Способ получения самосмазывающегося материала на основе искусственного мелкозернистого графита Российский патент 2021 года по МПК C04B35/532 C04B35/626 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в торцовых уплотнениях узлов трения авиационной и наземной техники, где требуется работоспособность материалов в условиях вакуума, избыточных давлений, сухого трения, повышенной влажности и отрицательных температур.

Известны различные углеграфитовые самосмазывающиеся материалы и способы их получения.

Так, например, известен самосмазывающийся углеродный материал [RU 2101261, C04B 35/52, 13.05.1994]. Изобретение заключается в том, что для повышения износостойкости материала в абразивных средах, в исходную шихту добавляют пиролизированный продукт гидролиза рисовый шелухи, который состоит на 40-50 % из диоксида кремния и 50-55 % свободного углерода. Недостатком способа является наличие диоксида кремния – абразивное соединение, что усложняет процесс механической обработки изделий, а также при сухом пуске агрегатов способен оставлять задиры на контртеле, что значительно снижает ресурс узла и как следствие изделия в целом.

Известен так же способ [SU 1834838 А3, С01В 31/02, 25.10.1990]. Изобретение заключается в том, что для повышения качества материала дополнительно после совмещенного прессования и обжига заготовку измельчают до необходимой фракции, смешивают с каменноугольным пеком и подвергают повторному совмещенному прессованию и обжигу. Недостатком данного изобретения является высокая трудоемкость выполняемых работ, недостаточная герметичность материала, ввиду невозможности качественно пропитать раствором фурфурилового спирта заготовки размерами диаметром 0,18-0,30 м, высотой 0,20-0,25 м, а также многократное измельчение сырьевых материалов без использования магнитной сепарации вносит примеси магнитного характера, которые повышают коэффициент трения и могут оставляют задиры на контртеле, снижают однородность материала и его физико-механические свойства.

Известен так же способ [RU № 2252190, C01B 31/02, C04B 35/52, 12.03.2004], включающий смешение измельченного кокса сланцевого смоляного до фракционного состава, при котором доля фракции размером менее 0,09 мм составляет не менее 97 мас. % и доля фракции размером менее 0,045 мм составляет не менее 91 мас. %, с каменноугольным пеком и органической добавкой при температуре 120-130 °С, формирование массы с последующим ее измельчением в пресс-порошок, прессование заготовок с плотностью выше 1,0 г/см³, обжиг заготовок при температуре 800-1300 °С и графитацию при температуре до 3000 °С. Недостатком материала полученного по данному способу являются недостаточная герметичность для применения в торцовых уплотнениях, так как пековое связующее при термической обработке всегда образует открытую пористость, которую необходимо закрывать путем проведения дополнительных пропиток, низкая износостойкость из-за высокой степени графитации материала, отсутствие в составе твердых смазок, определяющих работоспособность материала в вакууме и повышенной влажности.

Известен так же способ [RU № 2374174, С01В 31/04, 17.08.2007]. Изобретение заключается в том, что пековый или сланцевый смоляной кокс с выходом летучих веществ 3,0-9,0 мас. % измельчают до получения фракционного состава, в котором не менее 95 мас. % составляет фракция с размером частиц 21 – 30 мкм. Измельченный кокс смешивают при температуре 200-300 °С с 38-40 мас. % каменноугольного пека, имеющего температуру размягчения 130-160 °С, и с 0,2-0,35 мас. % органической добавки, в качестве которой используют, по меньшей мере, одно соединение из класса высших карбоновых кислот с размером молекул от 0,6 до 1,4 нм. Полученную смесь измельчают до пресс-порошка, прессованием формируют заготовки, которые обжигают и графитируют при 1600-1950 °С. После графитации заготовки пропитывают раствором фурфурилового спирта и лимонной кислоты и термообрабатывают при постепенном подъеме температуры до 240-300 °С. Недостатками данного изобретения являются отсутствие в составе твердой смазки – нитрид бора, которая обеспечивает работоспособность материала в вакууме и высокой влажности, недостаточная герметичность материала ввиду отсутствия операции уплотнения заготовок каменноугольным пеком. Отсутствие операции магнитная сепарация отрицательно сказывается на однородности материала, прочности и его работоспособности в паре трения. Уменьшение размеров частиц целевой фракции до 21-30 мкм увеличивает удельную поверхность для смачивания каменноугольным пеком и требует большего количества пека в исходной шихте, что не учитывается в соотношении материалов вышеуказанной композиции. Недостаточное количество связующего – пека, в процессе эксплуатации может вызывать выкрашивания материала из-за недостаточной связи наполнителя с матрицей, что в свою очередь приведет к нарушению герметичности и газопроницаемости уплотнения и выходу из строя конечного изделия.

