ее уникальным материалом, в котором наиболее

ценится высокая эластичность, т. е. способность восстанавливать

свою первоначальную форму после прекращения действия сил,

вызывавших деформацию.

Резины используют для изготовления опор двигателя, шлан

гов в системах охлаждения, питания, смазки, отопления, венти

ляции, а также ремней привода вентилятора, генератора, комп

рессора и водяного насоса, уплотнителей кузова и кабин, втулок

рессор и других деталей подвески, манжет, шлангов, чехлов, диа

фрагм тормозной системы, деталей пневматической подвески,

шумоизолирующих элементов передней и задней подвесок, огра

ничителей хода подвески, амортизирующих прокладок и втулок,

261

колесных грязевых щитков, ковриков для пола кабины и кузова

и др. Однако главное применение резины на автомобиле связано с

изготовлением шин.

Использование в конструкции автомобиля резиновых деталей

позволило улучшить его эксплуатационные качества и, в частно

сти, уменьшить собственную массу, снизить уровень шума, про

никающего в кузов автомобиля, повысить скорость движения,

улучшить комфортность езды.

Применение резиновых уплотнителей деталей позволяет также

упростить и удешевить производство автомобилей, так как позво

ляет изготовлять и собирать детали кузовов и кабин с менее жест

кими допусками.

Резину получают вулканизацией резиновой смеси. В состав рези

новой смеси входят следующие ингредиенты: каучук, вулканизи

рующие агенты, ускорители вулканизации, активаторы, проти-

востарители, активные наполнители или усилители, неактивные

наполнители, красители, мягчители, ингредиенты специального

назначения. В зависимости от назначения состав резины может не

включать в себя все перечисленные ингредиенты, но содержание

каучука и вулканизирующего агента обязательно.

Каучук является основой резиновой смеси и определяет каче

ство резины. В шинных резиновых смесях содержание каучука со

ставляет примерно 50... 60 мае. %. Шинные заводы используют бо

лее 60 % производимого в стране каучука. Каучук подразделяется

на натуральный (НК) и синтетический (СК).

Натуральный каучук добывают главным образом из млечного

сока (латекса) каучуконосного дерева гевеи бразильской, в кото

ром его содержится до 40 %. Известны также каучуконосные рас

тения (кок-сагыз, тау-сагыз), содержащие латекс (млечный сок)

в корнях.

Для выделения каучука латекс обрабатывают уксусной или дру

гой малодиссоциирующей кислотой, под действием которой час

тицы каучука коагулируют (латекс, образуя гель, свертывается) и

легко отделяются, затем рыхлый сгусток промывают водой, про

катывают в листы, сушат и часто коптят дымом для устойчивости

против окисления и действия микроорганизмов.

В химическом отношении натуральный каучук — это в основ

ном (91... 96%) полимер непредельного углеводорода изопрена

сн2=с-сн=сн2,

СН3

т. е. является природным высокомолекулярным соединением

лС5Н8 ->• (С5Н8)„.

каучук каучук (полиизопрен)

262

Молекула НК состоит из тысяч звеньев

изопрена и, что особо важно, они одина

ково построены и регулярно расположены

по всей полимерной цепи. Отношение дли

ны молекулы к ее поперечному сечению

более 20 ООО, а средняя молекулярная мас

са каучука составляет 1,4...2,6 млн ед.

Молекулы каучука имеют линейную

структуру, представляют собой длинные

нити, изогнутые, перепутанные, скрученные

в клубки, и концы их сближены (рис. 17.1).

Молекулу каучука сравнивают с круглой Рис. 17.1. Схема молеку

незамкнутой пружиной, в случае разведе- лы каучука

ния ее концов она стремится сохранить

прежние форму и размеры. При растяжении каучука его молекулы

распрямляются, ориентируясь в направлении растягивающего уси

лия, а при снятии нагрузки под действием внутреннего теплового

движения возвращаются в прежнее состояние.

