Композиционный триботехнический материал

Изобретение относится к антифрикционным материалам на основе термопластичных полимеров для изготовления подшипников скольжения, направляющих опор скольжения, работающих без смазки, со смазкой водой и технологическими жидкостями в различных отраслях техники. Техническая задача - разработка композиционного триботехнического материала, обеспечивающего низкие значения коэффициентов трения и высокую нагрузочную способность при смазке водой и технологическими жидкостями. Предложен композиционный триботехнический материал на основе термопластичного полимера, выбранного из полиамидов, поликарбонатов или полиарилатов, включающий порошок или гранулы политетрафторэтилена (20-40 мас.%), обработанные в плазме тлеющего разряда, и порошок серпентина (1-3 мас.%). 2 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к антифрикционным материалам на основе полимерных связующих для изготовления подшипников скольжения, направляющих опор скольжения, работающих без смазки, со смазкой водой и технологическими жидкостями в различных отраслях техники.

Уровень техники

Известна антифрикционная самосмазывающаяся композиция на основе полиэтилентерефталата (Пат. РФ №2220160. Опубл. 27.12.2003. Кл. С 08 J 5/16, С 08 L 27/18). Данная композиция содержит компоненты, мас.%: политетрафторэтилен - 1-3; закись меди - 30-45; глицерин - 5-9; абиетиновая кислота - 6-10; сложный эфир пентаэритрита и пальмитиновой кислоты - 0,2-2; трифенилфосфин - 0,3-1; масло терпентинное - 3-5; акриловый сополимер - 5-9; масло приборное МВП - 3-5; полиэтилентерефталат - остальное.

Низкая нагрузочная способность материала и относительно высокая интенсивность изнашивания являются недостатками этой композиции.

Известна также антифрикционная самосмазывающаяся композиция на основе полиэтилена (Пат. РФ №2172751. Опубл. 27.08.2001. Кл. С 08 L 23/06; С 08 J 5/16). Антифрикционная композиция состоит из политетрафторэтилена, закиси меди, глицерина, абиетиновой кислоты, сложного эфира пентаэритрита и пальмитиновой кислоты, трифенилфосфина. Отличается композиция тем, что содержит дополнительно масло вазелиновое, масло терпентинное, акриловый сополимер и полиэтилен при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен - 1-3, закись меди - 30-45, глицерин - 5-9, абиетиновая кислота - 6-10, сложный эфир пентаэритрита и пальмитиновой кислоты - 0,2-2, трифенилфосфин - 0,3-1, масло вазелиновое - 3-5, масло терпентинное - 3-5, акриловый сополимер - 5-9, полиэтилен - остальное.

Сложный состав, требующий многочисленных технологических операций получения композиции, низкая нагрузочная способность (до 3 МПа) являются недостатками этого материала.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков, т.е. прототипом, является композиционный триботехнический материал (Пат. РФ №2228347. Опубл. 10.05.2004. Кл. С 09 D 177/00; С 10 М 161/00).

Композиционный триботехнический материал включает полимерный компонент, сухую смазку и полимерное связующее. В качестве полимерного компонента используют порошок полиамида 11, в качестве полимерного связующего он содержит порошок полиамида 6, а в качестве сухой смазки - ультрадисперсный алмазосодержащий графит и возможно коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или дисульфид молибдена, при следующем соотношении используемых компонентов, мас.%:

порошок полиамида 11 - 1-40;

коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или

дисульфид молибдена - 0-1;

ультрадисперсный алмазосодержащий графит - 0,01-0,05,

порошок полиамида 6 - остальное.

К недостаткам композиционного материала можно отнести: высокие значения коэффициента трения при трении в воде и технологических жидкостях и низкая нагрузочная способность.

Сущность изобретения

Изобретательская задача состояла в разработке композиционного триботехнического материала, обеспечивающего низкие значения коэффициентов трения и высокую нагрузочную способность при смазке водой и технологическими жидкостями.

Поставленная задача достигается путем создания композиционного триботехнического материала на основе полимерного связующего, включающего политетрафторэтилен и твердые включения, отличающегося тем, что он содержит порошок или гранулы политетрафторэтилена, обработанные в плазме тлеющего разряда, в качестве твердых включений - порошок серпентина, а в качестве полимерного связующего - термопластичный полимер, выбранный из полиамидов, поликарбонатов или полиарилатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Политетрафторэтилен	20-40
Серпентин	1-3
Термопластичный полимер	До 100

Политетрафторэтилен (фторопласт, тефлон, флюон, сорефлон, аглофлон, гостафлон, полифлон) различных марок выпускается серийно в виде порошка, гранул, трубок, пластин, стержней согласно [ТУ-6-05-041-363-72, ОСТ 48-75-73, ТУ-6-05-810-88].

Перед получением композиционного триботехнического материала порошок или гранулы политетрафторэтилена обрабатывали в плазме тлеющего разряда в плазмотроне с мощностью 20-70 Вт, давлении плазмообразующего газа - воздуха - 25-75 Па в течение 0,5-5,0 мин во взвешенном слое.

Серпентин - природный минерал из класса силикатов. Порошок серпентина дисперсностью 5-40 мкм получали измельчением минерала в мельнице ударно-отражательного действия. Серпентины достаточно хорошо описаны в книге Нечаева А.В. Минералогия. - М.: Госиздат, 1924, 295 с.