Для осуществления предлагаемого способа получения самосмазывающегося материала на основе искусственного мелкозернистого графита, исходный продукт механической обработки искусственного мелкозернистого графита (полученный из искусственного мелкозернистого графита марок МГ, АРВ, МПГ и других с температурой обработки не менее 2400 °С) рассеивают для получения фракционного состава минус 90 мкм не менее 97 %, плюс 90 мкм не более 3 %. Пек каменноугольный высокотемпературный ГОСТ Р 59045-2020 с температурой размягчения 135-150 °С измельчают до получения не менее 97 % фракции с размером частиц минус 90 мкм. Отобранные фракции искусственного графита в количестве 57 мас. % и нитрид бора ТУ 20.13.64-001-31847486-2018 в количестве 7 мас. % перемешивают в подогреваемом смесителе до достижения температуры массы 150-200 °С, затем добавляют высокотемпературный пек в количестве 35 мас. %, органическую добавку в количестве 1 мас. % (кислота олеиновая ГОСТ 7580-91) и догревают до температуры 160-200 °С. Полученную массу измельчают до пресс-порошка с гранулометрическим составом не менее 97 % фракции минус 90 мкм, осуществляют магнитную сепарацию пресс-порошка, затем путем прессования формируют заготовки, после чего проводят обжиг при температуре до 1000 °С, при этом в диапазоне 400-600 °С скорость нагрева не более 5 °С в час. После термообработки заготовки с открытой пористостью 10-20 %, содержащие продукт механической обработки искусственного мелкозернистого графита в количестве 70-75 % мас. и нитрид бора в количестве 8-12 % мас., связанные пековым коксом в количестве 16-22 % мас., дополнительно уплотняют каменноугольным пеком ГОСТ 1038-17 с температурой размягчения 65-110 °С, затем осуществляют высокотемпературную обработку при 1500-2050 °С в вакууме или инертной атмосфере, при этом при температуре 900 °С осуществляется выдержка не менее 4-х часов, а в диапазоне температур 1000-2050 °С скорость нагрева не более 100 °С в час, далее заготовки пропитывают раствором фурфурилового спирта и полимеризуют при температурах 250-300 °С до достижения требуемых показателей герметичности материала.

Изобретение основано на образовании дополнительной коксовой матрицы путем уплотнения заготовок пеком каменноугольным до формирования необходимой пористости материала, что позволяет повысить физико-механические свойства материала полученного в соответствии с формулой изобретения.

Высокотемпературная обработка раскрывает поры в объеме материала, что позволяет повысить эффективность пропитки заготовок раствором фурфурилового спирта на заключительном этапе.

В известных способах получения самосмазывающихся материалов коксовый наполнитель предварительно измельчают до порошка, используя дорогостоящее оборудование различных типов для измельчения. Применение продукта механической обработки искусственного мелкозернистого графита с температурой обработки не менее 2400 °С, получаемого, во время механической обработки искусственных мелкозернистых графитов различных марок, в виде смеси мелкодисперсной пыли и более крупных частиц размером до 200 мкм, позволяет сократить технологический цикл производства и себестоимость материала полученного в соответствии с формулой изобретения, снизить трудоемкость работ, избежать затрат на дорогостоящее размольное оборудование, за счет отсутствия необходимости в операциях дробления и размола, обслуживании и ремонте оборудования для измельчения.

Размол и последующая классификация каменноугольного пека позволяют достичь более равномерного распределения компонента в пресс-порошке на этапе смешения, что влияет на однородность материала и как следствие на его физико-механические свойства.

Магнитная сепарация пресс-порошка позволяет удалить частицы магнитного характера, которые во время эксплуатации в паре трения оставляют задиры на контртеле, а также повысить однородность структуры и физико-механические свойства материала полученного в соответствии с формулой изобретения.

Технический результат заявленного изобретения заключается в достижении более высоких значений герметичности и снижении газопроницаемости самосмазывающегося материала на основе искусственного мелкозернистого графита.

В таблице 1 приведены физико-механические свойства материала.

Таблица 1

№
п/п Вариант осуществления способа Плот-ность, г/см³ Предел прочности при сжатии, МПа Герметичность* при давлении 2,45 МПа Газопроница-емость**, см²/с, не более 1 В соответствии с формулой изобретения 1,88 200 Герметичен 4,5∙10^-7 2 Без уплотнения каменноугольным пеком 1,75 150 Негерметичен 7∙10^-4 3 Без высокотемпературной обработки 1500-2050 °С 1,80 170 Негерметичен 5∙10^-5

* Герметичность определялась на кольцах, вырезанных из заготовок, в составе торцового уплотнения на стенде испытания на герметичность серийно выпускаемой продукции.

