Антифрикционная полимерная композиция и способ ее изготовления
Изобретение относится к антифрикционной полимерной композиции, находящей свое применение в машиностроении и железнодорожном транспорте для создания на поверхности металлов защитных антифрикционных пленок. Композиция содержит смесь, состоящую из, мас.%: 59-68 эпоксидно-диановой смолы, 4-9 серпентина и 10-20 солидола, отвержденную аминным отвердителем в количестве 12-18 мас.%. Получают данную композицию смешиванием неотвержденной эпоксидно-диановой смолы с предварительно изготовленной смесью серпентина и солидола до получения однородной смеси с последующим введением аминного отвердителя. Взаимодействие компонентов композиции между собой обеспечивает ускоренное формирование устойчивых антифрикционных пленок, которые при нанесении на металлические поверхности узлов трения повышают их износостойкость. Предложенная композиция обладает увеличенной твердостью при сжатии, повышенной предельной нагрузкой и уменьшенным коэффициентом трения (сухое трение). 2 н. и 5 з.п.ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к антифрикционным полимерным композициям и может быть использовано в машиностроении и железнодорожном транспорте для создания на поверхности металлов защитных антифрикционных пленок.
Известна антифрикционная эпоксидная композиция [Авторское свидетельство СССР №476295, опубл. 1976], состоящая из эпоксидной смолы 30-40%, фурфуролацетонового мономера 15-20%, бронзовой пудры 28-40%, окиси кадмия 1-4%, салицилата меди 0,5-1,5%, амальгамы медной 0,5-1,5%, отвердителя 8-10%. Наполнитель бронзовая пудра при трении в композиции в поверхностно-активных жидких средах в результате избирательного растворения имеет способность образовывать тонкие псевдоожиженные пленки чистой меди. Эти пленки легко схватываются со стальной поверхностью сопряженной детали и переносятся на нее, что позволяет значительно снизить износ пары трения. Способ изготовления полимерной композиции заключается в совмещении эпоксидной смолы и фурфуролацетонового мономера, затем вводят наполнители и целевые добавки. После вводят отвердитель - полиэтиленполиамин в смесь, охлажденную до комнатной температуры.
Недостатком данной композиции является многокомпонентность, при этом сложные добавки, включающие в себя медьсодержащую составляющую (бронзовая пудра), обеспечивают повышение износостойкости за счет реализации эффекта избирательного переноса, что существенно сокращает диапазон ее технического применения. Кроме того, сложная многокомпонентность делает предлагаемую композицию слаботехнологичной и, соответственно, малопригодной для широкого использования
Известна также антифрикционная эпоксидная композиция [Авторское свидетельство СССР №657042, опубл. 1979], состоящая из эпоксидно-диановой смолы 30-50%, фурфуролацетонового мономера 15-20%, бронзовой пудры 15-30%, треххлористой сурьмы 0,8-3,4%, графита 8-20%, аминного отвердителя 8-10%. Эпоксидно-диановые смолы обладают высокими физико-механическими и адгезионными свойствами ко многим металлам и неметаллическим материалам. Для улучшения ряда технологических и эксплуатационных характеристик эпоксидно-диановую смолу модифицировали фурфуролацетоновым мономером. Бронзовая пудра при трении композиции в поверхностно-активных средах в результате избирательного растворения имеет способность образовывать тонкие псевдоожиженные пленки чистой меди. Эти пленки легко схватываются со стальной поверхностью сопряженной детали и переносятся на нее, что позволяет реализовать эффект избирательного переноса в узле трения. Способ получения композиции состоит в следующем. Эпоксидную смолу и фурфуролацетоновый мономер совмещают при 60°С, затем вводят наполнитель и целевые добавки. Отвердитель - полиэтиленполиамин вводится в смесь, охлажденную до комнатной температуры. Композиция выдерживается в течение 24 часов при температуре 18-20°С, а затем при температуре 50-60°С в течение 20-24 часов.
