Полимерный материал триботехнического назначения
Владельцы патента RU 2454439:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" (RU)
Изобретение относится к полимерному износостойкому материалу триботехнического назначения, эксплуатируемого в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения, в частности для изготовления деталей тяжелонагруженных узлов трения машин и механизмов. Полимерный материал содержит политетрафторэтилен и углеродный наполнитель терморасширенный графит.Соотношение этих компонентов составляет, мас.%: терморасширенный графит (ТРГ) 5,0-15,0, политетрафторэтилен (ПТФЭ) - остальное. Использование изобретения позволяет повысить долговечность и работоспособность узлов трения за счет высокой износостойкости, низкого коэффициента трения, определяемые структурой композиционного материала. 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке антифрикционных полимерных композитов, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.
Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но не могут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения вследствие недостаточной износостойкости, что снижает ресурс их работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является высоконаполненный композит Ф4К20 на основе ПТФЭ (80 мас.%) и кокса (20 мас.%) (прототип) (Паншин Ю.А. и др. Фторопласты. Л.: Химия, 1978, С.217-219).
Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется повышенным значением коэффициента трения, что существенно ограничивает области применения.
Технической задачей изобретения является снижение коэффициента трения композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении высокой износостойкости.
Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ терморасширенного графита (ТРГ) при следующем соотношении компонентов (мас.%):
| Терморасширенный графит | 5-15 |
| Политетрафторэтилен | остальное. |
Политетрафторэтилен (фторопласт-4) - промышленный продукт, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2170-2190 кг/м3, температурой плавления 327°С.
Терморасширенный графит на 98 мас.% состоит из элементарного углерода, на 2 мас.% из различных минералов [Информационный бюллетень по углеродным материалам (февраль). - М.: ФГУП «НИИграфит», 2003].
Технология получения ТРГ заключается в термической обработке графита в муфельной печи при 950°С в течение 2-3 мин и последующем диспергировании на лопастном смесителе со скоростью вращения ротора 3000 об/мин.
Полимерный композиционный материал получают путем смешения компонентов в лопастном смесителе с предварительной термообработкой графита.
Для получения композиции в ПТФЭ вводят ТРГ, помещая расчетную массу полимера и наполнителя в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Образцы готовились холодным прессованием в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С.
Сочетание ПТФЭ и терморасширенного графита позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, низким коэффициентом, при сохранении прочностных показателей по сравнению с прототипом.
Пример. 85 г политетрафторэтилена, 15 г ТРГ смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию выдерживают в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещают в пресс-форму и проводят прессование изделия при удельном давлении 50 МПа, Спекание проводили в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.
Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.
Методики определения свойств композита
Прочностные свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» (Англия) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин. Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец-втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью 0,06-0,07 мкм. Результаты испытаний представлены в таблице.
Технико-экономическая эффективность
Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет увеличить износостойкость в 1,50-1,75 раза и снизить коэффициент трения материала в 2-5 раза при сохранении прочностных характеристик относительно прототипа Ф4К20. Оптимальное содержание наполнителя составляет 5-15 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.
Применение полимерного материала триботехнического назначения заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.
| Таблица | ||||||
| Характеристики полимерного композиционного материала, наполненных терморасширенным графитом | ||||||
| №№ п/п | Состав | Содержание компонентов, мас.% | Относительное удлинение при разрыве εp, % | Прочность при сжатии σсж, МПа | Интенсивность изнашивания I×10-6, кг/ч | Коэффициент трения f |
| 1. | ПТФЭ+ТРГ | 95 | 222 | 27 | 0,12 | 0,07 |
| 5 | ||||||
| 2. | ПТФЭ+ТРГ | 90 | 121 | 27 | 0,10 | 0,06 |
| 10 | ||||||
| 3. | ПТФЭ+ТРГ | 85 | 109 | 27 | 0,08 | 0,05 |
| 15 | ||||||
| 4. | ПТФЭ+ТРГ | 80 | 85 | 26 | 0,13 | 0,08 |
| 20 | ||||||
| 5. | Ф4К20 (прототип) | 80 | 65-120 | 18 | 0,14 | 0,15-0,30 |
| 20 |
Полимерный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и углеродный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителя содержит терморасширенный графит, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%:
| терморасширенный графит (ТРГ) | 5,0-15,0 |
| политетрафторэтилен (ПТФЭ) | остальное |