** Газопроницаемость определялась с помощью прибора «Дарсиметр».

Данные, приведенные в таблице, показывают эффективность предлагаемого способа.

При изготовлении самосмазывающегося материала в соответствии в соответствии с предлагаемым способом обеспечивается высокая прочность, герметичность и газопроницаемость.

В вариантах аналогах без уплотнения каменноугольным пеком, как это осуществляется в известных патентах, а также без последующей высокотемпературной обработки при 1500-2050 °С, герметичность при заданных параметрах не обеспечивается и газопроницаемость на порядок и более выше полученной по предлагаемому способу.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в торцовых уплотнениях узлов трения авиационной и наземной техники, где требуется работоспособность материалов в условиях вакуума, избыточных давлений, сухого трения, повышенной влажности и отрицательных температур. Технический результат заявленного изобретения заключается в достижении более высоких значений герметичности и снижении газопроницаемости самосмазывающегося материала. Продукт механической обработки искусственного мелкозернистого графита (искусственный графит с температурой обработки не менее 2400 °С) рассеивают для получения фракционного состава минус 90 мкм не менее 97%. Пек каменноугольный высокотемпературный измельчают до получения не менее 97 % фракции с размером частиц минус 90 мкм. Отобранные фракции искусственного графита нужного размера и твердой смазки – нитрида бора перемешивают в подогреваемом смесителе до достижения температуры массы 150–200 °С, затем добавляют высокотемпературный пек, органическую добавку (кислота олеиновая) и догревают до температуры массы 160–200 °С. Полученную массу измельчают до пресс-порошка с гранулометрическим составом не менее 97 % фракции минус 90 мкм, осуществляют магнитную сепарацию, затем формируют заготовки, после проводят обжиг при температуре до 1000 °С. В диапазоне 400–600 °С скорость нагрева не более 5 °С в час. Обожженные заготовки, содержащие продукт механической обработки искусственного мелкозернистого графита в количестве 70–75 мас.%, нитрид бора в количестве 8–12 мас.%, связанные пековым коксом в количестве 16–22 мас.%, с открытой пористостью 10–20 % дополнительно уплотняют каменноугольным пеком с температурой размягчения 65–110 °С и осуществляют высокотемпературную обработку при 1500–2050 °С, далее заготовки пропитывают раствором фурфурилового спирта и полимеризуют при температурах 250–300 °С до достижения требуемых показателей герметичности материала. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Способ получения самосмазывающегося материала на основе искусственного мелкозернистого графита, включающий рассев исходного продукта механической обработки искусственного мелкозернистого графита для получения фракционного состава минус 90 мкм не менее 97 %, размол каменноугольного высокотемпературного пека до получения не менее 97 % фракции с размером частиц минус 90 мкм, смешение отобранных фракций искусственного графита, нитрида бора, высокотемпературного каменноугольного пека и олеиновой кислоты в подогреваемом смесителе, измельчение полученной массы до пресс-порошка, магнитную сепарацию пресс-порошка, формование заготовок, обжиг при температуре 1000 °С, после чего заготовки с открытой пористостью 10-20 %, содержащие продукт механической обработки искусственного мелкозернистого графита в количестве 70-75 мас.% и нитрид бора в количестве 8-12 мас.%, связанные пековым коксом в количестве 16-22 мас.%, дополнительно уплотняют каменноугольным пеком с температурой размягчения 65-110 °С, затем осуществляют высокотемпературную обработку при 1500-2050 °С, далее заготовки пропитывают раствором фурфурилового спирта и полимеризуют его при температурах 250-300 °С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве искусственного графита используют мелкозернистые графиты, прошедшие термообработку при температуре не менее 2400 °С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь компонентов для заготовок готовят путем смешения требуемой фракции искусственного графита и твердой смазки – нитрида бора в подогреваемом смесителе, после чего в данную смесь, разогретую до 150-200 °С, добавляют размолотый пек и олеиновую кислоту и доводят до температуры 160-200 °С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь компонентов перед формованием подвергают магнитной сепарации.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что помол массы до пресс-порошка проводят до получения не менее 97 % фракции с размером частиц минус 90 мкм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку проводят в вакууме или инертной атмосфере, при этом при температуре 900 °С осуществляется выдержка не менее 4 часов, а в диапазоне температур 1000-2050 °С скорость нагрева не более 100 °С в час.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обжиг в диапазоне температур 400-600 °С проводят со скоростью нагрева не более 5 °С в час.