Композиционный триботехнический материал

Композиционный триботехнический материал

Реферат

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для формирования покрытий на рабочих поверхностях деталей, предотвращающих износ и снижающих потери на трение.

К числу наиболее распространенных триботехнических материалов, применяемых в настоящее время в машиностроении, относятся композиции на основе алифатических полиамидов - полиамида 6 (ПА 6), полиамида 66 (ПА 66), полиамида 11 (ПА 11), полиамида 610 (ПА 610) и их смесей (Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника, 1992. - 256 с). Для повышения триботехнических и прочностных характеристик в состав композиционных трботехнических материалов на полиамидных матрицах вводят дисперсные и коротковолокнистые частицы различного состава и строения: углеродные и стеклянные волокна, порошкообразные металлы, оксиды, стеараты (Трибохимические технологии функциональных композиционных материалов / С.В.Авдейчик [и др.]; под ред. В.А.Струка, Ф.Г.Ловшенко. - Гродно: УО «ГГАУ», 2007, 2008. в 2-х частях). Наиболее эффективными триботехническими материалами на основе полиамидов являются композиции, содержащие углеродные наполнители - графит, кокс, углеродные волокна, ультрадисперсные углеродсодержащие продукты детонационного синтеза УДАГ, модификации графита - коллоидно-графитовый препарат С-1 и термически расщепленный графит (ТРГ) (Сагалаев Г.Я., Шембель Н.Л., Виноградова Э.С. Новый самосмазывающийся материал АТМ-2 и его применение в машиностроении // в кн.: Полимеры в промышленности. - Гомель: 1968, - с.60-64. Патент РФ 2219212, МПК C09D 177/02, 5/03, опубл. 2003. Патент РФ 2228347, МПК C09D 177/02, 5/03, опубл. 2004).

Углеродсодержащие компоненты повышают износостойкость, снижают коэффициент трения при эксплуатации узла без подвода смазки. Вместе с тем эффект функционального действия таких компонентов проявляется при достаточно значительных концентрациях, превышающих 10-30 мас.%, что обуславливает существенные технологические трудности при изготовлении и переработке композиционных материалов на основе полиамидов.

Известны составы композиционного триботехнического материала для триботехнических покрытий на основе полиамида, содержащие в качестве функционального модификатора дисперсные минеральные частицы (глины, цеолиты, трепел) и фторсодержащий компонент - дисперсный политетрафторэтилен (Патент РФ 2307855, МПК C09D 117/00, C10M 161/00, опубл. 2007). Совокупное введение этих модификаторов обеспечивает достаточно высокую износостойкость в сочетании с адгезионной прочностью покрытий на металлах и конструкционной прочностью. В этом составе минеральные частицы выполняют функцию армирующего компонента, а частицы политетрафторэтилена - роль сухой смазки, снижающей коэффициент трения. Данный материал выбран за прототип изобретения. Наряду с несомненными достоинствами материалу прототипа присущ ряд недостатков, к числу наиболее важных из которых следует отнести:

- повышенный коэффициент трения при эксплуатации без смазки;

- высокое влагопоглощение, приводящее к изменению поля зазоров в узле трения;

- недостаточно высокие прочностные показатели покрытий на металлических подложках, что обусловлено термодинамической несовместимостью частиц политетрафторэтилена с размером 100-200 мкм и полиамидной матрицы. Поэтому такие частицы выступают в роли макродефектов структуры.

Задача изобретения состоит в разработке композиционного триботехнического материала на основе полиамида с повышенными показателями эксплуатационных характеристик - гидрофобностью, износостойкостью в сочетании с прочностью и низким коэффициентом трения.

Поставленная задача достигается тем, что в композиционном триботехническом материале, содержащем полиамид, минеральный наполнитель и фторсодержащий компонент, в качестве минерального наполнителя используют шунгит, а в качестве фторсодержащего компонента - полимер-олигомерный продукт термодеструкции политетрафторэтилена при температуре 480-520°С в течение 1,8-3 час при следующем соотношении компонентов, мас.%:

шунгит	0,01-10,0
фторсодержащий компонент	0,1-5,0
полиамид	остальное

Сущность заявленного технического решения состоит в следующем.