Наиболее близким аналогом является антифрикционная полимерная композиция и способ ее получения по авторскому свидетельству SU 1031993, опубл. 30.07.1983. Композиция содержит следующие компоненты при их соотношении, вес.%: 60,97-62,50 эпоксикремнийорганической смолы в качестве эпоксидной смолы, 7,32-7,50 аминного отвердителя полиэтиленполиамина, 5,00-7,32 в качестве антифрикционного наполнителя измельченный графитопласт с размером частиц 10-50 мкм и бронзовую пудру. Способ получения композиции заключается в том, что неотвержденную эпоксидную смолу смешивают с добавкой до получения однородной смеси и далее водят аминный отвердитель.
Недостатком данной композиции является многокомпонентность, при этом сложные добавки, включающие в себя медьсодержащую составляющую (бронзовая пудра), обеспечивают повышение износостойкости за счет реализации эффекта избирательного переноса, что существенно сокращает диапазон ее технического применения.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокотехнологичного состава с улучшенными антифрикционными свойствами.
При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении износостойкости узлов трения за счет создания на металлических поверхностях узлов трения устойчивых защитных антифрикционных пленок, расширении диапазона технического применения антифрикционной композиции, стабилизации режимов работы антифрикционной композиции, а также уменьшении коэффициента трения.
Для достижения вышеуказанного технического результата по первому объекту изобретения в антифрикционную полимерную композицию, содержащую смесь эпоксидной смолы и добавки, отвержденную аминным отвердителем, в качестве добавки используют серпентин, в качестве эпоксидной смолы используют эпоксидно-диановую смолу, в смесь дополнительно вводят солидол, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| эпоксидно-диановая смола | 59-68 |
| серпентин | 4-9 |
| солидол | 10-20 |
| аминный отвердитель | 12-18 |
В качестве аминного отвердителя может быть использован полиэтиленполиамин, или диэтилентриамин, или триэтилентетраамин.
В частных случаях выполнения изобретения по первому объекту изобретения используют серпентин крупностью 5-10 мкм.
Для достижения вышеуказанного технического результата по второму объекту изобретения в способе изготовления антифрикционной полимерной композиции, заключающемся в смешивании добавки с неотвержденной эпоксидной смолой до получения однородной смеси с последующим введением аминного отвердителя, в качестве эпоксидной смолы используют эпоксидно-диановую смолу, в качестве добавки используют серпентин, который перед смешением с неотвержденной эпоксидной смолой предварительно смешивают с солидолом, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
| эпоксидно-диановая смола | 59-68 |
| серпентин | 4-9 |
| солидол | 10-20 |
| аминный отвердитель | 12-18 |
В частном случае выполнения изобретения по второму объекту отверждение проводят в течение 15-24 часов.
В частных случаях выполнения изобретения по второму объекту в качестве аминного отвердителя используют полиэтиленполиамин, или диэтилентриамин, или триэтилентетраамин.
В частном случае выполнения изобретения по второму объекту используют серпентин крупностью 5-10 мкм.
Компонентный состав композиции и способ ее получения позволяют расширить диапазон применения антифрикционной композиции, стабилизировать режимы работы антифрикционной композиции. Взаимодействие компонентов композиции между собой приводит к образованию такой структуры, которая при взаимодействии деталей в узлах трения повышает износостойкость узлов за счет высоких трибологических характеристик, обеспечивая ускоренное формирование антифрикционных пленок.
Сочетание эпоксидного связующего на основе эпоксидно-диановой смолы, пластичного материала - солидола и «геомодификатора трения» - серпентина в качестве антифрикционной добавки обуславливает получение композиционной структуры с улучшенными характеристиками. Предлагаемая композиция может работать как в смазочной среде, так и при отсутствии смазочного материала.
В качестве основы композиции используют эпоксидно-диановую (например, ЭД-6), отвержденную 15 мас.% полиэтиленполиамином (далее ПЭПА) (ТУ 07510508.90-94). В качестве добавки композиция содержит порошок серпентина крупностью 5-10 мкм. Для изготовления композиции может быть использован смазочный материал Солидол - Ж (ГОСТ 0254-012-05766706-2004).
