Антифрикционная композиция
Владельцы патента RU 2295546:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (RU)
Изобретение относится к наполненным полимерным композициям, предназначенным для изготовления крупногабаритных изделий антифрикционного назначения. Антифрикционная композиция включает углеродную ткань с волокном со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм. Композиция содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: углеродная ткань 35-50%, фенолформальдегидное связующее 35-50, олеиновая кислота 1,5-5, порошков олова или оловянного баббита 5-10. Технический результат - снижение коэффициента трения в воде антифрикционной композиции при сохранении высокой прочности и износостойкости при работе по контртелам различной твердости. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к наполненным полимерным композициям, в частности к полимерным композициям на основе углеродной ткани и фенолформальдегидного связующего. Указанные композиции предназначены для изготовления изделий антифрикционного назначения, таких как подшипники скольжения и торцевые уплотнения приборов различного назначения, оборудования нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, горнорудной и химической промышленности. Подшипники и торцевые уплотнения такого оборудования работают в контакте с водой, нефтью и агрессивными жидкостями.
Известна антифрикционная композиция, включающая углеродную ткань и термореактивное связующее (патент РФ №2153107, М.кл.7 С 08 63/00, опубл. 20.07.2000, Бюл. №21). Углеродная ткань имеет средний размер кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщину пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм. В качестве полимерного связующего композиция содержит фенолформальдегидную смолу с добавкой 4-10 мас.% непредельной жирной кислоты, например олеиновой, или эпоксидную смолу.
Указанная антифрикционная композиция имеет высокие показатели износостойкости при трении по твердым сталям с твердостью по Роквеллу выше 40, прочности и стабильности размеров при трении в воде. Подшипники, в том числе для гидротурбин и гребных валов, и торцевые уплотнения, изготовленные из указанной композиции, успешно эксплуатируются с водяной смазкой. Однако указанная композиция имеет относительно высокий коэффициент трения.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является антифрикционная композиция, включающая углеродную ткань и полимерное связующее (патент РФ №2181128, МКИ7 C 08 L 63/00, опубл. 2002 г., БИ №10). Композиция содержит углеродную ткань такую же, как в патенте РФ №2153107, а в качестве термореактивного связующего - фенолформальдегидную смолу с добавкой олеиновой кислоты или эпоксидную смолу. Углеродная ткань перед пропиткой полимерным связующим обработана водной дисперсией политетрафторэтилена с размером частиц 0,1-0,4 мкм. Антифрикционная композиция имеет высокие показатели прочности и износостойкости при трении на воздухе по твердой стали. Это позволяет использовать композицию по патенту РФ 2181128 для изготовления деталей трения оборудования, которое работает попеременно с водяной смазкой и на воздухе; таким оборудованием являются, например, насосы, гидротурбины, грузоподъемные механизмы, буровые установки.
Недостатком указанной композиции является ее высокий коэффициент трения в воде. Кроме того, по нашим данным, антифрикционные композиции по патентам РФ №2153107 и №2181128 имеют низкую износостойкость при трении по вязким нержавеющим сталям с твердостью по Роквеллу ниже 40. Вязкие нержавеющие стали, отличающиеся высокими технологическими, прочностными и коррозионными показателями, менее склонны к растрескиванию и находят широкое распространение в машиностроении.
Существует много деталей трения, для которых величина коэффициента трения материала является главным требованием. В ряде случаев по конструктивным причинам, таким как ограничения массы, габаритов и др., невозможно увеличить мощность привода. При ограниченной мощности привода невозможно запустить механизм в случае, когда коэффициент трения пары трения высок. Таким образом, величина коэффициента трения определяет работоспособность механизма.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении коэффициента трения в воде антифрикционной композиции при сохранении высокой прочности и износостойкости при работе по контртелам различной твердости.
Указанный технический результат достигается тем, что антифрикционная композиция, включающая углеродную ткань со средним размером кристаллитов в волокне по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, фенолформальдегидное связующее, олеиновую кислоту и дисперсный металлический наполнитель, в качестве последнего содержит порошок металла, выбранного из группы, включающей олово и оловянный баббит, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углеродная ткань 43,5-50
фенолформальдегидное связующее 35-50
олеиновая кислота 1,5-5
порошок олова или оловянного баббита 5,0-10,0
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.
