СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 1999 года по МПК C09D127/12 

Изобретение относится к способам получения полимерных антифрикционных покрытий, которые наносятся на твердые поверхности металлов, камней и полимерных материалов с целью снижения коэффициента трения и износа контактных поверхностей узлов трения.

Известен способ получения полимерного антифрикционного покрытия на поверхности деталей узлов трения, включающий нанесение суспензии антифрикционного состава на предварительно нагретую поверхность с последующей термообработкой при 160-170^oC в течение 0,5-1 ч (патент РФ N 2079519). Однако такое покрытие имеет низкую адгезию к подложке и невысокую износостойкость.

Наиболее близким является способ получения полимерного антифрикционного покрытия, включающий обработку поверхности обезжиривающим агентом, в качестве которого используют содовый водный раствор, промывку водой, сушку поверхности при температуре до 400^oC, нанесение раствора антифрикционного состава, который осуществляют в две стадии - сначала наносят грунтовочный слой, высушивают, а потом наносят отделочный слой и проводят термообработку при температуре 410^oC (патент РФ N2039069). При этом антифрикционный состав представляет собой многокомпонентную смесь, содержащую сополимеры тетрафторэтилена, поливиниловый спирт, ПАВ, глицерин, воду и др.

Недостатками известного способа являются его многостадийность, сложность приготовления многокомпонентного антифрикционного состава, а также невысокая износостойкость получаемого покрытия.

Технической задачей данного изобретения является упрощение способа получения покрытия и создание покрытия, обладающего повышенной износостойкостью.

Эта задача решается тем, что в качестве обезжиривающего агента используют органические соединения в виде жидкости или в парообразном состоянии, а в качестве раствора антифрикционного состава используют раствор азотсодержащих производных перфторполиоксаалкилен-карбоновых или сульфокислот в органическом растворителе.

В качестве органических соединений используют ацетон, бензин, различные спирты, хлорсодержащие органические соединения, хладоны и др. При этом обработку поверхности осуществляют либо жидким органическим соединением, либо парами этого растворителя в течение 2 - 10 мин. Данное время является оптимальным для очистки поверхности от загрязнений.

Сушка обезжиренной поверхности от остатков растворителя осуществляется в течение 2-10 мин воздухом при 20-200^oC, что позволяет получить чистую поверхность, подготовленную для нанесения антифрикционного состава.

В качестве антифрикционного состава используют растворы в органическом растворителе азотсодержащих производных перфторполиоксаалкилен-карбоновых или сульфокислот, в частности амиды, гидразиды, гуанидиды, гидроксиамиды указанных кислот общей формулы (RU 2045544, 1995):

где R_F=C_nF_2n+1O, n=1-8;
=(ZCYCF₂O)_k(CF₂)_m, k=5-200, m=1,2;
Y=Z=F или Y=F при Z=CF₃,
Y=F₂ при Z=CF₂ или CH₂,
X=CO или SO₂;
Q=NH(CH₂)_eN(R_H)_d, где e=0-5, d=1,2, R_H=H, алкил C₁-C₁₂, C₂H₄OH, CY₂COOH, CH₂CONH₂; NH(CH₂CH₂NH)_1-3H; N=C(NH₂)₂; NHC_gNH, где g=0, S;
Данная концентрация является оптимальной, обеспечивая получение стойкого антифрикционного покрытия. Повышение концентрации нецелесообразно, т.к. при этом несколько ухудшается растворимость соответствующего азотсодержащего реагента.

В качестве растворителей используют трифторхлоэтан, перфтордекалин, перфтор- или полифторалканы, а также смеси этих соединений с метиловым, этиловым или изопропиловым спиртами с содержанием последних до 80 мас.%. Использование указанных растворителей обеспечивает хорошую растворимость соответствующего антифрикционного состава и легкость нанесения раствора на поверхность детали.

Азотсодержащие производные перфторполиоксаалкилен-карбоновых или -сульфокислот получали реакцией фторангидрида соответствующей кислоты формулы с избытком этилового спирта в подходящем растворителе при непрерывной отдувке выделяющегося HF азотом с последующим взаимодействием образовавшихся эфиров кислот с аминами формулы HQ, с образованием соответствующих амидов и их производных формулы .

Стадию взаимодействия с амином осуществляли в присутствии соединения, выбранного из группы, включающей фторид щелочного или щелочноземельного металла или фторид амония в течение 1-3 ч.

Продукты реакции выделяли традиционными способами.

Полученные соединения представляют собой бесцветные или желтоватые жидкости с вязкостью 500-3500 сСт, плотностью 160-1800 кг/м³ и температурой застывания от +36 до -65^oC.

Строения соединений подтверждено данными ИК-спектроскопии, ЯМР¹⁹F и элементного анализа.

Нанесение раствора антифрикционного состава на поверхность можно производить при комнатной температуре или при температуре кипения раствора 45 - 50^oC в течение 5 - 10 или 20 - 40 мин соответственно. Такой режим нанесения обеспечивает хорошее качество покрытия.

Нанесение покрытия можно осуществить либо погружением соответствующей детали в раствор, либо аэрозольным распылением раствора, либо тампонированием. При этом расход указанных азотсодержащих производных составляет 30 - 90 г/м², что обеспечивает хорошее качество покрытия. При меньшем расходе увеличивается время нанесения покрытия, а более высокий расход экономически нецелесообразен. После нанесения покрытия осуществляют термообработку (сушку) покрытия при 20 - 200^oC в течение 0,5 - 1,5 ч, что позволяет полностью улетучиться растворителю и получить однородное стойкое антифрикционное покрытие.