При критической нагрузке происходит разрыв вследствие смеще

ния молекул одной относительно другой. Высокая эластичность на

турального каучука обусловлена характерным строением его моле

кул, их регулярностью и влиянием сил межмолекулярного действия.

Каучук легко вступает в химические реакции с кислородом,

водородом, галогенами, серой и другими элементами из-за его

непредельной химической природы. Так, уже при комнатной тем

пературе молекулы кислорода, и особенно озона, внедряясь в

молекулы каучука, разрывают их на более мелкие, а каучук, раз

рушаясь, становится хрупким и теряет свои ценные свойства.

Как аморфное тело каучук может находиться в высокоэластич

ном, вязкотекучем и стеклообразном состояниях. Помимо высо

кой эластичности натуральный каучук обладает достаточными

прочностью, клейкостью, малым теплообразованием и другими

полезными техническими свойствами. Каучук является материа

лом для крупномасштабного производства резинотехнических из

делий. Однако уже в конце 1920 гг. во всем мире, и прежде всего в

странах, где отсутствовали источники натурального каучука, воз

никла необходимость в его замене синтетическим продуктом. При

чин здесь несколько: дефицитность, дороговизна, зависимость от

импорта натурального каучука.

В 1932 г. в нашей стране впервые в мире был получен синтети

ческий каучук в промышленных условиях по методу, предложен

ному академиком С. В. Лебедевым. Германия разрешила эту задачу

только в 1938 г., а США — в 1942 г.

В настоящее время натуральный каучук имеет ограниченное

применение, и в основном используется синтетический каучук. Его

доля, например, в шинном производстве составляет около 85 %,

263

из года в год она возрастает. Из натурального каучука чаще всего

изготовляют только отдельные детали шин или же он использует

ся в качестве добавки к резиновой смеси.

Первый в мире промышленный синтетический каучук — на-

трийбутадиеновый (СКБ) изготовлялся на базе этанола (этилового

спирта), полученного из пищевых крахмалосодержащих продуктов.

Натрийбутадиеновый каучук обладает малой клейкостью, по

ниженной эластичностью, невысокими прочностью и морозостой

костью.

Отечественная химическая промышленность производит десятки

разновидностей синтетических каучуков, используя для этого в

основном самое экономичное сырье — попутные нефтяные газы

и газы крекинга.

Это позволяет получать каучуки невысокой стоимости, так как

затраты на сырье и вспомогательные материалы при производстве

каучука составляют 65 % их себестоимости.

Выпускаемые разновидности синтетических каучуков отличаются

механической прочностью, химической стойкостью, износостой

костью, газонепроницаемостью, термостойкостью и другими свой

ствами. По каждому из этих свойств некоторые синтетические кау

чуки превосходят натуральный, но длительное время уступали ему

в эластичности. В то же время от эластичности зависят величина

межмолекулярного трения в резине при деформациях и степень ее

нагрева, что очень важно для шинных резин.

Бутадиен-метилстирольный (СКМС) и бутадиен-стиролъный

(СКС) каучуки превосходят натуральный по износостойкости,

сопротивлению тепловому, озонному и естественному старению,

паро- и водонепроницаемости. Они в то же время уступают нату

ральному по эластическим свойствам, теплостойкости, клейко

сти и морозостойкости.

Важной вехой в производстве синтетических каучуков явилось

освоение промышленностью синтеза стереорегулярных изопрено-

вых (СКИ-3) и бутадиеновых (СКД) каучуков. Для получения

стереорегулярных каучуков применяют особо химически чистые ис

ходные продукты и специально подобранные катализаторы. Промыш

ленный выпуск этих каучуков начат соответственно в 1964 и 1965 гг.

Каучук СКИ-3 имеет молекулярную структуру, аналогичную

натуральному каучуку, и весьма близок к нему по комплексу

свойств. Он обладает хорошими технологическими свойствами, в

том числе высокой клейкостью. Каучук СКИ-3 используется вза

мен натурального, из него, например, изготовляют брекерные

резины всех типов шин.