Оловянные баббиты марок Б88, Б83 и Б83С (ГОСТ 1320-74) содержали 81-90 мас.% олова и 10-19 мас.% примесей, таких как сурьма и медь (марка Б83) и дополнительно свинец (марка Б83С) или кадмий и никель (марка Б88). Они применяются для заливки подшипников скольжения или других антифрикционных деталей, работающих с масляной смазкой. Мягкая основа - олово позволяет подшипнику приработаться к валу и образовать на поверхности микрорельеф, удерживающий смазку. Баббиты в виде порошка в полимерных антифрикционных композициях не применялись.
Олово марок ПО-1 (ГОСТ 9723-73) и ПО-0 (ТУ 48-0220-42-92) не используются в антифрикционных целях.
Порошки баббита выпускаются промышленностью по ГОСТ 1320-74. Они имеют дисперсность 5-100 мкм, размер наименьшей частицы равен 5 мкм.
Порошки олова имеют дисперсность 5-100 мкм (ПО-1) и 5-112 мкм (ПО-0).
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 оловянного баббита Б83. Из полученной антифрикционной композиции методом горячего прессования при температуре 140°С и давлении 5МПа изготавливают образцы. Время выдержки при температуре прессования составляло 2 ч.
Полученную антифрикционную композицию исследовали по следующим показателям.
1. Коэффициент трения f:f×l0-3 при контактном давлении 10 МПа, скорости скольжения 1 м/с, машина трения типа СМЦ-2, смазка водой, контртело - сталь (18Х2Н4МА HRC...60) и мягкая нержавеющая сталь (08Х18Н10Т, HRC...20) методика №11-114-345-2002, при трении параллельно и перпендикулярно слоям ткани в композиции.
2. 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 - сталь (18Х2Н4МА, HRC...60) и мягкая нержавеющая сталь (08Х18Н10Т, HRC...20) методика №11-114-345-2002, при трении параллельно и перпендикулярно слоям ткани в композиции.
3. 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 в состав композиции 2 введен порошок оловянного баббита в количестве 10 мас.%, а в состав композиции 3 введен порошок оловянного баббита в количестве 5 мас.%.
Составы и физико-механические свойства композиций представлены в таблице.
Примеры 4 и 5. Антифрикционные композиции получены как в примере 1, но в состав композиции 4 введен порошок олова ПО-1, а в состав композиции 5 введен порошок олова ПО-0,
Составы и физико-механические свойства композиций представлены в таблице.
Пример 6 (контрольный по патенту РФ №2153107).
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.
Полученную антифрикционную композицию прессовали и исследовали как в примере 1.
Состав и физико-механические свойства композиций представлены в таблице.
Пример 7 (контрольный).
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 никеля ПНЭ-1 по ТУ 1793-001-07622839-2002.
Полученную антифрикционную композицию прессовали и исследовали как в примере 1.
Пример 8 (контрольный по прототипу).
Углеродную ткань предварительно обрабатывают дисперсией политетрафторэтилена (ПТФЭ) на вертикальной пропиточной машине. Дисперсия марки 4ДВ (ТУ 6-05-1246-96) имеет концентрацию ПТФЭ 58 мас.% и размер частиц полимера 0,1-0,4 мкм. Дисперсию разбавляют водой до концентрации ПТФЭ 4,5 мас.%, углеродную ткань пропитывают со скоростью 8-10 м/час и обработанную ткань высушивают в сушильной шахте при температуре 155+5°С. Содержание ПТФЭ в углеродной ткани 4% мас.%.
В реактор загружают 118 кг раствора фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте (лак бакелитовый марки ЛБС-9 по ГОСТ 901-78, концентрация смолы в растворе 38 мас.%). Добавляют при перемешивании 3,5 кг олеиновой кислоты. Раствор загружают в ванну пропиточной машины и пропитывают 51,5 кг углеродной ткани, предварительно обработанной дисперсией ПТФЭ при массовом соотношении углеродная ткань - ПТФЭ, равном 49,0:2. Скорость пропитки - 1 кг/мин. Температура в сушильной камере пропиточной машины 100-120°С. Содержание ПТФЭ в углепластике 2,5 мас.%.