Природный компонент разработанного материала шунгит представляет собой сочетание силикатов и аморфизированного углерода с несовершенным строением кристаллографических плоскостей. Специфичное строение этого минерала, характеризующееся наличием нанодефектов, обусловливает существование нескомпенсированного электрического заряда, благодаря которому частицы шунгита обладают повышенной адсорбционной способностью по отношению к жидким и газообразным средам и бактерицидным действием. Слабые электрические поля, формируемые нескомпенсированным зарядом, способствуют ориентации полиамидных полярных макромолекул, находящихся в периферии частицы, благодаря образованию адсорбционных связей, которые организуют пространственную армирующую структуру в объеме покрытия.

При этом наличие в шунгите аморфизированного углерода значительно снижает эффект неблагоприятного абразивного действия силикатной составляющей при образовании крупных агломератов в полимерной матрице. Под действием тангенциальных напряжений и повышенных температур на пятнах фактического контакта происходит ориентация плоскостей аморфизированного углерода с образованием текстуры со строением, близкой к текстуре, образуемой при трении частицами графита с совершенным строением кристаллографической решетки. Соотношение углеродной и силикатной фракций в шунгите зависит от месторождения, содержание углерода может быть до 5% (малоуглеродистые), до 5-20% (среднеуглеродистые) и 25-80% (высокоуглеродистые).

В качестве шунгита использовали промышленно выпускаемый продукт «Карбоксил-20 Т» (ЗАО, Экохиммаш, Россия) с медианным размером частиц не более 5 мкм. Состав шунгита приведен в табл.1.

Таблица 1Состав шунгита (продукт «Карбоксил-Т 20», производство ЗАО
«Экохиммаш»)
Компонент	Содержание, %
SiO2	71-76
ТiO2	0,5-0,7
Аl2O3	5,1-7
FeO+Fe2O3	1,5-2,1
MgO+СаО	4-5
С	8-12

При изменении элементного состава шунгита механизм его модифицирующего действия в полиамидной матрице аналогичен. Полимер-олигомерные продукты термодеструкции политетрафторэтилена получали термической обработкой полуфабриката в виде стружки при температурах 480-520°С в течение 1,8-3,0 час.

Состав и строение олигомерной фракции с температурой плавления 65±5°С и 150±10°С идентичен строению и составу исходного политетрафторэтилена. Состав, строение и молекулярная масса полимерной фракции в продуктах термодеструкции аналогичны составу политетрафторэтилена. Соотношение полимерной и олигомерной фракции контролировали методом дифференциально-термического анализа по суммарным и дифференциальным потерям массы при определенных температурных интервалах (прибор Q-1500).

Тонкая олигомерная пленка способствует закреплению полимерных частиц продуктов термодеструкции, углеродных компонентов шунгита и продуктов изнашивания полиамидной матрицы. В результате этого формируется перенесенный слой, обладающий функциями т.н. «третьего тела», и обеспечивающий снижение интенсивности изнашивания и коэффициента трения сопряжения. Благодаря способности олигомерного компонента продуктов термодеструкции политетрафторэтилена к плавлению и сублимации при низких температурах интенсифицируется процесс знакопеременного переноса с возможностью образования пленки расплава, выполняющей функцию высокоэффективной смазки.

Таким образом, совокупное введение заявленных компонентов обусловливает реализацию синергического эффекта применения композиционного триботехнического материала в узлах трения машин и механизмов. Составы композиционного триботехнического материала в соответствии с поставленной задачей изобретения приведены в табл.2.

