КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C08J5/16 C08L27/16 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но не могут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения вследствие недостаточной износостойкости, что снижает ресурс их работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является промышленно выпускаемый композит марки Ф4К20 на основе ПТФЭ (80 мас.%) и кокса (20 мас.%) (прототип) (Паншин Ю.А. и др. Фторопласты. Л.: Химия, 1978, с.217-219).

Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется повышенным значением коэффициента трения, что существенно ограничивает области применения.

Технической задачей изобретения является снижение коэффициента трения композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении высокой износостойкости.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ кокса и активированного наномодификатора - шпинели магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кокс13,0-14,5Шпинель магния (MgAl₂O₄)0,5-2,0Политетрафторэтилен (ПТФЭ)Остальное

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый, рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2170-2190 кг/м³, Т_пл 327°С.

Кокс литейный - рассыпчатый порошок углерода черного цвета. Средний размер частиц 10 мкм. Плотность 1730 кг/м³, ГОСТ 3340-80.

Шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза. Средний размер частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170 - 200 м²/г [Пат.2078037 РФ, С1 С01В 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла. Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т., Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25. Заявл. 31.05.1993. Опубл. 27.04.1997. Бюл.№ 12].

Для получения композиции в политетрафторэтилен вводили кокс и шпинель магния, подвергнутую механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин [Аввакумов Е.Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. -Т.2, №2-3. - С.541-559].

Введение в композиционный материал нанопорошка шпинели магния обусловлено его активным поведением при трении и изнашивании композита. Известно, что наночастицы шпинели магния образуют на поверхностях трения кластерные структуры, ориентированные по направлению скольжения, что приводит к снижению коэффициента трения [Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Попов С.Н., Авакумов Е.Г. Композиционные материалы на основе полимеров с добавками дисперсных частиц неорганических соединений // Химия в интересах устойчивого развития. - 2004. - С.627-636].

Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и устранения агломерации частиц.

Предварительная обработка шпинели магния в планетарной мельнице АГО-2 способствовала усреднению дисперсного состава наполнителя, устранению агломерации частиц и повышению их структурной активности. Это привело к образованию более плотной упорядоченной структуры при введении активированной шпинели магния в композит, содержащий 13-15% кокса, и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (таблица). Диспергирование частиц шпинели магния и их структурообразующие свойства зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили кокс и активированную шпинель магния, помещая расчетную массу полимера и наполнителей в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали их в электрической печи при температуре 370±5°С.

Сочетание ПТФЭ, кокса и шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, низким коэффициентом трении, при сохранении прочностных показателей по сравнению с прототипом.

Пример. 85 г политетрафторэтилена, 14 г кокса и 1 г активированной шпинели магния смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводили в электрической печи при температуре 370±5°С.Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.

Методики определения свойств композита

Прочностные свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» (Англия) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин. Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец - втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью 0,06-0,07 мкм.

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет увеличить износостойкость, что видно по уменьшению скорости убывания массы образца I, а также - снизить коэффициент трения f при сохранении прочностных характеристик σ_сж. Как видно из приведенных данных, износостойкость возросла в 30-50 раз, коэффициент трения снизился в 1,5-3,5 раза по сравнению с прототипом при сохранении прочностных показателей. Оптимальное содержание наполнителей: кокс 13,0-14,5 мас.%, шпинель магния - 0,5-2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования при повышенных нагрузках и скоростях скольжения.

ТаблицаХарактеристики ПКМ, наполненных коксом и шпинелью магния№СоставСодержание компонентов, мас.%σ_сж, МПаI×10^-6, кг/чfпри 10%при 25%1.ПТФЭ +8516240,150,18 кокс +14,8     шпинель магния0,2    2.ПТФЭ +8519300,030,08 кокс +14,5     шпинель магния0,5    3.ПТФЭ +8519290,050,10 кокс +14     шпинель магния1    4.ПТФЭ +8517280,080,13 кокс +13     шпинель магния2    5.ПТФЭ +8516270,120,20 кокс +12     шпинель магния3    6.ПТФЭ +8516260,150,30 кокс +10     шпинель магния5    7.Ф4К208018291,0-1,60,15-0,30 (прототип)20    

Композиционный полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, кокса и активированной шпинели магния может эффективно применяться в тяжелонагруженных узлах трения машин и механизмов. Состав композиционного полимерного материала, мас.%: кокс 13,0-14,5; шпинель магния, активированная в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин 0,5-2,0; политетрафторэтилен остальное. Использование заявляемого изобретения позволяет повысить долговечность и работоспособность узлов трения за счет высокой износостойкости, низкого коэффициента трения, которые определяются структурой композита. 1 табл.

Композиционный полимерный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и кокс, отличающийся тем, что материал содержит наномодификатор - шпинель магния, активированную в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кокс13,0-14,5Шпинель магния (MgAl₂O₄)0,5-2,0ПолитетрафторэтиленОстальное