Композиционный материал для триботехнических покрытий
Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для изготовления антифрикционных покрытий деталей узлов трения, эксплуатируемых преимущественно без подвода внешней смазки. Изобретение касается композиционного материала для триботехнических покрытий на основе полиамида 6, содержащего полимерный модификатор и сухую смазку. В качестве полимерного модификатора композиционный материал содержит смесь порошков полиамида 11 и политетрафторэтилена при соотношении 1:1÷5:1, одинаковой дисперсности с порошком полиамида 6, а в качестве сухой смазки слоистый силикатсодержащий минерал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2 табл.
Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для изготовления антифрикционных покрытий деталей узлов трения различных машин и механизмов, эксплуатируемых преимущественно без подвода внешней смазки.
Для изготовления покрытий триботехнического назначения широко применяют полимерные связующие, главным образом полиамиды, полиолефины, фторсодержащие полимеры, полиэфиры (Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника. - 1992. - С.256). Наиболее распространенной технологией является метод псевдоожиженного слоя, в котором металлическую заготовку, на которую наносят покрытие, помещают в псевдоожиженный слой, представляющий собой воздушную взвесь полимерного порошка. Оплавление осадившегося порошка формирует покрытие заданной толщины на рабочей поверхности детали. Для обеспечения необходимых функциональных характеристик покрытий в состав композиций вводят различные добавки: сухие смазки, порошки металлов, оксидов, силикатов и др. Содержание таких добавок обычно составляет от 5 до 40 мас.%. Введение порошкообразных добавок в состав композиций для получения покрытий существенно усложняет технологию их нанесения, т.к. из-за различия в удельном весе полимерных порошков и добавок наблюдается сепарация, в результате которой получают покрытие неоднородного состава.
Известен композиционный материал для узлов трения автомобильных агрегатов, содержащий криогенно-измельченный порошок полиамида 6 и смесь частиц алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода (Патент РФ на изобретение №2223304, С10М 169/04, С08L 66/00, 2002 г.). Данный композиционный материал обладает высокой износостойкостью и достаточной адгезией к металлическим деталям. Однако при эксплуатации без подвода внешней смазки покрытие имеет достаточно высокий коэффициент трения, что обусловливает существенную нагрузку на узел трения, особенно при реверсивном характере движения.
Известен композиционный материал для триботехнических покрытий на основе модифицированного полиамида, содержащий углеродный наполнитель, представляющий собой смесь графита, углеводородного волокна и нанодисперсного углерода (Патент РФ №2219212, С09D 177/02, 5/03, 2003 г.). Модифицирование полиамида 6 полиолефином обеспечивает снижение коэффициента трения покрытия при повышенных эксплуатационных режимах вследствие плавления полиолефина, а введение в состав композиции сухой смазки повышает стабильность триботехнических характеристик. Недостатком покрытия является сравнительно высокий коэффициент трения при «мягких» режимах эксплуатации, при которых температура в зоне трения не достигает температур плавления модификатора (120-140°С).
Прототипом изобретения является композиционный триботехнический материал, включающий полимерный компонент, сухую смазку и полимерное связующее, отличающийся тем, что в качестве полимерного компонента используют порошок полиамида 11, в качестве сухой смазки - алмазосодержащий углерод и возможно коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или дисульфид молибдена (Патент РФ №2228347 «Композиционный триботехнический материал», С09D 177/00, С10М 161/00, 2004 г.). При введении в состав полиамида 6 указанных компонентов обеспечивается комплекс высоких служебных характеристик: износостойкость в сочетании с достаточной адгезией к металлической подложке и низким коэффициентом трения. К числу существенных недостатков относятся высокая адгезионная прочность и физико-механические характеристики при повышенных температурах и высокий коэффициент трения при эксплуатации в реверсивном режиме, особенно в процессе приработки узла трения. Эти недостатки обусловлены формированием негомогенной структуры покрытия вследствие различия геометрических размеров частиц матрицы и модификаторов и различия реологических характеристик расплава матричного полимера и модификатора при температурах формирования покрытия.
Задачей изобретения является снижение коэффициента трения при реверсивном движении элементов пары трения при достижении оптимального сочетания износостойкости и адгезионной прочности в соединениях с металлами.
