Антифрикционный композиционный материал

 

Использование: изготовление материала для подшипников скольжения сухого трения. Сущность изобретения: материал содержит, об.%: фторопласт 4 30-35; аппретированное углеродное волокно 35-45; металлическая связка 25-30. Углеродное волокно располагают во взаимно перпендикулярных направлениях как по отношению к силе трения, так и по отношению приложения нагрузки. 1 табл.

Изобретение относится к металлополимерным композиционным материалам на основе фторопласта-4. Изобретение может с успехом использоваться в различных отраслях народного хозяйства в качестве материала для подшипников скольжения сухого трения.

В настоящее время известны материалы на основе фторопласта-4, изготовленные из следующих компонентов, мас. фторопласт-4 80; рубленое стекловолокно 15; дисульфид молибдена 5 /1/.

Известны материалы, у которых в качестве наполнителя используют омедненное углеродное волокно /2/. Однако материалы данного класса обладают следующими недостатками: невысокой механической прочностью, жесткостью. Прочность и жесткость определяются прочностными характеристиками полимерной матрицы, в которой наполнитель расположен хаотически.

Известны материалы, у которых в качестве наполнителя используют антифрикционные сплавы /3/. Названные материалы обладают следующими недостатками: невысокой механической прочностью, жесткостью, низкими антифрикционными характеристиками.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению является композиционный материал /4/ следующего состава, мас.

Дисульфид молибдена 5-10 Свинец 25-30 Фторопласт-4 Остальное Названный материал обладает некоторыми недостатками, среди которых характерными являются невысокая прочность при сжатии, растяжении; наличие резкой границы между стеклотканевой основой и антифрикционным рабочим слоем; анизотропия свойств по сечению.

Целью изобретения является уменьшение анизотропии механических характеристик, увеличение прочности при растяжении, сжатии, что позволит расширить область использования.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается композиционный углеродофторопластовый материал, выполненный из фторопласта-4, аппретированных углеродных волокон, металлической связки, при следующих соотношениях составляющих ингредиентов, об.

Фторопласт-4 35-30 Аппретированные волокна углерода 35-45 Металлическая связка 30-25 Углеродные волокна в материале располагают перпендикулярно поверхности трения и параллельно направлению движения. Металлическую связку вводят способами компрессионной пропитки углеродофторопластовой матрицы. Для увеличения адгезионной прочности соединения углеродных волокон с металлическим связующим их дополнительно покрывают слоем меди или олова в количестве 1,5-2 мас. При пропитке металлом угольные волокна связываются между собой и образуют жесткий пространственный каркас.

Новизна предлагаемого решения подтверждается примерами конкретного выполнения.

Пример 1.

Производят подготовку исходных материалов следующим образом. Размалывают на мельнице, а затем просеивают через сито с размером ячейки не более 0,63 мм фторопласт-4 /ГОСТ 10007-84/. Далее производят навешивание полимера в количестве 128 г. Данное количество полимера разделяют на 30 частей для дальнейшего послойного прессования.

Производят аппретирование углеродных волокон. Для этого на поверхность наносят слой ферромагнитного вещества, а затем покрытие закрепляют гальваническим слоем меди или олова в количестве от 1,5 до 2 мас. В качестве угольного волокна использовали нить УКН-5000 "Б". После аппретирования волокно разделяют на следующее заготовки: длиной 100±0,5 мм в количестве 90 г; длиной 10±0,1 мм в количестве 38 г.

Затем в пресс-форму засыпают и разравнивают первую навеску фторопласта-4 в количестве 4,26 г. После на слой полимера размещают равномерным слоем угольные волокна длиной 100±0,5 мм в количестве 3,2 г. После производят засыпку, разравнивание второй навески фторопласта-4 и повторную навеску углеродных волокон длиной 100±0,5 мм в количестве 3,2 г. Слой располагают в плоскости разъема пресc-формы размером 100x100x80 мм перпендикулярно первому слою. Потом производят послойное размещение навески фторопласта-4, его разравнивание, размещение и ориентирование углеродных волокон впредь до последнего слоя. После этого производят закрытие пресс-формы и подпрессовывают заготовку до высоты 10 мм. После этого извлекают формующий пуансон и производят запрессовывание углеродных волокон длиной 10 мм в количестве 30 г. Углеродные короткие волокна располагают перпендикулярно послойному расположению волокон длиной 100 мм. После этого производят окончательное прессование заготовки до получения пористости 40% Затем заготовку помещают в автоклав с расплавом баббита Б-83 и производят компрессорную пропитку с одновременным спеканием полимерной матрицы. После извлечения из расплава количество баббита равно 219 г, что составляет 30 об.

Пример 2.

