Способ получения антифрикционного покрытия переменной плотности Российский патент 2024 года по МПК C08J5/16 B22F7/06 

Изобретение относится к способу получения антифрикционных полимерных покрытий и может быть использовано при изготовлении опорных полимерных деталей в узлах трения.

Работоспособность трущихся пар в работе машин и механизмов определяется критерием надежности и долговечности. Износ движущихся элементов приводит к преждевременному выходу их из строя. Для создания надежной техники требуются антифрикционные материалы и покрытия, эксплуатирующиеся без смазки в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в различных средах и климатических условиях. Кроме того, следует учитывать влияние разнородных контактирующих материалов на проявление электрохимической коррозии.

Такое истираемое покрытие может применяться в авиационной и машиностроительной технике. Например, в подвижном узле стыка углепластиковых деталей реверса авиационного двигателя и алюминиевых элементов мотогондолы для получения новых характеристик материалов в зоне трущихся тел введением в зону контакта «третьего тела», обеспечивающего совместимость контактирующих поверхностей и прочность антифрикционного покрытия.

Известно антифрикционное изделие по патенту №2068423, МПК В32В 7/02 на основе фторопласта с тонко дисперсным наполнителем, выполненным в виде слоистой конструкции с облицовкой с одной или двух сторон слоями ненаполненного фторопласта при соотношении основы изделия и наружных слоев 5:10:1. Так как материалом основы покрытия и наружных слоев является один полимер, например, фторопласт-4, то слоистая композиция обладает высокой адгезионной связью между компонентами слоев покрытия. В процессе эксплуатации происходит интенсивное истирание (износ) слоев ненаполненного фторопласта с образованием на поверхности металлического контртела очень тонкой полимерной антифрикционной пленки без частиц наполнителя, которая работает в качестве полимерной смазки. Однако, очень тонкая полимерная пленка из ненаполненного антифрикционного полимера, образовавшаяся на поверхности металлического контртела, в процессе работы при высоких скоростях и температурах изнашивается очень быстро. Следовательно потребуется ремонт и восстановление слоя ненаполненного антифрикционного полимера с последующей приработкой, что не обеспечивает долговечности покрытия и не технологично. Кроме того, в процессе работы на поверхности металлического контртела образуется очень тонкая полимерная пленка из ненаполненного антифрикционного полимера, которая при высоких скоростях и знакопеременных температурах может отслаиваться от поверхности контртела вследствие деформации и межслоевого сдвига, превышающих допустимые напряжения в контактирующих слоях. Что может привести к заклиниванию в зоне трения и в конечном итоге не обеспечивает надежности и долговечности покрытия.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является группа изобретений, относящихся к получению истираемого покрытия с переменной плотностью по патенту №2728166, МПК B22F 7/06. В известном способе для изготовления покрытия предварительно из металлической заготовки изготавливают подложку с участками (базовыми поверхностями) для формирования слоев материала. Для получения в слое участков разной плотности в известном техническом решении изготавливают фасонную форму и специальную подложку с разными уровнями поверхности, обеспечивающими разную толщину слоя, с последующим сжатием и полимеризацией. Слои разной плотности получают за счет толщины наносимого слоя порошка с последующим сжатием. При получении многослойного покрытия каждый слой материала-предшественника в виде порошка наносят отдельно, получая при сжатии и запекании слои с разными коэффициентами пористости. Для получения пакета слоев с разной плотностью, каждый слой формируют разной толщины. Сжимают и нагревают каждый слой отдельно.

Величина пористости и плотности в контактирующих слоях и участках может отличаться, что в процессе работы при высоких скоростях и знакопеременных температурах может привести к растрескиванию или расслоению покрытия в зоне контакта слоев вследствие деформации и межслоевого сдвига, превышающих допустимые напряжения в контактирующих слоях, что влияет на надежность и долговечность покрытия.

В известном способе технологический процесс получения покрытия с разной плотностью в слоях заключается в сжатии и спекании каждого слоя отдельно, что усложняет и удлиняет технологический процесс, требует дополнительные затраты на его осуществление. Для получения каждого следующего слоя покрытия технологический процесс удлиняется за счет повторения подготовительных режимов, режимов нагрева, прессования и контрольных операций. Кроме того, известный способ не обеспечивает получение новых характеристик материалов в зоне трущихся тел, обеспечивающих совместимость контактирующих поверхностей и прочность антифрикционного покрытия при эксплуатации, так как в способе используется один материал-предшественник в виде металлического порошка.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и долговечности покрытия из антифрикционного полимера, а также сокращение и упрощение технологического процесса изготовления.

