Антифрикционный композиционный материал Российский патент 2022 года по МПК C08L27/18 C08J5/16 C08K3/08 F16C33/24 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к антифрикционным композиционным материалам, предназначенным для изготовления подшипников скольжения машин и агрегатов.

Известен полимерный антифрикционный композиционный материал, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена, углеродного материала, измельченного в присутствии политетрафторэтилена до длины волокон 0,05-0,50 мм, отличающийся тем, что материал содержит второй углеродный наполнитель в виде порошка скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м²/г, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: политетрафторэтилен - 81,5-87; фдисульфид молибдена - 1,5-2; скрытокристаллический графит-6,0-10; углеродное волокно - 4-7 (патент RU, №2307130 С1, КМП C08J 5/16, C08K 3/04, C08L 27/18).

Однако известный антифрикционный композиционный материал имеет недостаточную износостойкость, неудовлетворительную стойкость к повышенным температурам, повышенную трудоемкость, а технология подготовки углеродного волокна и контроля длины волокон является сложной и трудоемкой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является антифрикционный полимерный композиционный материал, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена и двух углеродных наполнителей, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м²/г, отличающийся тем, что второй углеродный наполнитель представляет собой углеродные нанотрубки, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, масс. %: политетрафторэтилен -86-95%; дисульфид молибдена -1,0-2,3%; скрытокристаллический графит -1,5-6,0%; углеродные нанотрубки -1,0-3,8% (патент RU, №2525492 С2, КМП C08L 27/18, C08K 3/04, C08K 3/10, В82В 3/00).

Однако известный антифрикционный композиционный материал имеет недостаточную работоспособность, связанную с пониженной теплоотводящей способностью антифрикционного материала.

Технической задачей является повышение температуропроводности и теплоемкости антифрикционного материала.

Поставленная цель достигается тем, что антифрикционный композиционный материал, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена и наполнителей, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита, отличающийся тем, что второй наполнитель представляет собой легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку в виде капсул, выполненных из меди или ее сплавов в форме сферы, эллипсоида или цилиндра с коническими основаниями диаметром 5-6 мм и длиной 8-10 мм, при этом компоненты антифрикционного материала задаются в следующем объемном соотношении: политетрафторэтилен 70-75%, дисульфид молибдена 1-3%, скрытокристаллический графит 2-6%, легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку 15-20%, а температура плавления легкоплавкой составляющей задается в пределах от 80 до 140°С.

Предлагаемый антифрикционный материал повышает работоспособность вкладышей подшипников скольжения за счет более эффективного отвода тепла из зоны трения, и внутриструктурного его поглощения, вследствие наличия в структуре материала капсул с легкоплавким материалом, снижающих и стабилизирующих температуру работы триботехнического узла.

Антифрикционный материал выполнен на основе политетрафторэтилена и наполнителей, включающих дисульфид молибдена, ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита, легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку, причем компоненты взяты в следующем соотношении их объемов: политетрафторэтилен 70-75%, дисульфид молибдена 1-3%, скрытокристаллический графит 2-6%, легкоплавкий материал, заключенный в капсулу с тонкостенной оболочкой 15-20%.

Основой для создания антифрикционного материала является политетрафторэтилен, обладающий низким коэффициентом трения и коэффициентом линейного термического расширения, самосмазываемостью, задиростойкостью, коррозионной стойкостью и пластичностью. Его компоненты не шаржируются в поверхностный слой контртела. Кроме того, такой материал лучше других полимеров проводит тепло и рассеивает его в окружающей среде, что позволяет повысить скорости и нагрузки в узлах трения скольжения.

Использование в качестве наполнителей дисульфида молибдена и скрытокристаллического графита способствует повышению триботехнических свойств антифрикционного материала и уменьшает потери на трение.

Тонкостенная оболочка капсул с легкоплавким материалом выполнена из металла с высокой теплопроводностью, например, из меди или латуни в форме сферы, эллипсоида или цилиндра с коническими основаниями. Это достигается путем заполнения тонкостенной трубчатой заготовки легкоплавким материалом на 90-95% и создания путем ее обжатия замкнутой капсулы диаметром 5-6 мм и длиной 8-10 мм. Возможно также формирование на заготовках из легкоплавкого материала оболочек химическим, электрохимическим и электроискровым методами.

Температура плавления Т_пл легкоплавкого материала теплопоглащающих элементов задается в пределах от 80 до 140°С. Например, в качестве наполнителей могут использоваться чистые материалы или сплавы, содержащие висмут 35,3%, кадмий 9,5%,свинец 35,1%,олово 20,1% (Т_пл=80°С) или сплав Розе, содержащий висмут 50%,олово 25%,свинец 25% - (Т_пл⁼90°С), или сплав, содержащий висмут 28,5%,олово 28,5%,свинец 43% -(Т_пл=132°С).