Поставленная задача решается тем, что композиционный материал для триботехнических покрытий на основе полиамида 6, содержащий полимерный модификатор и сухую смазку, в качестве полимерного модификатора содержит смесь порошков полиамида 11 и политетрафторэтилена при соотношении 1:1÷5:1 одинаковой дисперсности с порошком полиамида 6, а в качестве сухой смазки - слоистый силикатсодержащий минерал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| смесь порошков | |
| полиамида 11 и политетрафторэтилена | |
| при соотношении 1:1÷5:1 | 2,0-60,0 |
| слоистый силикатсодержащий минерал | 0,1÷1,0 |
| полиамид 6 | остальное |
Составы композиционного материала для триботехнических покрытий конкретного исполнения представлены в табл.1.
Для приготовления композиций использовали порошки полиамидов в состоянии промышленной поставки, а порошок полиамида 6 - после криогенного измельчения при охлаждении жидким азотом. Фракционирование порошков осуществляли с помощью набора сит.
В качестве слоистого силикатсодержащего минерала использовали глинистые минералы - каолинит (I-V), бентонит (состав VI) и монтмориллонит (составы VII-VIII). Дисперсность частиц глинистых минералов не превышала 50 мкм. Основную часть минеральной добавки составляла фракция 5-10 мкм.
Композиционные материалы для триботехнических покрытий получали смешиванием порошкообразных компонентов в смесителе с механическим активированием, например в шаровой мельнице МБЛ, в присутствии металлических мелющих тел. Компоненты вводили в состав в следующей последовательности. Вначале в рабочий объем смесителя вводили порошок ПА 11, затем порошок ПА 6 и ПТФЭ. Для обеспечения гомогенного распределения слоистого силиката в полиамидной матрице целесообразно применение летучей технологической добавки - этилового спирта или ацетона, которые смачивают частицы полимеров и способствуют равномерному распределению силиката на каждой частице полимера. При подготовке композиции к использованию технологическую добавку удаляют подсушиванием при 90-100°С в течение 10-30 мин.
Покрытия наносили из псевдоожиженного слоя окунанием нагретого до 240÷280°С металлического образца с последующей выдержкой на воздухе до полного оплавления полиамидных компонентов. Поверхность металлического образца с последующей выдержкой на воздухе до полного оплавления полиамидных компонентов. Поверхность металлического образца очищали от оксидов и загрязнений путем обработки абразивным порошком и обезжиривали бензином. Физико-механические характеристики покрытий оценивали по общепринятым методикам. Адгезионную прочность оценивали методом отслаивания под углом 180°. Триботехнические характеристики определяли на машине трения с реверсивным характером движения металлического индентора по полимерному покрытию толщиной 150-200 мкм. Скорость скольжения составляла 0,01-0,1 м/с, удельная нагрузка 5-10 МПа. В качестве контртела использовали полуцилиндр ⊘ 30 мм из стали 45 с шероховатостью поверхности Ra=0,5÷1,0 мкм.
Сравнительные характеристики заявленных составов и прототипа приведены в табл.2.
Как следует из данных, представленных в табл. 2, заявляемые составы (I-VIII) при нормальной температуре эксплуатации не уступают по прочностным и адгезионным характеристикам прототипу (состав I), но существенно превосходят его при повышенных температурах эксплуатации. Оптимальное сочетание характеристик заявленных составов наблюдается при заявленном соотношении полимерных модификаторов П 11:ПТФЭ 1:1÷5:1.
Превышение этого соотношения в пользу полиамида 11 (состав XII) снижает триботехнические характеристики композита, а превышение в пользу ПТФЭ (состав XIII) снижает прочностные показатели. Оптимальные характеристики композиционного материала для триботехнических покрытий наблюдается при дисперсности частиц полимерных модификаторов: полиамида 11 и политетрафторэтилена, равной дисперсности частиц полиамидной матрицы (составы I-VIII). При уменьшении размера частиц ПТФЭ по сравнению с размером частиц полиамида (состав XI) наблюдается повышение коэффициента трения покрытия, а при превышении размера частиц ПТФЭ перед размером частиц полиамида (состав XII) не обеспечивает дополнительного повышения триботехнических характеристик, однако снижает прочностные характеристики композиционного материала для триботехнических покрытий.
