Композиция для получения углеродного самосмазывающегося материала

 

Использование: в качестве опорных элементов трения. Сущность изобретения: композиция содержит, мас.%: кокс каменноугольного пека 4 - 10, нитрид бора или естественный графит 5 - 20, полимер α - фурилкарбинола 5 - 10, фурфуролацетоновый олигомер 2 - 5, лимонную кислоту 0,25 - 0,6, борную кислоту 3 - 5, карбид кремния 10 - 20, кремний 3 - 7, искусственный графит или прокаленный кокс - остальное. Сухие компоненты смешивают, подвергают горячему прессованию и обжигу под давлением. Затем в автоклав подают смесь a6380 - фурилкарбинола, фурфуролацетона и раствора лимонной кислоты и термообрабатывают под давлением. В условиях граничного трения в абразивной среде гарантийный ресурс циклической работы не менее 12000 циклов. 1 табл.

Изобретение относится к углеродным материалам, используемым в узлах трения в качестве опорных и упорных элементов трения, где наряду с высокой газопроницаемостью требуются надежная работоспособность в переменных условиях граничного трения и в средах с наличием абразивных частиц, например, в центробежных насосах, обеспечивающих надежную работу судовых установок.

Известен углеродный материал, полученный из пресс-композиции антифрикционного назначения, включающий, мас. 49, 92 88, 99 искусственного графита или прокаленного кокса; 2 15 α фурилкарбинола; 4 15 кокса каменноугольного пека; 5 20 сухой смазки (нитрид бора или естественный графит); 0,01 0,08 ортофосфорной кислоты /1/. Низкая работоспособность в переменных условиях граничного трения и в абразивной среде делает его непригодным для использования в торцовых уплотнениях в указанных условиях.

Известна также композиция, включающая кокс каменноугольного пека, естественный графит, тальк, например, a фуранкарбинола, фурфуролацетоновый полимер, органическую кислоту, наполнитель и твердую смазку /2/. Однако и эта композиция не в полной мере обеспечивает надежную работу уплотнений в переменных условиях. В абразивной же среде материал практически не работоспособен.

В основу изобретения положена задача повышения надежности работы и увеличения ресурса работы материала в элементах трения в переменных условиях - граничного трения и абразивной среде.

Решение указанной задачи в композиции для получения углеродного самосмазывающегося материала, содержащей кокс каменноугольного пека, например, a фурилкарбинола, фурфуролацетоновый полимер, органическую кислоту, наполнитель и твердую смазку, обеспечивается тем, что в качестве органической кислоты она содержит лимонную кислоту, в качестве твердой смазки нитрид бора или естественный графит и искусственный графит или прокаленный кокс, в качестве наполнителя карбид кремния и кремний, и дополнительно содержит борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.

Кокс каменноугольного пека 4 10 Сухая смазка 5 20 Полимер a фурилкарбинола 5 10 Фурфуролацетоновый олигомер 2 5 Лимонная кислота 0,25 0,6 Борная кислота 3 5 Карбид кремния 10 20 Кремний 3 7 Искусственный графит или прокаленный кокс остальное.

Частицы карбида кремния в составе материала служат для образования прочных износостойких опор-шипов и в сочетании с углеродсодержащими компонентами образует монолитный несущий нагрузку износостойкий в абразивной среде каркас. Кремний равномерно распределяет нагрузку на рабочую поверхность элемента крови и совместно с искусственным графитом или прокаленным коксом и сухой смазкой обеспечивают надежную работу в переменных условиях.

Выбранное содержание компонентов в композиции является оптимальным и обеспечивает конечному материалу высокую износостойкость в переменных условиях как при граничном трении, так и в абразивной среде.

Содержание карбида кремния менее 10 мас. при формировании материала не обеспечивает образования несущего нагрузку прочного каркаса и необходимый ресурс работы в абразивной среде. Увеличение же содержания карбида кремния более 20 мас. экономически нецелесообразно.

Взятые пределы содержания кремния 3 7 мас. обеспечивают переход в карбид кремния определенной доли углеродной составляющей. Отклонение от этого предела не обеспечивает нужного стехиометрического соотношения фаз в конечном материале и равномерного распределения нагрузки.

Ниже приведены технологии получения самосмазывающегося углеродного материала и результаты сравнительных антифрикционных испытаний в разных условиях.