Каучук СКД не уступает натуральному по эластичности и пре

восходит его по сопротивлению истиранию. Он обладает низким

коэффициентом механических потерь и низким теплообразова

нием, хорошей тепло- и морозостойкостью. Эти качества весьма

264

ценны при его применении в производстве шин, в том числе мо-

розо- и теплостойких. Механическая прочность каучука СКД не

сколько ниже по сравнению с натуральным.

Основная особенность каучука СКД состоит в низкой клейко

сти. С учетом этого при производстве шин применяют смесь кау-

чуков СКД с СКИ-3, а также СКД с СКС и СКД с СКМС. Ис

пользование стереорегулярных каучуков СКД и СКИ-3 позволяет

увеличить срок службы шин на 20...30%. Присутствие износо

стойкого каучука СКД особо благоприятно сказывается в протек

торной резине, где в зависимости от его содержания (до 40... 50 %)

удается увеличить износостойкость соответственно на 30...40 % по

сравнению с натуральным каучуком. Характеристика прочност

ных, эластических и износостойких свойств некоторых каучуков

приведена для наглядности в виде графика на рис. 17.2.

Кроме указанных каучуков общего назначения, при производ

стве шин и резиновых деталей используют другие каучуки, так

называемые каучуки специального назначения.

Бутилкаучук отличается высокой газонепроницаемостью и устой

чивостью к действию кислорода, озона и других агрессивных сред.

Его используют для изготовления камер и герметизирующего слоя

бескамерных шин.

Хлоропреновый каучук (наирит) и бутадиен-нитрилъный (СКН)

характеризуются повышенной маслобензостойкостью. Из них из-

Эластичность

100

и и

Прочность Износостойкость

100

70 80

U О

100

115

и и

Рис. 17.2. Характеристика свойств натурального и синтетического каучу

ков:

НК — натуральный каучук; СКИ-3 — синтетический изопреновый; СКД — син

тетический дивинил овый; СКМС — синтетический бутадиен-метил стирольный

265

готовляют детали, работающие в контакте с маслами, топливами и

другими растворителями, как, например, шланги системы смазки,

манжеты и поршни гидравлического тормозного привода и др.

Силоксановые (кремнийорганические) каучуки (СКТ) обладают

высокой температурной стойкостью, а также озоностойкостью.

Изделия из них можно применять при температурах в интервале

от -90 до +300 °С.

Выпускаются также морозостойкие каучуки, как, например,

бутадиен-метил стирольный СКМС-10, превосходящие по этому

показателю натуральный каучук.

Однако ни натуральный, ни синтетический каучуки не обла

дают теми техническими качествами, которые требуются от рези

ны. Каучук при понижении температуры становится хрупким, а

при нагреве теряет эластичность и превращается в пластичный,

непрочный, легкорастворимый в нефтепродуктах материал. По

этому каучук смешивается с другими ингредиентами и подвер

гается вулканизации, в результате которой приобретает свойства

эластичности, прочности, нерастворимости в нефтепродуктах,

температурную стойкость, износостойкость и другие ценные свой

ства.

Основным вулканизирующим агентом для шинных резин слу

жит сера. Ее содержание в резиновой смеси (4... 15%) зависит от

массы каучука. При взаимодействии каучука с серой происходит

образование дисульфидных связей между макромолекулами кау

чука по месту разрыва двойных связей («сшивание» линейных

макромолекул). Процесс вулканизации при помощи серы заклю

чается в нагреве резиновой смеси до определенной температуры и

выдержке ее при этой температуре в течение времени, достаточ

ного для того, чтобы атомы серы соединили в некоторых местах

двойные связи молекулы каучука, образовав резину — материал с

пространственной структурой молекул, обладающий новыми свой

ствами, отличающимися от свойств каучука. Установлено, что при

вулканизации происходят и некоторые другие реакции каучука с

ингредиентами и кислородом воздуха.

