АНТИФРИКЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 1999 года по МПК C08J5/16 C08L27/06 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к антифрикционным наполненным полимерным материалам, содержащим высокомолекулярный полиэтилен и порошкообразные наполнители, и может быть использовано для изготовления деталей узлов трения, работающих без смазки.

Известны композиции на основе высокомолекулярного полиэтилена антифрикционного применения с графитом, сульфидами металлов (пат. 1116814, Англия). Эти композиции обладают высокими физико-механическими показателями и улучшенной износостойкостью. Однако имеют нестабильный коэффициент трения.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является антифрикционная композиция, содержащая в качестве модификатора дисульфид молибдена (Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. И. Н. Андреева, Е.В.Веселовская, Е.И.Наливайко и др. - Л.: Химия, 1982. - 80 с. ). Однако эта композиция обладает недостаточной износостойкостью и более низкими прочностными характеристиками (прототип).

Целью изобретения является повышение износостойкости, стабилизация коэффициента трения при сухом трении и увеличение стойкости к абразивному изнашиванию тем, что антифрикционная композиция содержит высокомолекулярный полиэтилен и ультрадисперсный тугоплавкий наполнитель - твердый раствор αAl₂O₃ и AlN в βSi₃N₄ ( β-сиалон) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ультрадисперсный тугоплавкий наполнитель ( β- сиалон) - 0,5-5,0
Высокомолекулярный полиэтилен - 95,5-99,5
Высокомолекулярный полиэтилен - промышленный порошкообразный продукт (ТУ 6-05-18-96-80) с Мм 1,0•10⁺⁶ - 1,5•10⁶, температурой плавления 135^oC, плотностью 936 кг/м³.

Ультрадисперсный тугоплавкий наполнитель ( β- сиалон) - твердый раствор α-Al₂O₃ и AlN в β-Si₃N₄ (общей формулы Si_6-xAl_xO_xN_8-x, где x= 0,8-4,2, с размерами частиц 800-1000 A, удельной поверхностью ≈50 мг/г (ТУ 88 Латв.ССР 0140-91).

Сущность изобретения заключается в том, что для получения композиционного материала в высокомолекулярный полиэтилен вводят β- сиалон, помещая расчетные количества полимера и наполнителя в вибромельницу и смешивают до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования и свободного спекания при t - 180^oC получают заготовки требуемой формы.

Оказалось, что сочетание высокомолекулярного полиэтилена с β- сиалоном в количестве до 1,5-5 мас.% приводит к образованию материала, обладающего высокой износостойкостью, стабилизации коэффициента трения, стойкостью к абразивному износу, которые обусловлены такими свойствами β- сиалона, как высокая твердость, тугоплавкость, высокая удельная поверхность наполнителя, устойчивость его к окислению при нагревании на воздухе.

Подобные свойства антифрикционной композиции заявляемого состава определяются, с одной стороны, химической природой и составом β- сиалона, представляющего собой твердый раствор α-Al₂O₃ и AlN в β-Si₃N₄ (И.Л.Боярина, А.Б. Пучков и др. Сиалоны - новый огнеупорный материал. - Огнеупоры, 1981, N 2, с. 24-28; Г.В.Самсонов, В.В.Кондаков и др. Механические свойства нитридо-оксидных материалов системы Al₂O₃-Si₃N₄. Порошковая металлургия, 1974, N 2, с. 134), с другой стороны, уникальными свойствами (в части физико-механических показателей) полимера. Используемый наполнитель, по-видимому, является регулятором трения, определяющим характер взаимодействия композиционный материал-контртело при трении.

Пример 4. 98 г высокомолекулярного полиэтилена и 2 г β- сиалона смешивают в вибромельнице до получения однородной массы. Затем рассчитанное количество композиции помещают в холодную пресс-форму и прессуют изделие при удельном давлении 40 МПа. Спекание изделий проводят в вакуумном шкафу при температуре 180^oC в течение 2 ч с выдержкой, при температуре 80^oC в течение 1 ч. Охлаждение спеченных изделий проводится непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционных материалов заявляемого состава и их свойства приведены в таблице.

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине "Инстрон" при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин.

Определение триботехнических характеристик проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме "вал-втулка" при нагрузке 150 Н, скорости 0,39 м/с в течение 96 ч.

Определение абразивостойкости проводилось на приборе AR-40 (ГДР) по шкурке в соответствии с ГОСТ 11012-69 (путь трения 120 м при P = 9 Н).

Исследовались как композиции заявляемого состава, так и композиции с дисульфидом молибдена.

Как показали результаты испытаний, приведенные в таблице, антифрикционная композиция заявляемого состава характеризуется увеличением износостойкости в 2 раза выше износостойкости материала с дисульфидом молибдена, обладает повышенной абразивостойкостью (до 2 раз) и более низким стабильным коэффициентом трения. Длительные триботехнические испытания показали, что при трении антифрикционной композиции заявляемого состава температура в зоне трения повышается лишь до 40-50^oC и сохраняется в этих пределах в течение длительного периода, что обуславливает и наличие более низкого и стабильного коэффициента трения, тогда как трение материала прототипа сопровождается значительными температурными изменениями, приводящими к увеличению коэффициента трения и износа.

Оптимальное содержание наполнителя находится в пределах 2-5% мас., при дальнейшем увеличении происходит резкое ухудшение прочности и относительного удлинения при разрыве без увеличения износостойкости.

Повышенная износостойкость, абразивостойкость и стабильность коэффициента трения антифрикционного материала заявляемого состава позволяет разработать с его использованием детали узлов трения, работоспособность которых превосходит в 2-3 раза работоспособность деталей, изготовленных с использованием чистого высокомолекулярного полиэтилена и известных антифрикционных материалов на его основе.

Использование: для элементов узлов трения, работающих без смазки. Сущность изобретения: для получения композиционного материала в высокомолекулярный полиэтилен вводят бета-сиалон общей формулы Si_6-xAl_xO_xN_8-x, где x = 0,8-4,2, в количестве 0,5-5,0 мас.%. Это приводит к образованию материала, обладающего высокой износостойкостью, стабилизацией коэффициента трения, стойкостью к абразивному износу. 1 табл.

Антифрикционная композиция, содержащая высокомолекулярный полиэтилен и неорганический наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве неорганического наполнителя она содержит β- сиалон общей формулы
Si_6-x Al_x O_x N_8-x,
где x = 0,8 - 4,2,
при его содержании в композиции 0,5 - 5,0 мас.%.