При решении поставленной задачи достигаются следующие технические результаты:

1 Обеспечение минимизации рисков растрескивания и расслаивания внутри слоя и между слоями покрытия путем:

- использования порошка-наполнителя материала-предшественника с коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), соответствующим КЛТР материала базовой поверхности. Использование контактирующих материалов с наиболее близким КЛТР обеспечивает получение равнопрочных стыков материалов без деформации контактирующих слоев покрытия из-за расширения и сдвига слоев относительно друг друга при охлаждении и нагреве в процессе эксплуатации;

- уменьшения в каждом последующем слое массовой доли порошка-наполнителя материала-предшественника, имеющего КЛТР, соответствующий КЛТР материала базовой поверхности, и пропорционального дополнения тонкодисперсным износостойким наполнителем до полного замещения. Так как при этом коэффициент линейного расширения порошка-наполнителя контактирующих слоев отличается незначительно, достигается равномерное изменение плотности в слоях, таким образом отслоение контактирующих слоев от базовой поверхности и расслоение в самих слоях при полимеризации и последующей эксплуатации исключается;

- ограничения слоев с двух сторон ненаполненным антифрикционным полимером с нагреванием до состояния пластичности, что обеспечивает прилипание порошка-наполнителя при нанесении и равномерное его распределение. Кроме того, в процессе сжатия и нагрева происходит внедрение фракций порошка-наполнителя в ненаполненный антифрикционный полимер, в результате полимеризации сформированного пакета слоев получаем полимерное покрытие с равномерным изменением плотности от нижнего слоя к верхнему.

- получения новых свойств в верхнем слое покрытия для обеспечения работы в паре с контактирующей поверхностью за счет пропорционального замещения в каждом последующем слое массовой доли порошка-наполнителя материала-предшественника тонкодисперсным износостойким наполнителем до полного замещения.

2 Сокращение и упрощение технологического процесса получения полимерного покрытия с переменной плотностью обеспечивается путем:

- ограничения слоев с двух сторон ненаполненным антифрикционным полимером с нагреванием до состояния пластичности и осуществления сжимания и спекания всего пакета слоев одним режимом сжатия и нагрева. Такое решение позволяет уменьшить количество применяемой оснастки, упрощает процесс выкладки слоев порошка-наполнителя, сокращает количество операций контроля, подготовки поверхностей;

- нанесения порошкового наполнителя на ненаполненный антифрикционный полимер с нагреванием до состояния пластичности, что обеспечивает прилипание порошкового наполнителя, равномерное его распределение и адгезию, минимизацию расхода порошкового наполнителя;

- сжимания и спекания сформированного пакета слоев одновременно, не применяя при этом специальных средств технического оснащения, что позволяет уменьшить количество применяемой оснастки, время на контроль и подготовку поверхностей, длительность и трудоемкость технологического процесса.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения антифрикционного покрытия с переменной плотностью, включающем этапы формирования слоев, нанесение на базовую поверхность материала-предшественника в виде порошка-наполнителя, сжимание и спекание до получения антифрикционного покрытия с получением слоев, обладающих разной плотностью, согласно изобретению каждый слой порошка-наполнителя ограничивают слоями ненаполненного антифрикционного полимера, которые нагревают до состояния пластичности, причем в каждом последующем слое массовую долю порошка-наполнителя материала-предшественника, имеющего коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР), соответствующий КЛТР материала базовой поверхности, уменьшают пропорционально дополняя тонкодисперсным износостойким наполнителем до полного замещения, после чего выполняют сжимание и спекание слоев одновременно.

Заявленная совокупность и взаимосвязь существенных признаков является новой, так как имеет существенные отличительные от прототипа признаки, позволяет получить новые, указанные выше, технические результаты. Таким образом, заявляемый способ соответствует критериям изобретения новизна и изобретательский уровень.

Предлагаемый способ иллюстрируется рисунком, на котором представлена схема формирования слоев покрытия.

Заявляемый способ получения покрытия с переменной плотностью и переменными свойствами по толщине практически осуществляется следующим образом.

Антифрикционное покрытие изготавливали для подвижного узла стыка углепластиковой детали реверса авиационного двигателя и алюминиевой детали мотогондолы. По условиям эксплуатации контактирующие детали большую часть времени находятся в неподвижном состоянии. Срабатывание реверса со смещением и трением контактирующих поверхностей относительно друг друга происходит кратковременно на этапе посадки самолета. При этом, в зоне трущихся поверхностей возникает электрохимическая коррозия. Следовательно, по условиям эксплуатации выбор порошка-наполнителя материала-предшественника должен соответствовать свойствам углепластика, а замещающий его тонкодисперсный износостойкий наполнитель должен быть инертным, износостойким и в то же время обеспечивать истирание с образованием на поверхности алюминиевого контртела тонкой антифрикционной пленки, которая работает в качестве полимерной смазки.

