ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК C08J5/16 C08L27/18 C10M103/00 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, в частности к полимерным композитным антифрикционным материалам, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники: подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых 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 имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, что снижает ресурс их работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип, патент RU 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С208К 3/22. Антифрикционная полимерная композиция / Охлопкова А.А., Попов С.Н., Слепцова С.А., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б., Гусев А.А. Заявл. 21.03.2005; Опубл. 20.08.2006). Обладая высокими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ смеси шпинели магния с серпентинитом, предварительно активированного в планетарной мельнице в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

серпентинит - 1,0-4,8

шпинель магния - 0,2-1,0

ПТФЭ - остальное.

ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка - 50-100 мкм, молекулярная масса - 100-500 тыс, степень кристалличности до спекания - 95-98%, после спекания - 50-70%, плотность 2150-2260 кг/м³, температура плавления кристаллов 327°С, температура стеклования аморфных участков - 120°С.

Серпентинит - слоистый гидросиликат магния Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈, горная порода (в работе использован серпентинит месторождения Мурманской области), возникающая при гидротермальной переработке ультраосновных изверженных пород. Состоит, главным образом, из смеси минералов группы серпентина: волокнистого хризотила, пластинчатого антигорита и массивного лизардита. Физические параметры серпентинита: размеры частиц - 0,6-10 мкм, объемная масса - 2,6-2,8 кг/дм, прочность на сжатие - 8-25 Н/мм, водопоглощение по весу - 0,1-1,5%, износостойкость - 8-25/50 см (по Беме), плотность - 2,2-2,7 г/см³.

Шпинель магния (MgAl₂O₄), продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц 70-80 нм; удельная поверхность - 170-200 м²/г (см. патент RU 2078037 C1, C01B 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 повышения структурной активности и улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер-наполнитель», серпентинит вначале подвергали механоактивации в планетарной мельнице, например типа «АГО-2», в течение 2 мин, далее смешивали со шпинелью магния. Предварительная обработка серпентинита в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность и усреднению дисперсного состава. Совмещение ПТФЭ со смесью шпинели магния и механоактивированного серпентинита проводили в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин: поместив расчетную массу компонентов в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С. При этом время выдержки определяется из расчета 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца. Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Введение в ПТФЭ смеси шпинели магния с механоактивированным серпентинитом в приведенных соотношениях позволило получить композиционные материалы, обладающие повышенными деформационно-прочностными показателями и износостойкостью, в том числе при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок.

Пример. Наполнитель серпентинит активировали в планетарной мельнице в течение 2 мин, затем 1,0 г механоактивированного серпентинита смешивали с 1,0 г шпинели магния. Полученную однородную смесь наполнителей смешивали с 98,0 г ПТФЭ в лопастном смесителе до получения однородной массы. Далее композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий производили при температуре 375-380°С (время выдержки определяется из расчета 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03% с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Методики определения свойств композита

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение (ε_р) и прочность при растяжении (δ_р) определяли на испытательной машине «UTS-2» (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 10).

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2, «схема вал-втулка» (образец - втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм соответственно, высотой 22 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 65 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629.

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет снизить массовый износ до 2500 раз, уменьшить коэффициент трения до 1,5 раз, при сохранении деформационно-прочностных характеристик. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание механоактивированного серпентинита - 1,0-4,8 мас.% и шпинели магния - 0,2-1 мас.%.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования и расширить их область применения.

Таблица примеров Состав Содержание компонентов, мас.% Физико-механические характеристики Массовый износ (мг) Коэффициент трения по стали при нагрузке 65 Н σ_р, МПа ε_р,% ПТФЭ - 20-22 300-320 370-375 0,04 ПТФЭ + активированный в АГО-2 серпентинит + шпинель магния 98 22 356 0,39 0,032 1 1 98 20 317 3,21 0,033 1,5 0,5 98 21 329 6,69 0,044 1,8 0,2 95 20 320 0,09 0,041 4 1 95 21 344 0,09 0,026 4,5 0,5 95 19 336 0,81 0,026 4,8 0,2 ПТФЭ + шпинель магния (прототип) 99 21-23 320-330 23-25 - 1   ПТФЭ + шпинель магния (прототип) 98 20-22 300-310 15-17 - 2  

Изобретение относится к полимерным композитным антифрикционным материалам. Полимерная композиция содержит политетрафторэтилен, синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г и механоактивированный серпентинит. Изобретение позволяет повысить долговечность и работоспособность узлов трения за счет высокой износостойкости, низкого коэффициента трения, которые определяются структурой композиционного материала. 1 табл., 1 пр.

Полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г и механоактивированный серпентинит, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%:
механоактивированный серпентинит 1,0-4,8 шпинель магния 0,2-1,0 политетрафторэтилен остальное.