АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2003 года по МПК C08J5/16 C08L27/18 

Изобретение относится к области производства антифрикционных полимерных материалов (АПМ) и может быть использовано при изготовлении опорных поверхностей узлов трения скольжения машин и механизмов, работающих как без смазывания, так и при смазывании водой.

Известен политетрафторэтилен (ПТФЭ) - синтетический полимерный продукт полимеризации тетрафторэтилена, который представляет собой материал, сочетающий хорошие антифрикционные и антикоррозионные свойства. В России этот продукт выпускается под названием фторопласт-4, или фторлон-4 (Ф-4 по ГОСТ 10007-80).

Однако ПТФЭ обладает повышенным износом и хладотекучестью под нагрузкой, что допускает использование Ф-4 в качестве АПМ лишь при малых нагрузках.

Износостойкость ПФТЭ можно повысить введением наполнителей. В качестве наполнителей ПТФЭ известно применение кокса, графита, стекловолокна, угольных волокон, порошков бронзы, меди, свинца и их окислов, а также сочетаний указанных компонентов [1, 2].

Композиции ПТФЭ с углеродными волокнами и графитом хотя и обладают наилучшими противоизносными свойствами, однако имеют высокую стоимость, а технология их изготовления более сложна, чем других композиций.

Из материалов на основе ПТФЭ наибольшее применение в настоящее время получили материалы с различной концентрацией порошковых углеродных наполнителей [3, 4] . Для опорных поверхностей узлов трения, работающих в воде, наиболее предпочтительным наполнителем является кокс [4].

Наиболее близким по технической сущности является материал на основе композиции Ф-4К20 [4], содержащей 80% ПТФЭ и 20% каменноугольного кокса (здесь и далее указываются массовые проценты). Эта композиция обладает высокой износостойкостью, малой деформируемостью под нагрузкой и малой гигроскопичностью.

Основным недостатком Ф-4К20 является сравнительно высокий коэффициент трения (напр. , при одинаковых контактных давлениях и аналогичных условиях трения по стали - в 2-3 раза выше, чем у Ф-4).

Введением углеродных наполнителей обычно достигают компромисса - теряют в антифрикционных свойствах, но при этом увеличивают износостойкость. В известной композиции, описанной в [3], для улучшения износостойкости концентрацию углеродсодержащего наполнителя увеличивали до 40-50% по сравнению с 20% в Ф-4К20, однако введение в Ф-4 свыше 20% наполнителя приводит к резкому уменьшению прочности композита.

Задачей изобретения является получение АПМ, сочетающего низкий коэффициент трения Ф-4 и высокую износостойкость Ф-4К20 при достаточно низкой стоимости продукта.

Поставленная задача решается путем введения в композицию материала углеродсодержащей добавки в виде порошков материалов, содержащих фуллерены, - принципиально новые углеродные вещества, - в количестве 1-10%.

К порошковым фуллеренсодержащим материалам могут быть отнесены: чистые фуллерены; фуллереновые сажи, содержащие от 13-15 до 45% фуллеренов; фуллереновые сажи после экстракции из них фуллеренов, содержащие до 50% от начального содержания в них фуллеренов.

Следует отметить, что ограниченный объем производства и высокая стоимость чистых фуллеренов в настоящее время фактически исключают возможность их практического применения в качестве добавок к фторопластам для получения АПМ.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА
Способ получения заявляемого материала аналогичен способу получения композиции Ф-4К20 и не требует использования дополнительного оборудования. При этом ПТФЭ в виде порошка фторопласта Ф-4 (ГОСТ 10007-80, марка ПН) загружают в охлаждаемый смеситель и перемешивают в течение времени, необходимого для разрушения агломератов и получения однородного по структуре состава, поддерживая температуру не выше 30^oС (в нашем случае - в течение 1-2 мин при скорости вращения смесителя 1800 мин^-1). В полученный состав вводят порошок фуллереновой сажи (или каменноугольный кокс и фуллереновую сажу, если получают материал Ф-4К20 с добавками фуллереновой сажи) в количестве, обеспечивающем получение необходимой концентрации компонентов в материале и повторно перемешивают.

Затем смесь загружают в пресс-формы и прессуют при давлении 35±5 МПа. Полученное изделие выдерживают 8-12 ч и загружают в печь, нагреваемую со скоростью 40^o/ч до 375±5^oС. По достижении указанной температуры изделие выдерживают от 2 до 10 ч в зависимости от толщины изделия. Последующее охлаждение проводят в печи до 150^oС (3-4 ч), а затем в комнатных условиях.

Оценивая возможности использования предлагаемого АПМ, считаем наиболее перспективной областью их применения узлы трения гидромашин, смазываемых водой. Поэтому при оценке технико-экономической эффективности применения ПТФЭ с добавками фуллереновой сажи выбрана методика проведения испытаний на узлах трения, смазываемых водой.