Сера взаимодействует только с каучуками, представляющими

собой ненасыщенные полимеры, к которым относятся натураль

ный и все синтетические каучуки, полученные на базе диеновых

(диолефиновых) углеводородов. От содержания серы зависит твер

дость резины. При содержании серы 40...60% массы каучука он

превращается в эбонит — высокотвердый материал, поддающий

ся механической обработке резанием.

Поперечные химические связи между молекулами каучука мо

гут быть как за счет серы, так и кислорода или валентных хими

ческих связей атомов углерода отдельных цепей.

Для вулканизации некоторых каучуков используются фенол-

формальдегидные смолы, оксиды металлов, пероксид бензоила

266

и др. Известны каучуки (натрийди-

виниловый, наирит и др.), вулкани

зирующиеся при нагреве без вулка

низирующего агента. Схема строения

вулканизированного каучука показа

на на рис. 17.3.

Вулканизация резиновой смеси

протекает в течение определенного

времени и может осуществляться в

широком диапазоне температур, на

чиная от нормальной. Скорость вул

канизации зависит от состава рези

новой смеси и температуры. При по

вышении температуры на каждые Рис. 17.3. Схема строения вул-

10 °С скорость вулканизации возрас- канизированного каучука

тает примерно в 2 раза.

Для каждой резиновой смеси устанавливаются оптимальные

температура и время вулканизации с учетом оптимума вулканиза

ции и плато вулканизации (рис. 17.4). Температура вулканизации

должна быть выше температуры плавления серы и ниже темпера

туры плавления каучука. Для шинных резин она обычно равна

130... 140 °С.

Оптимумом вулканизации называется наименьшая продолжитель

ность вулканизации, обеспечивающая при прочих равных условиях

(температура, состав резиновой смеси) сочетание наилучших фи

зико-химических и механических свойств вулканизата (резины).

Плато вулканизации — это продолжительность периода вулка

низации, когда незначительно изменяются высокие физико-хи

мические и механическое свойства вулканизата, достигнутые при

оптимуме вулканизации.

Различные физико-химические и механические свойства ре

зин разного состава в процессе вулканизации изменяются по ин

дивидуальным закономерностям, и достижение их максимальных

значений не совпадает по времени. Оптимум вулканизации оп-

Рис. 17.4. Зависимость предела прочнос

ти при растяжении az от продолжитель

ности вулканизации т:

1 — натуральный каучук; 2 — синтетичес

кий каучук; 3 — плато вулканизации синте

тического каучука; 4 — то же, натурального

каучука; т, — оптимальное время вулкани

зации натурального каучука; т2 — то же, син

тетического каучука

т2 X! т

267

ределяется по наиболее важным свойствам, чаще всего по изме

нению предела прочности при растяжении вулканизата.

Оптимум вулканизации и плато вулканизации зависят от темпе

ратуры вулканизации и состава резины. Стремятся получать резины

по возможности с меньшим оптимумом вулканизации и большим

плато вулканизации. Первое позволяет сократить время вулкани

зации, второе — избежать перевулканизации наружных и недо-

вулканизации внутренних частей вулканизируемых толстостенных

резиновых изделий вследствие низкой теплопроводности резины

и поэтому неравномерного нагревания. Практически вулканиза

цию прекращают несколько раньше оптимального времени, что

повышает сопротивление изделий старению.

Другие (кроме каучука и серы) ингредиенты резиновой смеси

выполняют следующие функции:

• ускорители вулканизации — сокращают время вулканизации,

повышают физико-механические свойства и сопротивление ста

рению резины. Ими служат альтакс, каптакс, тиурам и некоторые

другие, чаще всего органические соединения, их содержание со

ставляет 1... 2 % массы каучука. От характера ускорителей зависит

также температура вулканизации;

• активаторы вулканизации — активизируют действие ускори

телей вулканизации и, кроме того, повышают предел прочности

при растяжении и сопротивлении раздиру. В виде активаторов ис

пользуют оксиды некоторых металлов, главным образом, оксид

цинка (цинковые белила). Их содержание до 5 % массы каучука.