Полученную антифрикционную композицию прессовали и исследовали как в примере 1.
Состав и физико-механические свойства композиций представлены в таблице.
| Таблица. Состав и свойства антифрикционных композиций. | ||||||||
| Показатель | Пример | |||||||
| по патенту № 2153107 | С никелем | По прототипу | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6К | 7К | 8К | |
| Содержание компонентов, мас.% | ||||||||
| - фенолоформальдегидная смола (в пересчете на сухой остаток) | 44 | 35 | 50 | 44 | 44 | 55 | 44 | 45 |
| - олеиновая кислота | 3 | 5 | 1,5 | 3 | 3 | 3,5 | 3 | 3,5 |
| - углеродная ткань | 45 | 50 | 43,5 | 45 | 45 | 41,5 | 45 | 49,0 |
| - оловянный баббит | 8 | 10 | 5 | - | - | - | - | - |
| - олово ПО-1 | - | - | - | 8 | - | - | - | - |
| - олово ПО-0 | - | - | - | - | 8 | - | - | - |
| - медь | - | - | - | - | - | - | - | - |
| - никель | - | - | - | - | - | - | 8 | |
| - фторопласт | - | - | - | - | - | - | 2,5 | |
| Свойства: коэффициент трения, f | - | - | - | - | - | - | - | - |
| вдоль слоев по стали 08Х18Н10Т | 0,03 | 0,025 | 0,03 | 0,03 | 0,025 | 0,09 | 0,10 | 0,06 |
| в торец слоев постали08Х18Н10Т | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,09 | 0,12 | 0,06 |
| вдоль слоев по стали 18Х2Н4МА | 0,03 | 0,025 | 0,03 | 0,025 | 0,025 | 0,09 | 0,10 | 0,06 |
| в торец слоев по стали 18Х2Н4МА | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,09 | 0,11 | 0,06 |
| - интенсивность изнашивания, ×10-8 | ||||||||
| вдоль слоев по стали 08Х18Н10Т | 14,0 | 15,0 | 14,0 | 13,0 | 13,5 | 130 | 12,0 | 30 |
| в торец слоев по стали 08Х18Н10Т | 6,5 | 6,2 | 7,0 | 6,0 | 6,1 | 80 | 5,0 | 20 |
| вдоль слоев по стали 18Х2Н4МА | 0,6 | 0,5 | 0,7 | 0,6 | 0,6 | 0,9 | 0,4 | 0,8 |
| в торец слоев по стали 18Х2Н4МА | 0,55 | 0,4 | 0,6 | 0,55 | 0,5 | 0,8 | 0,38 | 0,7 |
| - разрушающее напряжение при растяжении параллельно слоям, МПа | 150 | 150 | 155 | 145 | 150 | 150 | 155 | 140 |
| - разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа | 180 | 175 | 182 | 180 | 180 | 180 | 185 | 170 |
Как видно из таблицы, заявляемая композиция по сравнению с прототипом и аналогами обладает значительно более низким коэффициентом трения при работе в воде даже по стали низкой твердости. В то же время, при трении по стали низкой твердости заявляемая композиция обладает высокой износостойкостью, как и прототип.
Нами неожиданно было обнаружено, что именно оловянный баббиты и олово одновременно снизили коэффициент трения и интенсивность изнашивания (повысили износостойкость). Другие модификаторы (никель, медь, фторопласт) либо повышают коэффициент трения, либо на него не влияют.
1. Антифрикционная композиция, включающая углеродную ткань с волокном со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм и полимерное термореактивное связующее на основе фенолформальдегидной смолы и олеиновой кислоты, отличающаяся тем, что дополнительно содержит порошок металла, выбранного из группы, включающей олово и оловянный баббит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углеродная ткань | 43,5-50 |
| Фенолформальдегидное связующее | 35-50 |
| Олеиновая кислота | 1,5-5 |
| Порошок олова или оловянного баббита | 5-10 |
2. Антифрикционная композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит порошок олова дисперсностью 5-112 мкм.
3. Антифрикционная композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит порошок оловянного баббита дисперсностью 5-100 мкм.