Можно использовать следующие марки неотвержденных эпоксидно-диановых смол, представляющих собой растворимые и плавкие реакционно-способные олигомерные продукты на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана: ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16, ЭД-14, ЭД-10, ЭД-8. Молекулярная масса данных смол (температура размягчения 15-20°С) 400-800 г/моль.
Выбор эпоксидно-диановой смолы обусловлен ее высокими физико-механическими свойствами и адгезионными свойства по отношению к металлам.
Для получения композиции используется метод последовательного добавления, который в предлагаемом исполнении описан ниже.
Серпентин, представляющий собой мелкодисперсный порошок природного минерала крупностью 5-10 мкм общей химической формулой Mg6[Si4O10](OH)8 предварительно смешивают в требуемых количествах со смазочным материалом Солидол - Ж (ГОСТ 0254-012-05766706-2004) в быстроходном смесителе. Затем полученную механическую смесь перемешивают с неотвержденной эпоксидно-диановой смолой, в которую после получения визуально однородной смеси вводят отвердитель ПЭПА. Может быть использована эпоксидно-диановая смола ЭД-6, производства ФКП «Завод имени Я.М. Свердлова» г.Дзержинск (ТУ 07510508.90 - 94).
Процесс отверждения происходит при комнатной температуре в течение 15-24 часов. После чего композиция пригодна к использованию.
В предлагаемой композиции имеет место высокая степень наполнения, что приводит к получению высоковязких смесей. Процесс смешивания может осуществляться при комнатной температуре при наличии мощного смесителя. Оптимальной температурой смешения является температурный диапазон 50-70°С, в котором происходит ускорение перемешивания компонентов смеси и достигается ее наиболее полная гомогенизация за счет уменьшения вязкости компонентов смеси.
Полученная композиция была испытана. В испытаниях в качестве контртела использовалась сталь 45 с шероховатостью поверхности Ra=1,8 мкм, испытания проводились при работе узла трения в отсутствии смазки.
Разрушающее напряжение при работе без смазки определяют по ГОСТ 46-48-71, твердость и коэффициент трения замерялись на серийных установках ТШСП-1 и СМТ-1.
Результаты проведенных экспериментальных исследований сведены в таблицу 1. Фрикционные и физико-механические характеристики композитов, принятых за аналог и прототип, отражены в таблицах 2 и 3.
Данные таблиц показывают для предлагаемой композиции увеличение твердости при сжатии, повышение предельной нагрузки и уменьшение коэффициента трения (сухое трение).
Приведем некоторые примеры осуществления изобретния.
Пример 1.
Антифрикционная полимерная композиция может быть выполнена при следующем сочетании компонентов (мас.%):
Эпоксидно-диановая смола - 59
Серпентин - 9
Солидол- 14
Аминный отвердитель - 18.
Изготовление происходит следующим образом: серпентин смешивают с солидолом Ж (ГОСТ 0254-012-05766706-2004) в течение 15 минут до получения визуально однородной смеси. Затем полученную смесь смешивают с неотвержденной эпоксидно-диановой смолой ЭД-6 в течение 20 минут до получения визуально однородной смеси. После чего вводят аминный отвердитель ПЭПА (ТУ 07510508.90-94). Отверждение проводят в течение 15 часов.
Пример 2.
Антифрикционная полимерная композиция может быть выполнена при следующем сочетании компонентов (мас.%):
Эпоксидно-диановая смола - 63
Серпентин - 8
Солидол- 13
Аминный отвердитель - 16.
Изготовление происходит следующим образом: серпентин смешивают с солидолом Ж (ГОСТ 0254-012-05766706-2004) в течение 20 минут до получения визуально однородной смеси. Затем полученную смесь смешивают с неотвержденной эпоксидно-диановой ЭД-6 смолой в течение 25 минут до получения визуально однородной смеси. После чего вводят аминный отвердитель ПЭПА (ТУ 07510508.90-94). Отверждение проводят в течение 20 часов.
Пример 3.