Пример. В шихту, состоящую из углеродсодержащих компонентов, сухой смазки (нитрида бора), кремния и карбида кремния вводили борную кислоту, загружали в смесильную машину и перемешивали при комнатной температуре в течение 1 ч. Пресс-порошок загружали в пресс-форму, футерованную огнеупорным электроизоляционным материалом, и подвергали горячему прессованию, при котором через пресс-массу пропускали электроток в течение 1,5 2,0 ч. Процесс СПО (совмещенное прессование и обжиг) осуществляли при давлении 300 400 кгс/см² и температуре 900 1100^oC. При этом происходит коксование каменноугольного пека. Полученную заготовку охлаждали до 300^oC под давлением, затем выпрессовывали и охлаждали до комнатной температуры на воздухе. После механической обработки полученные втулки или кольца загружали в автоклав, вакуумировали при остаточном давлении 5 мм рт.ст. в течение 1 ч. Затем в автоклав подавала пропитывающий раствор (смесь a6380 фурилкарбинола и фурфуролацетона с 57%-ным раствором лимонной кислоты в качестве катализатора), создавали давление 10 15 ати в течение 1,5 2 ч. Полученный материал термообрабатывали до температуры 300 400^oC (в зависимости от условий работы материала) со средней скоростью подъема температуры 5 7^oC/ч.

Структура конечного материала в результате такой обработки получена равноплотная, практически газонепроницаемая (на уровне 1^oC5·10^-5см²/с.).

Конкретные примеры составов композиций для углеродного самосмазывающего материала на заявленные и запредельные значения приведены в таблице 1, где представлены и сравнительные данные по износостойкости изделий из конечного материала, полученных по примерам 1 10. Примеры 4 10 выходят за пределы заявляемого объекта и показывают, что износостойкость конечного материала из этих композиций ниже по сравнению с материалом из композиции заявляемого состава.

Заявленное соотношение ингредиентов в композиции для углеродного самосмазывающегося материала позволило повысить надежную работоспособность агрегатов и установок по транспортированию жидких сред, в частности судовых центробежных насосов, в условиях граничного трения и абразивной среде.

Сравнительные антифрикционные испытания проводили на установке трения по стали Х18Н10Т с твердостью HRC 50 55 ед. в условиях граничного трения и в жидкой среде (вода) с абразивом. Дисперсность абразива 4 14 мкм, количество от объема жидкости 5мас. Условия испытаний: скорость скольжения 10 м/с; нагрузки 30 кгс/см²; режим циклический; предел продолжительности цикла (10 мин) 05 мин работы в ресурсе граничного трения и 5 мин. в абразивной среде. Скорость изнашивания, мкм/ч в режиме граничного трения составила: предлагаемого 1, 3; известного (прототипа) 3, 4; в абразивной же среде предлагаемый изнашивается со скоростью 0,6 мкм/ч, а известный катастрофически. Гарантийный ресурс циклической работы составил не мене 12000 циклов.

Из данных таблицы 1 следует, что заявляемый объект, полученный описанным способом (примеры 1, 2, 3), позволяет обеспечить износостойкость в переменных условиях трения граничное и абразивное.

Изделия по прототипу работоспособны только в режиме граничного трения. В абразивной же среде наблюдается катастрофический износ таких изделий.

Формула изобретения

Композиция для получения углеродного самосмазывающегося материала, содержащая кокс каменноугольного пека, полимер альфа-фурилкарбинола, фурфуролацетоновый олигомер, органическую кислоту, наполнитель и твердую смазку, отличающаяся тем, что в качестве органической кислоты она содержит лимонную кислоту, в качестве твердой смазки нитрид бора или естественный графит и искусственный графит или прокаленный кокс, в качестве наполнителя - карбид кремния и кремний и дополнительно содержит борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.

Кокс каменоугольного пека 4 10
Нитрид бора или естественный графит 5 20
Полимер альфа-фурилкарбинола 5 10
Фурфуролацетоновый олигомер 2 5
Лимонная кислота 0,25 0,6
Борная кислота 3 5
Карбид кремния 10 20
Кремний 3 7
Искусственный графит или прокаленный кокс Остальноеч

РИСУНКИ

Рисунок 1