Таблица 2Состав композиционных триботехнических материалов
Компонент	Содержание, мас.%
Прототип	Заявленные составы
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
1. Минеральный наполнитель:
- монтмориллонит	0,5	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- шунгит		0,01	2	10	2	2	2	2	0,005	11
2. Фторсодержащий компонент:
- политетрафторэтилен марки Ф-4	5	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- продукты термодеструкции политетрафторэтилена		0,1*	2*	5*	2**	2**	2***	2***	0,05****	6*****
3. Полиамид:
- ПА 6	89,5	99,89	96	85	-	-	80	-	99,945	83
- ПА 11	5	-			96	-	16	16	-	-
- ПА 66	-	-	-	-		96	-	80	-	-
*Температура деструкции 480°С** Температура деструкции 500°С*** Температура деструкции 520°С**** Температура деструкции 450°С***** Температура деструкции 550°С

При изготовлении композиционных триботехнических материалов использовали порошкообразные частицы алифатических полиамидов с размером не более 200 мкм. При этом частицы ПА 11 (Rilsan) использовали в состоянии промышленной поставки, а частицы ПА 6 и ПА 66 получали криогенным измельчением промышленных гранул, охлажденных до температуры жидкого азота. В качестве политетрафторэтилена использовали промышленно выпускаемый продукт марки Ф-4 с размером частиц не более 200 мкм (г. Кировочепецк, Россия).

Таким образом, частицы шунгита выполняют роль многофункционального модификатора полиамидной матрицы и обусловливают более существенный положительный эффект по сравнению с силикатными геомодификаторами.

Введение в состав композиционного материала взамен частиц политетрафторэтилена продуктов его термодеструкции при температуре 480-520°С в течение 1,8-3,0 часов обусловливает эффект повышения износостойкости и снижения коэффициента трения покрытий при эксплуатации без смазки. Одновременно существенно увеличивается гидрофобность материала и стабильность размеров изделий из него (например, покрытий) при их эксплуатации при повышенной влажности окружающей среды. Благодаря наличию в продуктах термодеструкции политетрафторэтилена полимерных и олигомерных компонентов одинакового химического строения и различной молекулярной массы увеличивается их термодинамическая совместимость с полиамидной матрицей, т.к. олигомерный компонент выполняет функцию пластификатора полиамида. При совместном введении в состав композиционного материала шунгита и продуктов термодеструкции политетрафторэтилена часть олигомерного компонента поглощается дефектами частиц шунгита, благодаря чему повышается способность к формированию текстуры аморфизированным углеродом. При фрикционном взаимодействии под действием повышенных температур в зоне контакта происходит миграция олигомерных продуктов из объема материала и их адсорбция на поверхности трения металлического контртела.

Состав и строение макромолекул полимерной и олигомерной фракций продуктов термодеструкции определяли методом ИК-спектроскопии с применением спектрофотометра Brucer.

Дисперсность порошкообразных продуктов термодеструкции не превышала 1 мкм.

В качестве продуктов термодеструкции политетрафторэтилена в композиционном триботехническом материале возможно использование промышленно выпускаемого полуфабриката «Форум» (Россия).

Характеристики композиционных триботехнических материалов в соответствии с заявленным соотношением компонентов и прототипа представлены в таблице 3.

Прочностные показатели композиционных триботехнических материалов определяли при одноосном растяжении образцов в виде лопаток или пластины на разрывной машине марки ZD-4. Адгезионную прочность покрытий, сформированных методом псевдоожиженного слоя на подложке из стали 08кп, определяли методом отслаивания при 180°с использованием динамометра с ценой деления 0,1 Н. Влагопоглощение образцов определяли взвешиванием на аналитических весах марки ВЛТ-200. Триботехнические характеристики материалов определяли на машине трения марки УМТ по схеме испытаний «палец-диск» при нагрузках 1-10 МПа и скоростях скольжения 0,1-1 м/с.

Как следует из представленных данных заявленные композиционные триботехнические материалы (составы I-VII) по комплексу служебных характеристик превосходят прототип. Уменьшение содержания компонентов ниже заявленного (состав VIII) уменьшает износостойкость и повышает коэффициент трения, а повышение содержания свыше заявленных соотношений (состав IX) снижает прочностные, адгезионные характеристики материала.