Оксид цинка повышает также теплопроводность резины;

• активные наполнители (усилители) — служат для улучшения

свойств резины. Основным усилителем шинных резин является

сажа, повышающая прочность резины при растяжении, твердость

и изностойкость. Сажа повышает предел прочности при растяже

нии резин на основе большинства синтетических каучуков в не

сколько раз (до 10) и резин на основе натурального каучука на

20... 30 %. В то же время сажа понижает эластичность резины, ухуд

шает ее обрабатываемость. Сажу получают в результате неполного

сгорания нефтепродуктов, природного газа. Содержание сажи в

протекторной резине иногда превышает 50 мае. % содержания ка

учука. В материале покрышки содержание сажи составляет около

25 мае. %. Например, в резине покрышки грузового автомобиля

массой 48 кг содержится 13 кг сажи. Используемые виды сажи

различаются между собой размером частиц, развитостью и шеро

ховатостью поверхности, химической природой поверхности. Луч

ший вид сажи для протекторных резин — высокодисперсные, а

для брекерных и каркасных — низкодисперсные. Кроме углерод

ных саж в качестве усилителей используются светлые наполните

ли: белая сажа (кремнезем), оксид магния, оксид цинка, угле

кислая магнезия, каолин (белая фарфоровая глина);

268

• неактивные наполнители, например, отмученный мел, асбесто

вую муку (их содержание 30...40% массы каучука) вводят в состав

резины для увеличения объема резиновой смеси и ее удешевле

ния без заметного ухудшения основных технических свойств;

• противостарители добавляют к резиновым смесям (1...2%

массы каучука) для замедления протекания процесса «старения»

резины, т.е. замедления ухудшения ее физико-механических

свойств под действием кислорода воздуха. Старению способству

ют нагрев, действие солнечных лучей и многократные изгибы при

работе. При старении резины на ее поверхности образуются тре

щины, она становится хрупкой и менее прочной, легче истирает

ся. Старение уменьшает срок службы резиновых деталей, поэтому

повышение сопротивления старению имеет важное значение для

сокращения затрат на эксплуатацию резиновых деталей. Это прежде

всего касается автомобильных шин, которые, во-первых, работа

ют в условиях действия всех факторов, ускоряющих старение, и,

во-вторых, являются дорогостоящими изделиями;

• мягчители, или пластификаторы, — способствуют лучшему

смешиванию составных частей резиновых смесей, прежде всего

активных и неактивных наполнителей, и делают резиновую смесь

более пластичной. Они облегчают приготовление и обработку ре

зиновой смеси. Однако их действие часто выходит за указанные

пределы. Так, мягчители обычно уменьшают теплообразование,

повышают относительное удлинение, морозостойкость, усталост

ную выносливость, понижают твердость, повышают или пони

жают клейкость и др. Проявляются эти свойства у разных мягчите-

лей по-разному, в большинстве случаев в качестве мягчителей

применяют смеси ряда органических веществ, представляющих

собой продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафин,

церезин, минеральные масла), каменноугольные смолы, продук

ты растительного происхождения (растительные масла, канифоль,

сосновая смола), жирные кислоты (стеариновая кислота, олеи

новая кислота), синтетические продукты (полидиены, сложные

эфиры). Важно, чтобы введенный в резиновую смесь мягчитель не

«выпотевал» на поверхность резиновой детали, т.е. не ухудшал

при этом технических свойств резины. Содержание мягчителей в

резиновой смеси колеблется в широких пределах — от 2 до 30 %

массы каучука. При высоком содержании мягчителя он может быть

одновременно и наполнителем. В ряде случаев за счет мягчителей

снижают стоимость резины;

• регенерат (специально обработанная резина из утильных по

крышек, камер и других изделий) — применяют для частичной

замены каучука. Использование регенерата позволяет снизить стои

мость резиновых изделий, и прежде всего тех, к которым предъяв

ляются не слишком высокие технические требования — ободные

ленты, коврики и др.;

269