В качестве полимерного связующего композиционного триботехнического материала взяты термопластичные полимеры, которые выпускаются серийно. К таким материалам относятся: полиамид 6, полиамид 11, полиамид ПМ-67-[ТУ 6-05-211-970-75, ТУ 6-05-988-87, ТУ 6-06-142-90]; вторичный полиамид П 66-[ТУ 6-05-031-503-77]; поликарбонат дифлон [ТУ-6-05-1668-74]; поликарбонат дифсан [ТУ-6-05-852-74]; полиарилаты Д-3, Д-4, Д-39 [ТУ-6-05-221-644-85].

Порошок или гранулы политетрафторэтилена, обработанного в плазме тлеющего разряда, смешивали с порошками серпентина и полимерного связующего в смесителе с внецентренной осью, затем смесь засыпалась в пресс-форму, в которой горячим прессованием получали образцы для триботехнических испытаний. Температура и давление горячего прессования отвечали справочным данным для термопластичных полимеров, как полимерных связующих.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Пример 1. 20 г (20 мас.%) порошка политетрафторэтилена Ф-40 обрабатывали в течение 0,5 мин в плазмотроне с мощностью 20 Вт и давлении плазмообразующего газа - воздуха - 25 Па, затем его смешивали с 1 г (1 мас.%) порошка серпентина дисперсностью 5-40 мкм, полученного измельчением в мельнице ударно-отражательного действия и 79 г (79 мас.%) полиамида 6. Эти порошки смешивали в смесителе в течение 1 ч и из смеси горячим прессованием в стальной пресс-форме получали образцы для испытаний на трение.

Пример 2. 30 г (30 мас.%) гранул политетрафторэтилена Ф-40, обработанных в плазмотроне с мощностью 40 Вт и давлении плазмообразующего газа - воздуха - 50 Па в течение 2,5 мин, смешивали с 2 г (2 мас.%) порошка серпентина и 68 г (68 мас.%) гранул полиамида 11 в смесителе и из смеси горячим прессованием получали образцы для испытаний на трение.

Пример 3. 40 г (40 мас.%) порошка политетрафторэтилена, обработанного в плазмотроне с мощностью 70 Вт, давлении плазмообразующего газа - воздуха - 75 Па в течение 5 мин, помещали в смеситель, куда добавляли 3 г (3 мас.%) порошка серпентина дисперсностью 5-40 мкм и 57 г (57 мас.%) гранул поликарбоната дифлона, смесь перемешивали в течение 1 ч и из смеси горячим прессованием получали образцы для испытаний на трение.

Пример 4. 45 г (45 мас.%) порошка политетрафторэтилена, обработанного в плазмотроне с мощностью 70 Вт, давлении плазмообразующего газа - воздуха - 50 Па в течение 5 мин, помещали в смеситель, куда добавляли 3 г (3 мас.%) порошка серпентина дисперсностью 5-40 мкм и 52 г (52 мас.%) гранул полиарилата Д-4, смесь перемешивали в течение 1 ч и из смеси горячим прессованием получали образцы для испытаний на трение.

Полученные образцы по примерам 1-4 и прототипу были испытаны на трение и износ на серийной машине трения 2070 СМТ-1 по общепринятой методике.

Условия испытаний: пара трения: «диск-колодка», материал вращающегося диска сталь 45 (HRC 48-50) ГОСТ 1050, колодки - полученные образцы, коэффициент перекрытия пары трения 1:12.

Режим трения: скорость скольжения - 1 м/с, нагрузка повышалась ступенчато до предела работоспособности (начало разрушения поверхности контакта образца), смазочным материалом служили вода и 40% водный раствор гидроксида натрия.

Результаты испытаний приведены в табл.1 и 2.

Таблица 1
Результаты испытаний при трении в воде
№ примеров	Значения коэффициентов трения при давлении, МПа	Предельное давление, МПа
3	5	7	10	15
1	0,017	0,011	0,011	-	-	7
2	0,183	0,163	0,127	0,10	0,076	15
3	0,21	0,17	0,14	0,15	-	10
4	0,205	0,17	0,13	0,14	-	11
Прототип	0,25	0,33	-	-	-	5

При трении в воде в заявленном интервале содержания компонентов в композиционном триботехническом материале коэффициенты трения снижаются в 2-15 раз при давлении 3 МПа и до 30 раз при давлении на образец 5 МПа, предельное давление увеличилось в 2-3 раза.

Результаты испытаний при трении в 40% водном растворе гидроксида натрия

Таблица 2
№ примеров	Значения коэффициентов трения при давлении, МПа	Предельное давление, МПа
3	5	7	10	15
1	0,009	0,009	0,01	0,015	-	10
2	0,011	0,01	0,015	0,09	0,09	19
3	0,15	0,15	0,13	0,14	0,15	15
4	0,14	0,15	0,12	0,14	0,14	16
Прототип	0,21	0,29	0,35	-	-	7

При трении в водном растворе гидроксида натрия коэффициенты трения снижаются в 3-35 раз при давлении на образец 7 МПа, предельное давление (нагрузочная способность) увеличилось в 1,5-2,7 раза.

Кроме этого, применение предлагаемого материала позволило повысить износостойкость в 1,2 раза при трении в воде и в 1,7 раза - при трении в водном растворе гидроксида натрия.

Композиционный триботехнический материал на основе полимерного связующего, включающий политетрафторэтилен и твердые включения, отличающийся тем, что он содержит порошок или гранулы политетрафторэтилена, обработанные в плазме тлеющего разряда, в качестве твердых включений - порошок серпентина, а в качестве полимерного связующего - термопластичный полимер, выбранный из полиамидов, поликарбонатов или полиакрилатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Политетрафторэтилен	20-40
Серпентин	1-3
Термопластичный полимер	До 100