Характеристики и виды эластомеров в автомобилестроении

Кратко о статье — в обзорном подкасте

Современный автомобиль представляет собой высокотехнологичный комплекс взаимосвязанных систем: двигатель, трансмиссия, подвеска, рулевое управление, тормозная система и т.д. Бесперебойная работа каждого из этих узлов в условиях экстремальных нагрузок, перепадов температур и агрессивных сред была бы невозможна без применения эластомеров. Эта обширная группа полимерных материалов представлена в конструкции сотнями деталей: от маслосъемных колпачков и торцевых уплотнений валов до гасителей вибрации (сайлентблоков), армированных шлангов, опор силового агрегата и, конечно, шин. Каждый из этих компонентов создается из материала, свойства которого строго определены его функциональным назначением, местом установки и условиями эксплуатации.

Рассмотрим физико-механические свойства эластомеров

Комплекс физико-механических свойств характеризует полимер как функциональный инженерный материал, способный решать конкретные задачи. Эти свойства не являются независимыми – изменение одного из них неизбежно влечет за собой корректировку других. Поэтому при разработке рецептуры всегда ищется оптимальный баланс, диктуемый условиями работы будущего изделия.

Источник: zavod-rti.ru

Прочность на разрыв

Условная прочность при разрыве является основным показателем, определяющим максимальное механическое воздействие, которое материал способен выдержать в процессе растяжения до момента разрыва. Эта характеристика имеет первостепенное значение для деталей, работающих в условиях экстремальных переменных или постоянных нагрузок. Если же речь идет об условной прочности при конкретном проценте удлинения (например, 150%), то данный показатель (модуль упругости) будет показывать насколько легко или тяжело растянуть резину на данный процент. К ним относятся элементы подвески (шарниры, сайлентблоки), шины, приводные ремни и т.д. Для статичных уплотнительных элементов, таких как прокладки или уплотнительные кольца, прочность на разрыв часто является второстепенным параметром по сравнению со способностью сохранять эластичность после сжатия и восстанавливаться.

Удлинение

Максимальное удлинение количественно выражает способность материала к обратимому растяжению, то есть насколько он может растянуться относительно исходной длины до необратимого разрушения. Высокие показатели удлинения критически важны для изделий, которые в процессе установки в узел или во время работы подвергаются разовому или многократному растяжению или изгибу. Типичные примеры – уплотнительные кольца, гидроаккумуляторы, пневмоподушки, резиновые втулки, виброизоляторы, гибкие соединительные патрубки системы охлаждения или впуска и т.д.

Сопротивление разрастанию трещин

Сопротивление разрастанию трещин иначе еще можно назвать сопротивление раздиру. Данный показатель указывает на то, как сильно резина сопротивляется разрастанию трещин, надрезов, надрывов или других физических дефектов. В процессе эксплуатации резина подвергается как физическому воздействию, так и воздействию окружающей среды. Не редкостью является повреждение резиновой части узла или банальное старение в атмосферных условиях до появления трещин. Высокий показатель сопротивления раздиру гарантирует продолжительную работу узла, не взирая на дефекты резины. Это очень важный показатель для деталей подвески (шарниры, сайлентблоки), шин, приводных ремней, уплотнителей кузова и т.д.

Твердость

Твердость эластомера по Шору показывает способность материала сопротивляться вдавливанию. Она напрямую коррелирует с другими физическими свойствами. В зависимости от марки резины и назначения увеличение этого параметра может приводить к росту модуля упругости и прочности, но одновременно снижать эластичность, способность к демпфированию вибраций и увеличивать остаточную деформацию. Однако, такая закономерность прослеживается не для всех типов резин.

Остаточная деформация после сжатия

Остаточная деформация после сжатия показывает, насколько материал не восстанавливает свою первоначальную форму и толщину после длительного воздействия сжимающей нагрузки. Низкий процент остаточной деформации – залог долговечной герметичности соединения. Изначально высокие значения у выбранной резины могут привести к потере необходимого упругого восстановления уплотнителя, провисанию сальников, образованию зазоров и, как следствие, к утечкам жидкостей и газов. Низкие показатели остаточной деформации – одна из главных задач при разработке рецептур для уплотнительных материалов.