Фуллереновая сажа до экстракции из нее фуллеренов, обозначим ее СФ, вводилась в количестве 1, 3, 5 или 10% в материал Ф-4, выбранный в качестве базового, при интенсивном механическом перемешивании.

Фуллереновая сажа после первичной экстракции из нее фуллеренов толуолом, обозначим ее СЖ, вводилась в количестве 1% в базовые материалы Ф-4 и Ф-4К20.

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Испытания проводились на стандартной машине трения 20070-СМТ-1. Образец фторопласта представлял собой плоскую прямоугольного сечения пластину толщиной 7 мм и шириной 10 мм, закрепленную в специальном держателе. Пластина контактировала с роликом из стали марки 18Х2Н4МА (ГОСТ 4543-71), вращающимся с частотой 400 мин^-1, что соответствовало линейной скорости скольжения 1 м/с. Рабочая цилиндрическая поверхность ролика шириной 16 мм, обработанная круглым шлифованием, имела шероховатость R_a=0,65 мкм и во время испытаний на 6 мм была погружена в водяную ванну.

Испытания проводились при ступенчатом нагружении узла трения последовательно увеличивающимися нормальными нагрузками F_N в диапазоне 100-1600 Н. Продолжительность испытания при каждой нагрузке составляла 5 мин. Испытания выполнены по двум схемам, А и В, нагружения узла трения.

По схеме А начальный трибоконтакт между образцом и роликом осуществлялся по линии вдоль образующей цилиндрической рабочей поверхности ролика при нормальной нагрузке F_N=100 Н. Выработанная на первой ступени нагружения канавка использовалась для дальнейших испытаний по схеме А. При последующем ступенчатом повышении нагрузки размеры канавки износа увеличивались. Площадь канавки износа S_k, определенная в конце испытаний при нагрузке F_N(n), рассматривалась как площадь начального трибоконтакта S_н для последующей ступени нагрузки F_N(n+1). Соответственно, начальные Р_н и конечные Р_к давления на трибоконтакте определялись как Р_к=F_N(n)/S_k и Р_н=F_N(n+1)/S_н.

Таким образом, испытания по схеме А проводились в условиях интенсивного изнашивания и приработки трибоконтактов различной площади ступенчато увеличивающимися нагрузками.

Испытания по схеме В проводились путем ступенчатого нагружения трибоконтактов максимальной площади, ранее полученных при испытаниях по схеме А после всех ступеней нагружения (F_N от 100 до 1600 Н). Трибоконтакты в этом случае были достаточно приработаны, вследствие чего их площади менялись незначительно.

Во время испытаний с точностью до ±1% непрерывно регистрировался момент трения, по значениям которого рассчитывались коэффициенты трения и работа сил трения (энергопотери на трение). На каждой ступени нагрузки определялась ширина канавки износа, по которой рассчитывались площадь трибоконтакта S, объем изношенного материала V и глубина канавки износа h. Основные показатели, характеризующие влияние концентрации добавок фуллереновых саж к фторопластам на их антифрикционные и противоизносные свойства: для испытаний по схеме А - объемный износ V, энергопотери на трение A_T за весь цикл нагружения от 100 до 1600 Н общей продолжительностью 45 мин, допустимые максимальные рабочие давления в трибоконтактах Р_рм; для испытаний по схеме В - значения средних за испытание коэффициентов трения f_c и линейных интенсивностей изнашивания I_h= Δh/L, где Δh - увеличение глубины канавки износа за испытание, L - путь трения.

Для схемы В могут быть получены зависимости указанных показателей от начальных давлений в трибоконтакте Р_н, по которым оценивается влияние добавок на антифрикционные и противоизносные свойства образцов.

По каждому варианту проводилось от 3 до 6 испытаний. Значения трибологических показателей определялись как средние арифметические значения из всех испытаний. При этом относительные среднеквадратические ошибки лежали в пределах 5-10%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Результаты испытаний представлены в таблице. Как видно из приведенных данных, добавка фуллереновой сажи (СФ) существенно улучшает триботехнические показатели фторопластов при их трении по стали и смазывании водой в условиях изнашивания как по схеме А, так и по схеме В.

При испытаниях по схеме А по сравнению с базовым образцом Ф-4 увеличение во фторопласте концентрации сажи СФ с 1 до 10% приводит к уменьшению энергопотерь на трение с 38 до 58% и снижению объемных износов с 35 до 51%. При этом происходит увеличение допустимых рабочих давлений на 25-45%.

