Композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полифениленсульфида Российский патент 2017 года по МПК C08J5/16 C08K3/04 B82B3/00 B82Y30/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к композиционному полимерному антифрикционному материалу на основе полифениленсульфида, используемому для изготовления изделий различного трибологического назначения, например подшипников скольжения, применяемых в машиностроении, автомобилестроении, химической и в других отраслях машиностроения, а также для изготовления изделий для тормозной системы рельсового пассажирского или грузового транспорта, в том числе вагонов метрополитена, эксплуатирующихся без использования смазки.

Известен композиционный полимерный антифрикционный материал на основе литьевой термопластичной матрицы, содержащий в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, (см. патент РФ №2559454, МПК С08J 5/16, 10.08.2015 г.).

Однако известный композиционный полимерный антифрикционный материал при своем использовании в изделиях трибологического назначения имеет следующие недостатки:

- недостаточный срок службы из-за суммарного износа в паре трения,

- повышенную интенсивность линейного изнашивания внутреннего рабочего слоя скольжения при трении по стальной паре из стали 40Х (1×10^-7 - 7×10^-8 мкм/км),

- недостаточный комплекс эксплуатационных механических свойств, сочетающих ударную вязкость, предел прочности при сжатии и разрушающее напряжение при растяжении.

Задачей изобретения является разработка композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида.

Техническим результатом является повышение срока службы втулки рычажной тормозной системы рельсового транспорта за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания рабочего слоя скольжения при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, снижение коэффициента трения, сохранение уровня стабильности коэффициента трения при трении по материалу контртела стали 40Х, сохранение на заданном уровне разрушающего напряжения при растяжении, сохранение ударной вязкости по Шарпи на образцах без надреза при одновременном сохранении заданного предела прочности при сжатии.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полифениленсульфида, характеризующийся тем, что содержит в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,5 до 100 нм, а их длина - от 0,5 до 77 мкм, при этом в качестве полифениленсульфида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полифениленсульфид Fortron или Tecatron, при следующем количественном содержании компонентов, мас. %:

углеродное волокно 9,2-42,8 углеродные нанотрубки 0,02-0,74 полифениленсульфид остальное до 100%

При этом в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна. При этом углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута, или рубленого жгута или рубленой ленты, причем длина рубленого жгута, или рубленой ленты углеродного волокна выбрана от 1 мм до 48 мм.

Среди существенных признаков, характеризующих предложенный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полифениленсульфида, отличительными являются:

- выбор полифениленсульфида в качестве основы литьевой термопластичной матрицы композиционного полимерного антифрикционного материала,

- выбор внешнего диаметра углеродных нанотрубок от 0,05 до 100 нм, а их длины от 0,5 до 77 мкм,

- использование в качестве полифениленсульфида основы композиционного полимерного антифрикционного материала полифениленсульфида Fortran или Tecatron,

- выбор следующего количественного содержания компонентов, мас.%:

углеродное волокно 9,2-42,8 углеродные нанотрубки 0,02-0,74 полифениленсульфид остальное до 100%

Экспериментальные испытания изготовленных из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида изделий различного трибологического назначения в составе пары трения с контртелом из стали ст.40Х с твердость 32-38 HRC показали их высокую эффективность. Было установлено, что повышен срок службы втулки рычажной тормозной системы рельсового транспорта на 14-17%, при этом износ рабочего слоя скольжения предложенной втулки при трении по полированной стальной паре из стали 40Х составил 6×10^-8 - 9×10^-9 мкм/км. Достигнуто повышение ударной вязкости по Шарпи на образцах без надреза до уровня 52,3-63,0 кДж/м², сохранен предел прочности при сжатии на уровне 165-184 МПа при одновременном сохранении разрушающего напряжения при растяжении на уровне 178-212 МПа. Одновременно установлено, что предложенные втулки рычажной тормозной системы рельсового транспорта имеют коэффициент трения при трении по полированной поверхности контртела из стали 40Х с твердость 32-38 HRC в пределах 0,09-0,14 при сохранении стабильности коэффициента трения на уровне 0,88-0,94.

В таблице 1 представлены экспериментальные составы предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида, использованного для изготовления, например втулок рычажной тормозной системы рельсового транспорта, а в таблице 2 показаны штатные характеристики предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида.

Исследования ударной вязкости проводилось на маятниковом копре по методу Шарпи на образцах типа 2 без надреза по ГОСТ 4647-80. Исследование характеристик трения (характеристики трибологии) втулок рычажной тормозной системы рельсового транспорта, изготовленных из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида, проводилось на машине трения УМТ 2168.

Технология изготовления изделий из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида с рабочими поверхностями скольжения не требует для своего использования специфического технологического оборудования и включает в себя литье под давлением в литьевой машине изделий заданных геометрических форм из композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида.

Изготовленные из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полифениленсульфида детали трения по сравнению с известным композиционным полимерным антифрикционным материалом-прототипом имеют увеличенный эксплуатационный ресурс за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания рабочего слоя скольжения при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, обладают износом рабочего слоя скольжения при трении по полированной стальной паре из стали 40Х на уровне 6×10^-8 - 9×10^-9 мкм/км, ударной вязкостью по Шарпи на образцах без надреза на уровне 52,3-63,0 кДж/м, при этом сохранен предел прочности при сжатии на уровне 165-184 МПа при одновременном сохранении разрушающего напряжения при растяжении на уровне 178-212 МПа. Изготовленные из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала, например, втулки рычажной тормозной системы рельсового транспорта, имеют коэффициент трения при трении по полированной поверхности контртела из стали 40Х с твердостью 32-38 HRC в пределах 0,09-0,14 при сохранении стабильности коэффициента трения на уровне 0,88-0,94.

Изобретение относится к области изготовления изделий трибологического назначения. Композиционный полимерный антифрикционный материал содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: в качестве волокнистого наполнителя - углеродное волокно (9,2-42,8) и хаотично расположенные углеродные нанотрубки (0,02-0,74), полифенилсульфид (остальное до 100). Нанотрубки выполнены в виде однослойных или многослойных с количеством слоев от 2 до 70, или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70. Внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,5 до 100 нм, а их длина - от 0,5 до 77 мкм. Обеспечивается повышение срока службы втулки рычажной тормозной системы рельсового транспорта за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания рабочего слоя скольжения при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, снижение коэффициента трения, сохранение уровня стабильности коэффициента трения, сохранение на заданном уровне разрушающего напряжения при растяжении, сохранение ударной вязкости по Шарпи на образцах без надреза при одновременном сохранении заданного предела прочности при сжатии. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полифениленсульфида, характеризующийся тем, что содержит в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70, или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,5 до 100 нм, а их длина от 0,5 до 77 мкм, при этом в качестве полифениленсульфида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полифениленсульфид Fortron или Tecatron, при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:

углеродное волокно 9,2-42,8 углеродные нанотрубки 0,02-0,74 полифениленсульфид остальное до 100%

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута, или рубленого жгута, или рубленой ленты, при этом длина рубленого жгута или рубленой ленты углеродного волокна выбрана от 1 мм до 48 мм.