Старение и устойчивость к внешним факторам

Все эластомеры в процессе эксплуатации подвергаются старению. На него влияет комплекс факторов: термоокислительные процессы под действием высокой температуры и кислорода, озонное растрескивание, разрушительное воздействие ультрафиолета, контакт с агрессивными химическими средами (топливо, масла, кислоты, щелочи), динамическая усталость. Результат старения – изменение химической структуры полимера, которое проявляется в потере эластичности, увеличении хрупкости, растрескивании и, в конечном итоге, механическом разрушении детали.

Для замедления этих процессов в состав резиновых смесей входят специальные химические добавки – противостарители. К ним относятся: антиоксиданты, замедляющие окисление; антиозонанты, защищающие от озонного растрескивания, и парафиновые воски, которые создают предохраняющий барьер. Эффективность защиты зависит от точного выбора типа и концентрации этих веществ, которые подбираются технологами в зависимости от базового полимера и условий эксплуатации изделий.

Важные эксплуатационные характеристики

Эстетические свойства эластомеров, такие как глянец или цветостойкость, имеют второстепенное значение. Гораздо важнее набор функциональных эксплуатационных характеристик, напрямую влияющих на работоспособность изделия. Помимо выше перечисленных физико-механических характеристик, к ним также относятся:

• Скорость восстановления после деформации – эластичность. Это свойство определяет, как быстро деталь возвращает свою изначальную форму после снятия нагрузки. Высокая скорость восстановления важна для динамичных уплотнений, виброизоляторов и демпфирующих элементов, работающих в условиях циклических нагрузок.
• Гибкость. Характеризует способность материала изгибаться без разрушения, особенно при низких температурах. Достаточная гибкость необходима для шлангов, гофрированных оболочек, уплотнительных профилей и манжет, которые должны функционировать в широком температурном диапазоне.
• Газопроницаемость. Определяет степень, в которой материал пропускает через свою толщу газы, например, кислород, азот, пары топлива. Низкая газопроницаемость – главное требование для мембран, диафрагм, внутренних слоев шин и уплотнений топливных систем, где необходимо предотвратить утечку или проникновение газов.

Источник: zavod-rti.ru

Для подбора соответствующего материала критически важна информация о конкретных условиях работы, в которых будет находится резина. Опираясь на эти условия, можно выделить комплексы свойств резин, включающих:

• Масло- и бензостойкость – способность сохранять свойства при взаимодействии с минеральными, синтетическими маслами и различным топливом.
• Низкотемпературные свойства и термостойкость – сохранение работоспособности в заданном диапазоне высоких и низких температур.
• Стойкость к атмосферным воздействиям – устойчивость к озону, ультрафиолету, влаге и т.д.
• Химическая стойкость – инертность по отношению к кислотам, щелочам, тормозным жидкостям, антифризам, спиртам и т.д.
• Износостойкость и сопротивление истиранию – важнейший параметр для шин, приводных ремней, уплотнений подвижных соединений.
• Диэлектрические свойства – особенно важный параметр при изготовлении изоляции проводки.

Сочетание необходимых свойств формируется на этапе разработки материала, который должен соответствовать как конструкторским требованиям, так и отраслевым стандартам (ГОСТ, SAE, ASTM, ISO, DIN).

Обзор основных типов эластомеров в автомобилестроении

Источник: zavod-rti.ru

Натуральный каучук (NR)

Этот полимер природного происхождения проявляет редко достижимое в синтетических материалах соотношение эластичности и сопротивления разрыву. Способен многократно деформироваться и восстанавливаться без повреждений. Однако неполярность делает NR уязвимым к углеводородам, а структура - к окислению на воздухе и к ультрафиолету. Благодаря демпфирующим качествам натуральный каучук остается практически безальтернативным материалом для каркасов, шин, виброизолирующих элементов в подвеске и силовых агрегатах.

