Антифрикционная композиция

Изобретение относится к наполненным полимерным композициям, предназначенным для изготовления крупногабаритных изделий антифрикционного назначения. Техническая задача - повышение износостойкости антифрикционной композиции при работе по контртелам из мягких нержавеющих сталей. Предложена антифрикционная композиция, включающая ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, фенолформальдегидное связующее и олеиновую кислоту, которая дополнительно содержит порошок меди дисперсностью менее 45 мкм, при следующем соотношении компонентов, % мас.: углеродная ткань 43,5-50, фенолформальдегидное связующее 35-50, олеиновая кислота 1,5-5 и порошок меди 5-10. При расположении углеродной ткани в композиции перпендикулярно поверхности трения износостойкость композиции увеличивается по сравнению с расположением слоев углеродной ткани параллельно поверхности трения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Заявляемое изобретение относится к наполненным полимерным композициям, в частности к полимерным композициям на основе ткани из углеродного волокна и фенолформальдегидного связующего. Указанные композиции предназначены для изготовления крупногабаритных изделий антифрикционного назначения, например торцевых уплотнений гидротурбин диаметром до 4,0 м, торцевых уплотнений и подшипников насосов, судовых опорных подшипников гребных валов, подшипников скольжения судовых рулей и т.п. Указанные уплотнения и подшипники работают с водяной смазкой.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является антифрикционная композиция, включающая в качестве армирующего материала ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, а в качестве связующего фенолформальдегидную смолу (патент РФ №2153107, МКИ⁷ F 16 C 33/04, опубл. 20.07.2000, Бюл. №20). Указанная композиция может дополнительно включать 4-10% от массы смолы непредельной жирной кислоты, например олеиновой или линолевой. Высокоскоростные детали трения, изготовленные из указанной композиции, успешно работают на водяной смазке по контртелам из бронз и твердых сталей, имеющих твердость по Роквеллу (HRC>40), проявляя высокую механическую прочность и высокую износостойкость. Однако при трении по вязким (мягким) нержавеющим сталям (HRC<40) износостойкость известной антифрикционной композиции резко снижается. Мягкие нержавеющие стали отличаются высокими технологическими, прочностными и коррозионными показателями, они дешевле твердых сталей и находят широкое распространение в машиностроении для изготовления, например, облицовки крупногабаритных валов гидротурбин, судовых гребных валов, насосов и т.п.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении износостойкости антифрикционной композиции при работе по контртелам из мягких нержавеющих сталей.

Указанный технический результат достигается тем, что антифрикционная композиция, включающая ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, фенолформальдегидное связующее и олеиновую кислоту, дополнительно содержит порошок меди с дисперсностью 5-45 мкм при следующем соотношении компонентов (% мас.):

углеродная ткань	43,5-50
фенолформальдегидное связующее	35-50
олеиновая кислота	1,5-5
порошок меди дисперсностью 5-45 мкм	5-10

Углеродная ткань, используемая в заявляемой композиции, получена так, как это описано в патенте РФ №2153107.

Фенолформальдегидная смола, взятая в качестве связующего, выпускается промышленностью по ГОСТ 901-78.

Олеиновая кислота выпускается по ГОСТ 7580-91.

Порошок меди выпускается промышленностью по ГОСТ 4960-75 (марки ПМС-В; дисперсностью до 100 мкм. Для выделения фракции менее 45 мкм вводится дополнительная операция ситового анализа по ГОСТ 4960-75, отбирается фракция, проходящая через сито 45 мкм; данные микрофотометрии показывают размер наименьшей частицы 5 мкм).

Далее заявляемое изобретение иллюстрируется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1

В реактор загружают 115,8 кг 38% раствора фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте (лак бакелитовый марки ЛБС-9 по ГОСТ 901-78), в пересчете на сухой остаток раствор содержит 44 кг (44 мас.%) фенолформальдегидной смолы. Добавляют при перемешивании 3 кг (3 мас.%) олеиновой кислоты. Раствор заливают в ванну пропиточной машины и пропитывают 45 кг (45 мас.%) углеродной ткани. Скорость пропитки - 1 кг/мин, температура в сушильной камере пропиточной машины 100-120°С. На пропитанную углеродную ткань (препрег) наносится 8 кг (8 мас.%) порошка меди ПМС-В дисперсностью 5-45 мкм. Выделение фракции менее 45 мкм проводится с помощью набора сит с сетками по ГОСТ 6613-86. Сита укладываются по возрастающему размеру ячеек, поддон помещают под ситами. Порошок меди высыпают на верхнее сито и прикрывают его крышкой. Систему сит помещают на встряхиватель марки 029М и включают его на 20 минут (частота встряхиваний 140-180 1/мин). Используют только фракцию 5-45 мкм. Из полученной антифрикционной композиции методом горячего прессования при температуре 140°С и давлении 5 МПа изготавливают образцы. Время выдержки при температуре прессования составляло 2 часа.