Сущность изобретения состоит в следующем. При псевдоожижении полимерных частиц близких геометрических размеров, обработанных частицами слоистого силиката, обеспечивается образование гомогенной взвеси в воздушном потоке (псевдоожиженном слое) вследствие близкого сопротивления воздушному потоку. При осаждении смеси таких частиц на нагретую металлическую подложку происходит образование гомогенного по структуре слоя с равномерным распределением частиц политетрафторэтилена в полиамидной матрице. Наличие в составе полимерного модификатора смеси частиц одинаковой дисперсности ПТФЭ и ПА 11 одновременно обеспечивает снижение усадочных напряжений в объеме покрытия, уменьшающих адгезионную прочность покрытия к металлам, и коэффициента трения. Синергический эффект обусловлен различием температур плавления частиц полиамида 6 и полиамида 11 на нагретой поверхности подложки и гомогенным расположением частиц одинакового размера полиамида 6, полиамида 11 и политетрафторэтилена.
При охлаждении сформированного покрытия до температуры ˜190-200°С частицы полиамида 11 находятся в состоянии расплава вследствие более низкой температуры плавления, чем полиамид 6 (˜ на 70°С), благодаря чему снижается уровень усадочных напряжений. Наличие в составе композиционного материала для триботехнических покрытий частиц слоистого минерального силиката обусловливает выравнивание вязкости расплава полиамида 6 и полиамида 11 благодаря формированию пространственной сетки физических связей адсорбционного типа. Поэтому расплавленные частицы полиамида 11, имеющие более низкую температуру плавления, не стекают с металлической подложки до плавления частиц ПА6. Кроме того, наличие таких частиц в материале способствует его упрочнению и повышению стойкости к воздействию повышенных температур. Слоистые силикаты обладают сравнительно низкой прочностью разрушения частиц при сдвиговых деформациях и выполняют наряду с армирующими функции сухой смазки. Благодаря такому комплексному действию обеспечивается одновременное упрочнение покрытия с оптимальными адгезионными и триботехническими характеристиками.
Важной характеристикой композиционного материала для триботехнических покрытий является совпадение геометрических размеров частиц ПА6, ПАИ и ПТФЭ. При механической обработке покрытий с целью обеспечения заданных геометрических размеров изделия формируется поверхностный слой гомогенного строения, в котором равномерно расположены участки полиамида 6, полиамида 11 и ПТФЭ, благодаря чему обеспечивается оптимальное сочетание прочностных, адгезионных и триботехнических характеристик.
При фрикционном взаимодействии покрытия с контртелом частицы ПТФЭ, выполняющие роль сухой смазки, стабилизируют коэффициент трения при реверсивном характере движения и относительно невысоких нагрузочно-скоростных режимах эксплуатации. При повышении нагрузок в результате фрикционного взаимодействия повышается температура в зоне контакта и участки полиамида 11, имеющие более низкую температуру плавления, чем участки ПА6, выполняют дополнительную функцию смазки. Благодаря этому фрикционные параметры покрытия достаточно стабильны в широком диапазоне нагрузок и скоростей эксплуатации.
Таким образом, разработанный композиционный материал для триботехнических покрытий обладает оптимальным сочетанием служебных характеристик и может быть использован для обеспечения технического ресурса узлов трения с реверсивным характером движения. Разработанный композиционный материал для триботехнических покрытий испытан в шлицевых соединениях карданных валов, выпускаемых ОАО «Белкард», рекомендован к промышленному применению.
Композиционный материал для триботехнических покрытий на основе полиамида 6, содержащий полимерный модификатор и сухую смазку, отличающийся тем, что в качестве полимерного модификатора он содержит смесь порошков полиамида 11 и политетрафторэтилена при соотношении 1:1÷5:1 одинаковой дисперсности с порошком полиамида 6, а в качестве сухой смазки слоистый силикатсодержащий минерал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| смесь порошков | |
| полиамида 11 и политетрафторэтилена | |
| при соотношении 1:1÷5:1 | 2,0-60,0 |
| слоистый силикатсодержащий минерал | 0,1÷1,0 |
| полиамид 6 | остальное |