В приведенном примере выполнения базовая поверхность перегородки мотогондолы выполнена из композиционного материала на основе препрега углепластика марки ВКУ-39 ТУ 1-595-11-1352-2012. В качестве порошка материала-предшественника выбран углерод С-1, КЛТР которого идентичен КЛТР перегородки мотогондолы. Сопрягаемая деталь выполнена из алюминиевого сплава, этот фактор обусловил выбор инертного к алюминию тонкодисперсного износостойкого наполнителя MoS₂, т.к. он отвечает требованиям условий эксплуатации мотогондолы, позволяет снизить коэффициент трения и повысить износостойкость.

На предварительно подготовленную базовую поверхность 1, в качестве которой в настоящем примере выбран препрег углепластика марки ВКУ-39 ТУ 1-595-11-1352-2012. (в качестве базовой поверхности может быть использована контактная поверхность углепластиковой детали), наносят ненаполненный антифрикционный полимер 2, например пленку клеевую ВК-36 S=0,24 мм. Для обеспечения надежного сцепления пленку клеевую нагревают горячим воздухом до состояния пластичности. На нагретую поверхность наносят напылением слой тонкодисперсного износостойкого наполнителя, а именно, порошок-наполнитель материала-предшественника 3 со свойствами (КЛТР), идентичными базовой поверхности детали 1, графит С-1 толщиной слоя от 0,04 до 0,2 мм. Далее наносят следующий слой - пленку клеевую ВК-36, на которую исходя из заданной толщины покрытия напыляют слой из смеси графита С-1 (70%) и дисульфида молибдена MoS₂ (30%). В каждом последующем слое массовую долю порошка-наполнителя материала-предшественника, имеющего коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР), соответствующий КЛТР материала базовой поверхности, уменьшают на 30%, пропорционально дополняя тонкодисперсным износостойким наполнителем до полной замены графита дисульфидом молибдена MoS₂.

Каждый слой смеси наполнителя отделяют слоем пленки клеевой ВК-36. Пакет подложки с нанесенными слоями вакуумируют в вакуумном пакете и помещают в автоклав, где полимеризуют композицию при 180°С в инертной среде в течение не менее 10 часов. После полимеризации охлаждают до комнатной температуры (18-20°С) на воздухе. Исходя из того, что плотность графита меньше, чем плотность дисульфида молибдена, замена порошка с меньшей плотностью на большую приведет к повышению плотности в последнем слое пакета. В результате получают равнопрочное покрытие с переменной плотностью по толщине покрытия. При эксплуатации в процессе трения часть частиц MoS₂ переносится на сопряженную поверхность алюминиевой контр детали. При этом частицы MoS₂ ориентируются параллельно направлению движения, образуя гладкую и скользкую защитную антифрикционную пленку на обеих поверхностях.

Заявленный способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение надежности и долговечности покрытия из антифрикционного полимера а также сокращение и упрощение технологического процесса изготовления.

Изобретение относится к способу получения антифрикционных полимерных покрытий и может быть использовано при изготовлении полимерных деталей в узлах трения. Способ получения антифрикционного покрытия с переменной плотностью включает следующие этапы формирования слоев. На базовую поверхность наносят материал предшественник в виде порошка-наполнителя, первый и все последующие слои порошка-наполнителя ограничивают слоями ненаполненного антифрикционного полимера, которые перед нанесением порошка-наполнителя нагревают до состояния текучести. В каждом последующем слое массовую долю порошка-наполнителя материала-предшественника, имеющего коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) соответствующий КЛТР материала базовой поверхности, уменьшают, пропорционально дополняя тонкодисперсным износостойким наполнителем до полного замещения. Затем весь пакет слоев сжимают и спекают одновременно до получения антифрикционного покрытия с получением слоев, обладающих разной плотностью. Изобретение обеспечивает повышение надежности и долговечности покрытия из антифрикционного полимера, а также сокращение и упрощение технологического процесса изготовления. 1 ил.

Способ получения антифрикционного покрытия с переменной плотностью, включающий следующие этапы формирования слоев: нанесение на базовую поверхность материала-предшественника в виде порошка-наполнителя, сжимание и спекание до получения антифрикционного покрытия с получением слоев, обладающих разной плотностью, отличающийся тем, что каждый слой порошка-наполнителя ограничивают слоями ненаполненного антифрикционного полимера, которые нагревают до состояния пластичности, причем в каждом последующем слое массовую долю порошка-наполнителя материала-предшественника, имеющего коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР), соответствующий КЛТР материала базовой поверхности, уменьшают, пропорционально дополняя тонкодисперсным износостойким наполнителем до полного замещения, после чего выполняют сжимание и спекание слоев одновременно.