При испытаниях по схеме В в диапазоне рабочих давлений 1-10 МПа добавка сажи СФ снижает величину коэффициента трения до значений f_С=0,015-0,021 и величину линейных интенсивностей изнашивания до значений I_h= 0,39•10^-8-2,88•10^-8, т. е. обеспечивают снижение коэффициентов трения f_C в 1,5-2 раза и линейных интенсивностей изнашивания I_h в 2-7,5 раз.

Испытания образцов фторопластов Ф-4 и Ф-4К20 с добавкой фуллереновой сажи после экстракции из нее фуллеренов (СЖ), также проведенные по схемам А и В, показали лишь незначительное ухудшение показателей по сравнению с результатами для сажи СФ.

При испытаниях по схеме А по сравнению с базовым образцом Ф-4К20 с добавкой 1% сажи СЖ энергопотери на трение снизились более чем в 2 раза, а объем изношенного материала - в 2 раза. При испытаниях по схеме В в диапазоне контактных давлений 1-14 МПа значения коэффициентов трения f_C и линейных интенсивностей изнашивания I_h уменьшились в 2-3 раза.

При трении по стали и смазывании водой добавка в образцы Ф-4 и Ф-4К20 1 % сажи СЖ привела к увеличению допустимых рабочих давлений в трибоконтактах соответственно на 25 и 20%.

Были также проведены испытания образцов Ф-4 и Ф-4К20 и образцов с введением в качестве добавок 1% сажи СЖ по аналогичным схемам, но в условиях сухого трения. Испытания показали, что в диапазоне контактных давлений 0,2-2 МПа ввод 1% сажи СЖ в Ф-4 приводит к снижению коэффициентов сухого трения скольжения на 25-35%, а линейной интенсивности изнашивания - на 20-30%. Для Ф-4К20 введение 1% сажи СЖ в диапазоне контактных давлений 1-7 МПа приводит к снижению коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания в сравнении с базовым образцом на ~10%.

Для условий сухого трения скольжения по стали добавка 1% СЖ привела к увеличению допустимых рабочих давлений в трибоконтактах на 20%.

Приведенные данные показывают, что добавка фуллереновых саж улучшает антифрикционные и противоизносные свойства фторопластов на основе ПТФЭ. При этом при оценке эффективности использования фуллереновых саж в качестве добавки необходимо учитывать не только технические возможности новых образцов, но и затраты на их производство. По данным изготовителей добавка 1% сажи СФ увеличивает стоимость Ф-4 на 30%, а добавка 10% - более чем в 4 раза. Исходя из этого и результатов испытаний оптимальная концентрация сажи СФ составляет 1%, т.к. при дальнейшем увеличении концентрации относительное улучшение трибологических показателей происходит в меньшей степени, чем увеличение их стоимости.

Использование сажи СЖ позволяет еще больше снизить стоимость новых материалов при практическом сохранении их трибологических свойств. Эти сажи являются отходом производства фуллеренов и имеют стоимость на порядок ниже, чем стоимость сажи СФ.

Положительное влияние добавок фуллереновых саж на антифрикционные и противоизносные свойства фторопластов на основе ПТФЭ позволяет рекомендовать их в качестве АПМ в узлах трения скольжения по стали, работающих без смазывания и при смазывании водой.

Производство предлагаемых АПМ может быть налажено в промышленных масштабах на действующих производствах с использованием имеющихся технологий получения фторопластов и фуллереновых саж.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Полимеры в узлах трения машин и приборов. Справочник. Под общей ред. А.В.Чичинадзе. 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1988. 328 с.

2. Применение полиолефинов, полистиролов, фторопластов и поливинилацетатных пластиков: Каталог ОНПО "Пластполимер". Научно-исследовательский институт технико-экономических исследований (НИИТЭХМ). Черкассы, 1981. 196 с.

3. Заявка 94011997 от 01.04.94 г. "Антифрикционная композиция", С 08 J, 5/16, авторы Росляков О.А. и др.

4. ТУ-6-05-1412-76 на материал Ф-4К20.

Изобретение относится к производству антифрикционных полимерных материалов. Антифрикционный полимерный материал выполнен из композиции, содержащей политетрафторэтилен и углеродсодержащую добавку. В качестве добавки композиция содержит 1-10% от массы композиции порошка фуллереновой сажи или порошка фуллереновой сажи после экстракции из нее фуллеренов, содержащего до 50% от начального содержания фуллеренов. Изобретение позволяет получить антифрикционный материал, сочетающий низкий коэффициент трения и высокую износостойкость при низкой стоимости продукта. 1 табл.

Антифрикционный полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей политетрафторэтилен и углеродсодержащую добавку, отличающийся тем, что композиция содержит в качестве углеродсодержащей добавки 1-10% от массы композиции порошка фуллереновой сажи или порошка фуллереновой сажи после экстракции из нее фуллеренов, содержащего до 50% от начального содержания фуллеренов.