Полученную антифрикционную композицию исследовали по следующим показателям:

1. Интенсивность изнашивания (износостойкость) I:

I×10^-8 при контактном давлении 10 МПа, скорости скольжения 1 м/с, машина трения типа СМЦ-2, смазка водой, контртело - бронза (БрО10Ц2) и мягкая нержавеющая сталь (08Х18Н10Т, HRC...20) методика №11-114-345-2002, при трении параллельно и перпендикулярно слоям ткани в композиции.

2. Прочностные показатели:

разрушающее напряжение при растяжении, МПа по ГОСТ 23802-79;

разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа по ГОСТ 23803-79.

Состав композиции и физико-механические свойства композиции представлены в таблице.

Примеры 2 и 3

Антифрикционные композиции получены как в примере 1, но состав композиции другой.

Состав композиции и физико-механические свойства композиции представлены в таблице.

Пример 4 (контрольный по прототипу)

В реактор загружают 118 кг (45 мас.%) раствора фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте (лак бакелитовый марки ЛБС-9 по ГОСТ 901-78. Концентрация раствора - 38%). Добавляют при перемешивании 3,5 кг (3,5 мас.%) олеиновой кислоты. Раствор заливают в ванну пропиточной машины и пропитывают 51,5 кг (51,5 мас.%) углеродной ткани. Скорость пропитки - 1 кг/мин, температура в сушильной камере пропиточной машины 100-120°С. Из полученной антифрикционной композиции методом горячего прессования при температуре 140°С и давлении 5 МПа изготавливают образцы. Время выдержки при температуре прессования составляло 2 часа.

Полученную антифрикционную композицию исследовали как в примере 1.

Состав и физико-механические свойства композиций представлены в таблице.

Таблица. Состав и свойства антифрикционных композиций.
Показатель	Пример	Прототип Патент РФ №215307
1	2	3	4К
Содержание компонентов, % мас.
- фенолоформальдегидная смола (в пересчете на сухой остаток)	44	35	50	45
- олеиновая кислота	3	5	1,5	3,5
- углеродная ткань	45	50	43,5	51,5
- медь	8	10	5	-
Свойства: - интенсивность изнашивания, ×10-8
По бронзе O10Ц2 вдоль слоев ткани	8,0	9,0	8,5	10,0
По бронзе O10Ц2 перпендикулярно слоям ткани	6,0	7,0	6,5	7,0
По нержавеющей стали 08Х18Н10Т вдоль слоев ткани	14,0	15,0	14,0	130,0
По нержавеющей стали 08Х18Н10Т перпендикулярно слоям ткани	7,0	7,5	7,0	120,0
- разрушающее напряжение при растяжении, МПа	150	150	155	145
- разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа	180	175	182	180

Как видно из таблицы, заявляемая композиция по сравнению с прототипом обладает значительно более высокой износостойкостью при работе в воде по мягкой нержавеющей стали 08Х18Н10Т. При этом следует учитывать, что интенсивность изнашивания выше 50×10^-8 является катастрофической и материалы с таким износом в технике не применяются. Нами неожиданно было обнаружено, что если расположить углеродную ткань в композиции перпендикулярно поверхности трения, износостойкость композиции еще увеличивается (по сравнению с расположением слоев углеткани параллельно поверхности трения) в два раза.

1. Антифрикционная композиция, включающая ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, фенолформальдегидное связующее и олеиновую кислоту, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит порошок меди дисперсностью менее 45 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродная ткань	43,5-50
Фенолформальдегидное связующее	35-50
Олеиновая кислота	1,5-5
Порошок меди	5-10

2. Антифрикционная композиция по п.1, отличающаяся тем, что углеродная ткань в ней размещена параллельно поверхности трения.

3. Антифрикционная композиция по п.1, отличающаяся тем, что углеродная ткань в ней размещена перпендикулярно поверхности трения.