Первоначально производят аппретирование углеродной ленты ЛУП, как в примере 1. Затем производили навеску в количестве 109 г, после чего производили нарезку заготовок размером /100x100/+0,5 мм. После размола и рассеивания фторопласта-4 в количестве 101 г, как в примере 1, производят его навешивание на равное количество порций /по 4,26 г/. Затем производят навешивание 43 г аппретированных углеродных волокон длиной 10 мм. После этого производят послойное размещение фторопласта-4, ленты ЛУП в той же пресс-форме. Ленту ЛУП также располагают во взаимно перпендикулярных направлениях по плоскостям. После засыпки и подпрессовывания последнего слоя угольной ленты и фторопласта-4 производили запрессовку коротких угольных волокон в количестве 43 г. После оформления заготовки производили спекание и пропитку в расплаве баббита Б-83 по тем же технологическим режимам, как в примере 1. После взвешивания количество баббита было равно 183 г, что составляет в объемном отношении 25 об.

Пример 3.

Углеродную ткань "Урал" марки Т-22-В/22 /ТУ 6-06-Н107-84/ предварительно аппретировали, как в примерах 1, 2, а затем отвешивали 66,8 г, после чего разрезали на заготовки размером /100х100/±0,5 мм. После размола и рассеивания производили навешивание 117 г фторопласта-4. Затем фторопласт-4 навешивали на мерные порции, равные 4,26 г. После аппретирования производили отвешивание угольных волокон длиной 10 мм в количестве 33,5 г. Последующее формование заготовок, размещение тканого материала, угольных волокон, спекание и пропитку производили, как в примерах 1, 2. После извлечения заготовок из расплава и взвешивания количество баббита равнялось 205 г, что составляет 28 об.

Определен наиболее рациональный состав предложенного композиционного материала, а также вид и характер расположения армирующего углеродного каркаса. В процессе отработки технологических приемов изготовления, а также рационального соотношения составляющих ингредиентов были проведены испытания по определению прочности при растяжении, сжатии, антифрикционных характеристик.

Механическую прочность на сжатие оценивали по деформации после приложения статической нагрузки величиной 10 МПа и последующей выдержки в течение 24 ч. Прочность при растяжении определяли по ГОСТ 11262-80 "Пластические массы. Метод определения прочности при растяжении".

Антифрикционные испытания проводили на стандартной машине трения MH-1М в режиме сухого трения по схеме вал частичный вкладыш. Валом служили стальные ролики, изготовленные из стали-45 /ГОСТ 1050-84/ диаметром 50 и шириной 10 мм. Шероховатость поверхности контакта соответствовала Ра=0,63 /ГОСТ 2789-88/, термообработка до твердости НРС 45-50 единиц. В качестве вкладышей использовали исследуемый материал, форма которого соответствовала сегменту с внутренним диаметром 50 мм. Площадь контакта вкладыша в процессе всего комплекса исследований была постоянной и равной 1,5 см². Испытания проводили в течение 10 ч непрерывной работы при значении Р=1,0 МПа·м/с. Скорость относительного скольжения за весь период испытаний была постоянной и равной 1,1 м/с. При испытаниях производили измерение интенсивности износа; коэффициента трения; температуры вблизи поверхности трения. Коэффициент трения определяли по моменту трения; интенсивность износа по величине абсолютного износа за весь период испытаний; температуру при помощи хромель-копелевой термопары, спай которой размещали по центру площади контакта на расстоянии 0,5 мм от поверхности трения. Для сравнения в тех же условиях произвели испытания материалов, изготовленных по прототипу. Результаты испытаний представлены в таблице.

Примечание. При определении прочностных и деформационных характеристик материалов в числителе приведены данные при приложении нагрузки параллельно углеродным волокнам, а в знаменателе при приложении нагрузки перпендикулярно углеродным волокнам.

Проведенные исследования показывают, что наиболее стабильными характеристиками обладают материалы следующего состава, об.

Фторопласт-4 35-30 Аппретированные волокна углерода 35-45 Металлическая связка 30-25 При увеличении металлической составляющей прочностные характеристики материалов увеличиваются, но ухудшаются антифрикционные свойства при эксплуатации в сухом режиме трения. При уменьшении металлической составляющей наблюдается также ухудшение антифрикционных характеристик за счет снижения жесткости материала. Стабильными характеристиками обладают материалы, у которых при послойном формовании используют углеродную ткань.

Формула изобретения

Антифрикционный композиционный материал, включающий фторопласт-4, аппретированные углеродные волокна, металлическую связку, отличающийся тем, что углеродные волокна располагают во взаимно перпендикулярных направлениях как по отношению к силе трения, так и по отношению приложения нагрузки, при следующих соотношениях составляющих ингредиентов, об.

Фторопласт-4 30 35
Аппретированное углеродное волокно 35 45
Металлическая связка 25 30

РИСУНКИ

Рисунок 1