При этом оболочки с легкоплавким материалом располагаются в структуре заготовки антифрикционного вкладыша преимущественно в поверхностном слое, прилегающем к функциональной поверхности, и составляющим 25-50% его общей толщины. Благоприятным является использование эвтектических сплавов, например, висмут 57% и олово 43% (Т_пл=138°С), висмут 56,5% и олово 43,5% (Т_пл=125°С).

Пример. Для изготовления антифрикционного материала в качестве основы принимают политетрафторэтилен - фторопласт-4 марки ПН в количестве 70-75% от объема создаваемого вкладыша, вводят в шихту дисульфид молибдена в объеме 1-3%, скрытокристаллический графит с удельной поверхностью 50-75 м²/г 2-6%. Затем полученную шихту перемешивают в смесителе при вращении ротора с частотой не менее 7000 мин-¹ в течение 2,0-2,5 мин. После этого в композиционной смеси размещают капсулы с легкоплавким материалом, занимающие в общем объеме материала 15-20%. При этом локализация теплопоглащающих капсул осуществляется преимущественно в поверхностном слое, формируемого вкладыша подшипника скольжения, прилегающем к функциональной поверхности, и составляющим 25-50% его общей толщины. Полученную таким образом смесь помещают в пресс-форму и прессуют при давлении 90-100 МПа. Затем отпрессованную заготовку спекают в печи при температуре 360±5°С с выдержкой при названной температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки заготовки. Нагрев заготовок до температуры спекания производят со скоростью 1,5-2,0 град/мин, охлаждение от температуры спекания до 327°С - со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до 20-25°С охлаждают в термошкафе со скоростью 1-1,5 град/мин.

Реализация теплоаккумулирующего эффекта применяемого легкоплавкого наполнителя, наблюдаемого в процессе его плавления, способствует дополнительному улучшению теплофизических свойств, создаваемых антифрикционных композиционных материалов. Поэтому повышенный теплоотвод достигается как за счет увеличения количества теплоотводящих металлических компонентов, так и за счет обеспечения возможности аккумулирования тепловой энергии структурными составляющими вследствие теплопоглощения, происходящего при плавлении используемых легкоплавких материалов. Таким образом в начале реализации процесса трения выделяющееся тепло расходуется на плавление легкоплавкого содержимого металлических капсул. При этом дальнейшего увеличения температуры деталей, выполненных из теплоаккумулирующего материала, не происходит. Таким образом, размещение в политетрафторэтилене капсул с легкоплавким материалом не только повышает эффективность отвода тепла из зоны трения, но и стабилизирует температуру работы детали.

В результате достигается повышение работоспособности антифрикционного композиционного материала.

Антифрикционный композиционный материал для изготовления подшипников скольжения машин и агрегатов, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена и наполнителей, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита. Второй наполнитель представляет собой легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку в виде капсул, выполненных из меди или ее сплавов в форме сферы, эллипсоида или цилиндра с коническими основаниями диаметром 5-6 мм и длиной 8-10 мм, при этом компоненты антифрикционного материала задаются в следующем объемном соотношении: политетрафторэтилен 70-75%, дисульфид молибдена 1-3%, скрытокристаллический графит 2-6%, легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку, 15-20%, а температура плавления легкоплавкой составляющей задается в пределах от 80 до 140°С. Технический результат заключается в повышении работоспособности вкладышей подшипников скольжения за счет более эффективного отвода тепла из зоны трения и внутриструктурного его поглощения вследствие наличия в структуре материала капсул с легкоплавким материалом, снижающих и стабилизирующих температуру работы триботехнического узла. 1 з.п. ф-лы.

1. Антифрикционный композиционный материал, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена и наполнителей, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита, отличающийся тем, что второй наполнитель представляет собой легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку в виде капсул, выбранный из меди или ее сплавов в форме цилиндра с коническими основаниями диаметром 5-6 мм и длиной 8-10 мм, при следующем объемном соотношении компонентов:

Политетрафторэтилен 73-75% Дисульфид молибдена 1-3% Скрытокристаллический графит 2-6% Легкоплавкий материал, заключенный в тонкостенную оболочку 16-20%

2. Антифрикционный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что капсулы с легкоплавким материалом располагаются преимущественно в поверхностном слое формируемого вкладыша подшипника скольжения, прилегающем к функциональной поверхности и составляющем 25-50% его общей толщины.