Этилен-пропиленовый каучук (EPDM)

Этот материал является эталоном стойкости к атмосферным воздействиям. Он отлично противостоит озону, ультрафиолету, перепадам температур, горячему пару, кислотам и щелочам. Основной его недостаток – полная несовместимость с минеральными маслами и топливом. Благодаря своим свойствам EPDM – синтетический каучук доминирует в производстве уплотнителей окон и дверей, патрубков системы охлаждения, диафрагм тормозных усилителей, деталей, постоянно работающих на улице.

Бутадиен-стирольный каучук (SBR)

Популярный экономичный материал с хорошими прочностными характеристиками и износостойкостью. Некоторые специальные марки немного подобрались по определенным свойствам к натуральному каучуку, но все так же нестоек к углеводородам. Помимо шин, более дешевые марки SBR используются в производстве ковриков, накладок, некоторых типов резинотехнических изделий, не контактирующих с маслом.

Бутадиен-нитрильный каучук (NBR, нитрил)

Его главные преимущества – высокая стойкость к маслам, топливу, абразивному износу и имеет широкий температурный интервал. Однако слабым местом материала является уязвимость к уличным условиям: без специальных добавок он боится солнца и озона, а также плохо переносит некоторые растворители на основе ароматических соединений, например, ацетон. Поэтому, превосходя неопрен по маслостойкости, бутадиен-нитрильный каучук проигрывает ему в устойчивости к атмосферным воздействиям и ограниченно подходит для наружного применения.

Хлоропреновый каучук (CR, неопрен)

Считается одним из наиболее сбалансированных универсальных эластомеров. Обладает умеренной масло- и бензостойкостью, хорошей устойчивостью к озону, различным атмосферным воздействиям, истиранию и не поддерживает горение. Именно поэтому хлоропреновый каучук часто выбирают для пыльников и рулевых тяг, где одновременно требуется устойчивость к маслу и воздействию внешней среды.

Силиконовый каучук (VMQ)

Проявляет устойчивость к озону, ультрафиолетовому излучению и термоокислительному старению, не выцветает. Сохраняет эластичность в широком температурном диапазоне – от экстремально низких до высоких температур, характеризуется высокими диэлектрическими свойствами. Однако силикон не подходит для применения в узлах с высокими механическими нагрузками из-за низкой прочности и недостаточной стойкостью к абразивному износу. Кроме того, его не следует использовать в контакте с минеральными и синтетическими маслами, топливом, углеводородными растворителями, а также концентрированными кислотами и щелочами, так как это приводит к разрушению материала.

Фторэластомер (FKM, Витон)

Этот класс материалов задает высочайший стандарт химической и термической инертности, обеспечивает долговечность в экстремально агрессивных условиях. Стойкость к комплексному воздействию высоких температур и химически активных сред – таких как топлива с современными присадками, синтетические смазки, гидравлические жидкости, масла и большинство растворителей – обусловила его применение в критически важных узлах аэрокосмической, автомобильной и химической отраслей. Данные фторэластомеры инертны к озону и ультрафиолету, обладают пониженной горючестью по сравнению с другими органическими каучуками. Ограничением материала является достаточно низкая стойкость к истиранию и низкая совместимость с некоторыми полярными органическими соединениями (кетоны, сложные эфиры) и агрессивными водными растворами, в частности, с аминами и сильными щелочами.

Полиуретан (PUR)

Отличается феноменальной прочностью, твердостью, сопротивлением к истиранию и разрыву, превосходя по этим параметрам большинство других эластомеров. Однако есть и существенные недостатки: высокая жесткость, низкая эластичность и склонность к гидролитическому разрушению под действием воды и пара. Это ограничивает сферу применения. В автомобилях полиуретан используется преимущественно для жестких, износостойких деталей: отбойников амортизаторов, втулок стабилизаторов, роликов и некоторых элементов подвески спортивного типа.

Каждый из перечисленных типов является лишь базовым полимером. Фактические эксплуатационные характеристики материала определяются сложной рецептурой компаунда. В его состав, помимо каучука, входят наполнители (сажа, диоксид кремния), пластификаторы, вулканизирующие агенты, противостарители и другие ингредиенты.