Покрытия, нанесенные на твердую поверхность, адсорбируются, хемосорбируются в виде мономолекулярной или близкой к этому пленки с толщиной примерно 40 - 60 . В результате снижается поверхностная энергия твердого тела до 2 - 4 мН/м, снижается момент трения покоя до 10⁴ раз. При нанесении на покрытие смазочного масла (минерального или синтетического) активная амидная группа покрытия усиливает ориентацию молекул смазочного материала, прилегающего к поверхности, т. к. введение атома азота с неподеленной электронной парой увеличивает полярность химического соединения, что в свою очередь увеличивает поле концевой группы. Благодаря этому увеличивается сопротивление смазочного материала тангенциальным нагрузкам независимо от того, в каком состоянии находится смазка, капельном или тонкослойном.

Предлагаемое покрытие нетоксично, взрыво-пожаробезопасно и может быть использовано как в узлах трения машин и механизмов, так и обработке металлов резанием, штамповкой, вытяжкой и т.п.

Пример 1.

Поверхность детали, изготовленной из Ст-3, обезжиривали обработкой ацетоном в течение 5 мин с последующей сушкой при 120^oC в течение 8 мин. После этого деталь погружали в раствор амида перфторполиоксаалкиленкарбоновой кислоты общей формулы , где R_F = CF₃, = /CF₂CF₂O/₁₈₀CF₂, X =CO, Q = NHC₃H₆ N/CH₃/₂, в смеси CF₂Cl CFCl₂ /30%/ и (CH₃)₂CHOH /70%/ при концентрации амида, равной 0,5 мас.%. Расход амида составил 50 г/м². Время выдержки детали в указанном растворе при комнатной температуре составило 10 мин. После этого деталь вынимали из раствора и термообрабатывали на воздухе при 100^oC в течение 1 ч.

Аналогично осуществляли примеры 2 - 12 (табл. 1). В табл. 2 и 3 приведены характеристики отработанных поверхностей.

Микротвердость определялась методом индентометрии. Основой метода служит твердомер ПМТ-3, в котором для повышения чувствительности и смещения измерений в область малых толщин в качестве индентора применена алмазная пирамида Кнуппа, плавное нагружение осуществляется нагреванием чувствительной биметаллической балочки. Ошибка измерения твердости не более ±5 кг/мм² глубины погружения индентора -0,2 мк.

В примерах 2-4, 10-12 нанесение антифрикционного состава осуществляли аэрозольным распылением в течение 10 мин при комнатной температуре, в примерах 5, 6 и 7 погружением при кипячении в течение 20 и 40 мин, соответственно в 8 и 9-тампонированием в течение 30 мин при комнатной температуре.

Описывается способ получения полимерного антифрикционного покрытия включающий обезжиривание поверхности, на которую наносится покрытие, обработкой раствором или парами органического соединения в течение 2 -10 мин, сушку обезжиренной поверхности при 20 - 200^oC в течение 2 - 10 мин, нанесение азотсодержащего производства (амид, гидразид или гуанидид) перфторполиоксаалкиленкарбоновых или сульфокислот в растворителе с концентрацией 0,1-10,0 мас. % при расходе указанного производного 30-90 г/м² с последующей термообработкой при 20 - 200^oC в течение 0,5 - 1,5 ч. Технический результат - упрощение способа получения покрытия и создание покрытия, обладающего повышенной износостойкостью. 6 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения полимерного антифрикционного покрытия путем обработки поверхности обезжиривающим агентом, сушки обезжиренной поверхности, нанесения антифрикционного состава и термообработки покрытия, отличающийся тем, что в качестве обезжиривающего агента используют органические растворители в виде жидкости или пара, а в качестве антифрикционного состава - 0,1 - 10,0%-ный раствор азотсодержащих производных перфторполиоксаалкилен-карбоновых или -сульфокислот, выбранных из группы, включающей амиды, гидразиды и гуанидиды перфторполиоксаалкилен-карбоновых или -сульфокислот общей формулы

где R_F = C_nF_2n+1O, n = 1 - 8;
= (ZCYCF₂O)_k(CF₂)_m, k = 5 - 200, m = 1, 2;
Y = Z = F или Y = F при Z = CF₃, Y = F₂ при Z = CF₂ или CH₂;
X = CO или SO₂;
Q = NH(CH₂)_eN(R_н)_d, где e = 0 - 5, d = 1, 2, R_н = H, алкил C₁ - C₁₂, C₂H₄OH, CH₂COOH, CH₂CONH₂; NH(CH₂CH₂NH)_1-3H; N = C(NH₂)₂; NHCNH₂, где g = 0, 5,
или их смесей в органическом растворителе, выбранном из группы, включающей трифторхлорэтилен, перфтордекалин, полифторалканы и их смеси с метиловым, этиловым или изопропиловым спиртом с содержанием спирта в смеси до 80 мас. %, причем антифрикционный состав наносят на поверхность в количестве, соответствующем расходу 30 - 90 г азотсодержащих производных перфторполиоксаалкилен-карбоновых или -сульфокислот на 1 м² поверхности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве обезжиривающего агента используют ацетон, бензин, спирты и хлорсодержащие органические растворители, а обработку поверхности обезжиривающим агентом проводят в течение 2 - 10 мин. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сушку обезжиренной поверхности проводят при 20 - 200^oС в течение 2 - 10 мин. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что нанесение антифрикционного состава осуществляют при комнатной температуре в течение 5 - 10 мин. 5. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что нанесение антифрикционного состава осуществляют при температуре его кипения в течение 20 - 40 мин. 6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что нанесение раствора антифрикционного состава на поверхность осуществляют погружением соответствующей детали в раствор или аэрозольным распылением. 7. Способ по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что термообработку покрытия производят при 20 - 200^oС в течение 0,5 - 1,5 ч.