Патент на изобретение №2228347

(54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

(57) Реферат:

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. Композиционный триботехнический материал включает полимерный компонент, сухую смазку и полимерное связующее. В качестве полимерного компонента используют порошок полиамида 11 с размером частиц 80-100 мкм, а в качестве полимерного связующего он содержит порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм, полученный криогенным диспергированием. В качестве сухой смазки – ультрадисперсный алмазосодержащий графит и возможно коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или дисульфид молибдена. Соотношение 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. Изобретение позволяет повысить адгезионную прочность покрытия на металлические подложки, увеличить физико-механические и теплофизические характеристики покрытий и улучшить триботехнические характеристики покрытия при трении без смазки при повышенных температурах. 2 табл.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано 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 и покрытия на основе дисперсных полимеров. – Минск: Наука и техника, 1992. – С.256). Наиболее распространенной технологией нанесения таких покрытий является метод псевдоожиженного слоя, в котором металлическую заготовку, на которую наносят покрытие, окунают 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 покрытия в состав композиций вводят различные добавки: сухие смазки, порошки металлов, силикатов, оксидов 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 получается покрытие неоднородного состава.

Введение в состав полиамида 6 полиэтилена низкого давления приводит к формированию гетерогенного покрытия, состоящего из полиамидной матрицы с включениями полиэтилена. При эксплуатации такого покрытия под действием сил трения происходит плавление частиц полиэтилена с образованием в зоне фрикционного контакта пленки расплава, выполняющей роль смазки. Покрытия по прототипу применяют в узлах трения различных машин, эксплуатируемых при [PV]5 МПам/с.

Недостатками прототипа являются недостаточно высокое значение адгезионной прочности покрытий на металлической подложке, вследствие того, что полиолефины имеют низкую адгезию к металлам; существенное снижение физико-механических и теплофизических характеристик базового материала – полиамида при введение в его состав значительных количеств (10-15 мас.%) низкомодульного полимера – полиэтилена; необходимость применения специальных методов подготовки металлических поверхностей для обеспечения заданного уровня адгезионной прочности покрытий.

Задачей изобретения является увеличение адгезионной прочности покрытий на основе полиамида с металлическими подложками, увеличение физико-механических и теплофизических характеристик покрытий, улучшение триботехнических характеристик покрытия при трении без смазки при повышенных температурах. Поставленная задача решается тем, что в составе композиционного триботехнического материала, включающего полимерный компонент, сухую смазку и полимерное связующее, в качестве полимерного компонента используют порошок полиамида 11 с размером частиц 80-100 мкм, а в качестве сухой смазки – ультрадисперсный алмазосодержащий графит и возможно коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или дисульфид молибдена, а в качестве полимерного связующего используют порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм, полученный криогенным диспергированием, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Порошок полиамида 11 с размером частиц 80-100 мкм 1-40

Ультрадисперсный алмазосодержащий графит 0,01-0,05

Коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или дисульфид молибдена 0-1

Порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм Остальное

Составы конкретного исполнения композиционных триботехнических материалов согласно прототипу и изобретению приведены в таблице 1.

В качестве полимерных матриц использовали порошки полиамида 6 и полиамида 11 с размерами частиц 80-100 мкм. Криогенно измельченный порошок полиамида 6 получали механическим дроблением в мельнице гранул, охлажденных до температуры жидкого азота (-198С) или других сжиженных газов (кислорода, воздуха, углекислого газа).

Необходимую фракцию получали отсевом. Порошкообразные сухие смазки с размером частиц не более 80 мкм смешивали с полимерной матрицей и полимерным компонентом в барабанном смесителе с мелющими (активирующими) элементами.