Таблица 3Характеристика композиционных триботехнических материалов
Характеристика	Показатель для материала
Прототип	Заявленные составы
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
1. Прочность при растяжении, МПа, не менее	68	70	72	68	55	72	68	71	68	65
2. Адгезионная прочность, Н/м, не менее	2,5	2,9	2,6	2,5	2,7	2,8	2,7	2,6	2,0	2,0
3. Влагопоглощение по 1 час кипячения в воде, %	8,0	5,0	4,3	3,0	0,5	0,6	3,0	2,9	7,8	2,5
4. Коэффициент трения	0,18	0,18	0,15	0,12	0,10	0,15	0,13	0,13	0,20	0,10
5. Интенсивность изнашивания I·109	1,8	1,3	0,8	0,75	0,60	0,63	0,70	0,72	1,8	0,70

Таким образом, заявленные соотношения компонентов в композиционном триботехническом материале обеспечивают оптимальное сочетание служебных характеристик: прочности при растяжении, адгезионной прочности покрытий на металлах, триботехнических характеристик и гидрофобности.

Ниже приведен пример изготовления композиционного триботехнического материала (состав II) и покрытия на его основе.

Пример 1. (состав II). 20 г шунгита («Карбоксил - 20 Т») подсушивали до содержания летучих продуктов не более 0,5%. В рабочий объем барабанного смесителя (шаровая мельница МБЛ) вводили 960 г порошкообразного полиамида 6 с размером частиц не более 150 мкм, полученного криогенным измельчением гранулированного продукта (ОАО «ГродноХимволокно», Беларусь). Порошок полиамида активировали шарами из стали ШХ15 в течение 10 мин, после чего в рабочий объем смесителя добавляли 20 г порошкообразных продуктов термодеструкции ПТФЭ, смесь перемешивали в течение 10 мин в присутствии металлических шаров, а затем добавляли подготовленный порошок шунгита и смешивали в течение 10 мин. Готовый продукт имеет вид однородного порошка темно-серого цвета без значительного расслоения компонентов.

Полученный материал помещали в рабочий объем установки псевдоожиженного слоя. В псевдоожиженный слой окунали металлические образцы из стали 08кп в виде пластин и цилиндров, нагретые до температуры 250±5°С и выдерживали их в течение 1 мин. Образцы с полимерным покрытием извлекали из установки псевдоожижения, выдерживали на спокойном воздухе до полного оплавления компонентов и формирования однородного гладкого покрытия. Полученные образцы кондиционировали при температуре 25±5°С в течение 24 час и подвергали испытаниям.

Композиционные триботехнические материалы других заявленных составов (составы I, III-IX) получали по аналогичной технологии. Температуру нагрева Т_н металлической подложки для формирования покрытия определяли из условия Т_н=Т_пл+30÷50°С, где Т_пл - температура плавления полиамидной матрицы.

Покрытие из разработанного композиционного триботехнического материала имеет черный цвет, блестящую гладкую поверхность без дефектов в виде воздушных включений и агломерированных частиц минерального наполнителя. При изготовлении конструкционных изделий триботехнического назначения из композиционного триботехнического материала методом литья под давлением используют общепринятые технологическое оборудование и технологию переработки, рекомендованную для полиамида, составляющего основу материала.

Покрытия из заявленного композиционного триботехнического материала были апробированы в узлах трения карданных валов грузовых автомобилей (шлицевое соединение) и узлах трения трехкулачковых токарных патронов (хвостовик приводной шестерни). Стендовые и натурные испытания свидетельствуют о значительном снижении износа узлов трения автомобильных агрегатов и технологического оборудования.

Покрытия из заявляемого композиционного триботехнического материала рекомендованы к внедрению на ОАО «Белкард» и ОАО «БелТАПАЗ».

Композиционный триботехнический материал, содержащий полиамид, минеральный наполнитель и фторсодержащий компонент, отличающийся тем, что в качестве минерального наполнителя содержит шунгит, а в качестве фторсодержащего компонента - полимер-олигомерный продукт термодеструкции политетрафторэтилена при температуре 480-520°С в течение 1,8-3 ч при следующем соотношении компонентов, мас.%:

шунгит	0,01-10,0
фторсодержащий компонент	0,1-5,0
полиамид	остальное