Антифрикционная полимерная композиция может быть выполнена при следующем сочетании компонентов (мас.%):
Эпоксидно-диановая смола - 64
Серпентин - 6
Солидол- 15
Аминный отвердитель -15.
Изготовление происходит следующим образом: серпентин смешивают с солидолом Ж (ГОСТ 0254-012-05766706-2004) в течение 25 минут до получения визуально однородной смеси. Затем полученную смесь смешивают с неотвержденной эпоксидно-диановой смолой ЭД-6 в течение 30 минут до получения визуально однородной смеси. После чего вводят аминный отвердитель ПЭПА (ТУ 07510508.90-94). Отверждение проводят в течение 25 часов.
Испытания показали, что высокие антифрикционные характеристики полимерной композиции сохраняются в широком диапазоне условий эксплуатации.
| Таблица 1 | |||
| Физико-механические и фрикционные характеристики «Антифрикционной полимерной композиции» | |||
| № п/п | Параметр | Ед. изм | Значение |
| 1 | Твердость НВ | МПа | 130÷150 |
| 2 | Предел прочности при сжатии | МПа | 200÷215 |
| 3 | Предельная нагрузка, при 
|
кгс/см2 | 180÷210 |
| 4 | Коэффициент трения (сухое трение) | - | 0,07÷0,09 |
| Таблица 2 | |||
| Физико-механические и фрикционные характеристики «Эпоксидной композиции [А.с. СССР №476295]» | |||
| № п/п | Параметр | Ед. изм | Значение |
| 1 | Твердость НВ | МПа | 130÷160 |
| 2 | Предел прочности при сжатии | МПа | 150÷180 |
| 3 | Предельная нагрузка, при 
|
кгс/см2 | 120 |
| 4 | Коэффициент трения (сухое трение) | - | 0,1÷0,14 |
| Таблица 3 | |||
| Физико-механические и фрикционные характеристики «Антифрикционная эпоксидная композиция [А.с. СССР №657042]» | |||
| № п/п | Параметр | Ед. изм | Значение |
| 1 | Твердость НВ | МПа | 130÷160 |
| 2 | Предел прочности при сжатии | МПа | 150÷180 |
| 3 | Коэффициент трения (смазка - глицерин) | - | 0,004÷0,009 |
1. Антифрикционная полимерная композиция, содержащая смесь эпоксидной смолы и добавки, отвержденную аминным отвердителем, отличающаяся тем, что в качестве добавки использован серпентин, в качестве эпоксидной смолы используют эпоксидно-диановую смолу, смесь дополнительно содержит солидол при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| эпоксидно-диановая смола | 59-68 |
| серпентин | 4-9 |
| солидол | 10-20 |
| аминный отвердитель | 12-18 |
2. Антифрикционная полимерная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве аминного отвердителя используют полиэтиленполиамин или диэтилентриамин или триэтилентетраамин.
3. Антифрикционная полимерная композиция по п.1, отличающаяся тем, что используют серпентин крупностью 5-10 мкм.
4. Способ изготовления антифрикционной полимерной композиции, заключающийся в смешивании неотвержденной эпоксидной смолы с добавкой до получения однородной смеси с последующем введением аминного отвердителя и отверждением, отличающийся тем, что в качестве эпоксидной смолы используют эпоксидно-диановую смолу, в качестве добавки используют серпентин, который перед смешением с неотвержденной эпоксидной смолой предварительно смешивают с солидолом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| эпоксидная смола | 59-68 |
| серпентин | 4-9 |
| солидол | 10-20 |
| аминный отвердитель | 12-18 |
5. Способ изготовления антифрикционной полимерной композиции по п.4, отличающийся тем, что отверждение проводят в течение 15-24 ч.
6. Способ изготовления антифрикционной полимерной композиции по п.4, отличающийся тем, что в качестве аминного отвердителя используют полиэтиленполиамин, или диэтилентриамин, или триэтилентетраамин.
7. Способ изготовления антифрикционной полимерной композиции по п.4, отличающийся тем, что используют серпентин крупностью 5-10 мкм.