Покрытия наносили из псевдоожижениого слоя окунанием нагретого до 240-280С металлического образца с последующим оплавлением осадившегося порошкообразного материала. Поверхность металлического образца очищали от оксидов и загрязнений путем обработки абразивным полотном и обезжиривали бензином. Физико-механические характеристики покрытий оценивали по общепринятым методикам. Адгезионную прочность покрытия оценивали методом отслаивания под углом 180. Триботехнические характеристики определяли по схеме “палец – диск” при скорости скольжения 1 м/с и удельной нагрузке 5-10 МПа. Покрытия наносили на торцевую поверхность металлического цилиндрического образца диаметром 10 мм. Для изготовления образцов использовали сталь 08кп (адгедзионная прочность) и ст45 (триботехнические испытания). Сравнительные характеристики заявленных составов и прототипа приведены в таблице 2.

Как следует из представленных данных, заявленные составы превосходят прототип по прочностным, адгезинонным и триботехническим характеристикам. Так, прочность материала при повышении температуры до 50С показатель прочности заявляемых составов на 30-40% выше, чем у прототипа. После кипячения в воде заявляемые составы сохраняют более высокие значения адгезионной прочности. Замена графита на другие виды сухих смазок – политетрафторэтилен (состав VI) или дисульфид молибдена (состав VII) – сохраняет основные показатели физико-механических, адгезионных и триботехнических характеристик.

Сущность изобретения состоит в следующем. При криогенном измельчении полиамида происходит разрыв связей в основной молекулярной цепи с образованием долгоживущих активных радикалов. Такие радикалы придают частице полимера высокую активность вследствие их способности к реакции присоединения. Кроме того, наличие у частиц полиамида неспаренных электронов приводит к возникновению у нее собственного силового поля, которое оказывает ориентирующее действие на расплав. Учитывая, что температура плавления полиамида 11 и полиамида 6 различается на ~70С, действие силового поля частиц матричного полимера (ПА6) сохраняется после плавления частицы полимерного компонента (ПА11).

В результате этого происходит ориентация расплава полиамида 11 в граничных слоях частиц ПА6. Это приводит к образованию ориентированного граничного слоя с повышенными прочностными характеристиками. Ориентирующее действие частиц полиамида 6 способствует термодинамической совместимости матрицы и полимерной добавки, что приводит к гомогенизации композита, увеличивающей его прочностные характеристики. Композиционный материал, состоящий из термодинамически совместимых компонентов (ПА6 и ПА11) превосходит по служебным характеристикам композит из термодинамически несовместимых компонентов (ПА6 и ПЭНД). При трении вследствие существенного различия температур плавления ПА6 и ПА11 происходит плавление более низкоплавкого компонента (ПА11) с образованием пленки расплава, выполняющей роль смазки.

Таким образом, разработанная композиция обладает свойствами самосмазывания при эксплуатировании узлов трения без смазки или при ее ограничении. Дополнительное введение в состав композиции сухой смазки улучшает триботехнические характеристики. Использование в качестве сухой смазки углеродосодержащего продукта детонационного синтеза дополнительно увеличивает прочностные и адгезионные характеристики. В качестве такого продукта целесообразно использовать ультрадисперсный алмазосодержащий графит (УДАГ), который промышленно производится ЗАО “Синта”. Дисперсность такого продукта составляет 3-10 нм, а его наночастицы обладают повышенной активностью в реакциях взаимодействия с полимерными матрицами.

Разработанный композиционный материал предназначен для изготовления деталей узлов трения различных машин и механизмов, эксплуатируемых без смазки или при ее ограничении.

Формула изобретения

Композиционный триботехнический материал, включающий полимерный компонент, сухую смазку и полимерное связующее, отличающийся тем, что в качестве полимерного компонента он содержит порошок полиамида 11 с размером частиц 80-100 мкм, а в качестве сухой смазки – ультрадисперсный алмазосодержащий графит и возможно коллоидный графит, или политетрафторэтилен, или дисульфид молибдена, а в качестве полимерного связующего он содержит порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм, полученный криогенным диспергированием, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Порошок полиамида 11 с размером частиц

80-100 мкм 1-40

Ультрадисперсный алмазосодержащий графит 0,01-0,05

Коллоидный графит, или политетрафторэтилен,

или дисульфид молибдена 0-1

Порошок полиамида 6 с размером частиц

80-100 мкм Остальное