Антифрикционная композиция

Антифрикционная композиция

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к наполненным полимерным композициям, в частности к полимерным композициям на основе углеродного тканого армирующего материала и эпоксидного (термореактивного) полимерного связующего.

Указанная композиция предназначена для изготовления тяжелонагруженных тихоходных изделий антифрикционного назначения, работающих в воде в экстремальных условиях при совместном действии максимальных гидростатических давлений (до 120 МПа), контактных давлений, действующих в узле трения до 100 МПа (кратковременно до 200 МПа) в паре с контртелами, изготовленными из титановых сплавов, например, для подшипников рулей глубоководных аппаратов.

Известна антифрикционная композиция, включающая углеродную ткань и полимерное термореактивное связующее, в частности эпоксидную смолу [RU №2153107, МПК C08L 63/00, 2000]. Углеродная ткань имеет средний размер кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщину базисных плоскостей 1,0-4,0 нм. Данная композиция обладает высокой прочностью, износостойкостью при трении в воде по контртелам из титановых сплавов и успешно применяется в судостроении.

Недостатком указанной композиции является ее неработоспособность при эксплуатации в экстремальных условиях - при гидростатических давлениях более 60 МПа, контактных давлениях в узле трения более 65 МПа, - по контртелам из титановых сплавов.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является антифрикционная композиция, включающая углеродную ткань с волокном со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм и полимерное термореактивное связующее на основе фенолформальдегидной смолы и олеиновой кислоты, отличающаяся тем, что дополнительно содержит 5-10% от массы композиции порошка олова или оловянного баббита дисперсностью 5-100 мкм [RU №2295546, МПК C08J 5/16, 2007].

Композиция имеет более низкий коэффициент трения в воде при сохранении высокой прочности и износостойкости при работе по контртелам различной твердости, особенно по нержавеющей стали.

Недостатками композиции являются её недостаточная механическая прочность при сжатии, низкий модуль упругости, высокая интенсивность изнашивания, что приводит к неработоспособности композиции при эксплуатации в экстремальных условиях - при гидростатических давлениях более 60 МПа, контактных давлениях в узле трения более 65 МПа, - по контртелам из титановых сплавов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в значительном повышении механической прочности композиции при сжатии, модуля упругости, снижении интенсивности изнашивания для деталей трения, работающих на водяной смазке по контртелам из титановых сплавов, которые позволят композиции работать в указанных выше экстремальных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что антифрикционная композиция, включающая тканый армирующий материал из углеродных волокон, полимерное термореактивное связующее и порошок олова или оловянного баббита дисперсностью 5-100 мкм, согласно изобретению в качестве тканого армирующего материала включает углеродную ткань со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 13-15 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 5-7 нм, и дополнительно композиция содержит дисульфид молибдена дисперсностью 0,6-0,7 мкм, взятый в соотношении к металлическому порошку 1:2, причем в качестве полимерного термореактивного связующего композиция включает эпоксидную смолу, при следующем соотношении компонентов (масс.%):

углеродная ткань	46,3-56,6
полимерное термореактивное связующее	37,8-46,3
металлический порошок олова или оловянного баббита	3,7-4,9
дисульфид молибдена	1,9-2,5

при этом суммарное содержание металлического порошка и дисульфида молибдена должно быть в пределах 5,6-7,4 масс.%.

В качестве связующих заявляемая композиция содержит вещества, выпускаемые промышленностью, а именно хлорсодержащий полиглидиларилен-диаминоалкан по ТУ 2225-607-11131395-2003, дихлордиаминодифенилметан по ТУ6-14-980-84 и ускоритель - резорцин по ГОСТ 9970-74.

В качестве металлических порошков композиция содержит порошкообразный оловянный баббит марки Б-83 (ТУ 1792-051-407-076-72-2003) с дисперсностью 5-100 мкм, порошок олова марки ПО-1 (ГОСТ 9723-73) с дисперсностью 5-100 мкм и порошкообразный дисульфид молибдена марки ДМИ-7 (ТУ 48-19-133-90) с дисперсностью 0,6-0,7 мкм.

Углеродная ткань, используемая в заявляемой композиции, изготавливается из углеродных нитей, полученных графитизацией полиакрилонитрильных нитей, по технологии, разработанной ХК «Композит». По данным рентгенографического исследования на дифрактографе ДРОН-1,5 полученная углеродная ткань имеет следующие характеристики: средний размер кристаллитов по базисной плоскости 13-15 нм и толщину пакета базисных плоскостей 5-7 нм.

Далее изобретение иллюстрируется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1.

Для получения антифрикционной композиции взята углеродная ткань с размером базисной плоскости вдоль оси кристаллита L_a - 13 нм и толщиной пакета базисных плоскостей L_c - 5 нм. Прочность волокон составляет 4,0 ГПа. Модуль упругости волокна - 250 ГПа.

В реактор загружают 28,4 кг хлорсодержащего полиглицидил-арилендиаминометана (ТУ 2225-607-11131395-2003), нагретого до 70°С, и 21,5 кг ацетона, содержимое реактора перемешивают в течение 15 мин до полного растворения. Затем в реактор загружают 17 кг дихлордиаминодифенилметана (содержание хлора в связующем 20 масс.ч. на 100 масс.ч. полимера). В смесь вводят 0,9 кг ускорителя отверждения - резорцина, 4,9 кг порошкообразного баббита Б-83 и 2,5 кг порошкообразного дисульфида молибдена марки ДМИ-7, перемешивают 20 мин.

Пропитку опытной углеродной ткани (46,3 кг) производят на вертикальной пропиточной машине марки УПСТ-1000М, производства Савеловского машиностроительного завода Московская обл. Машина снабжена ультразвуковой ванной марки УЗВ 50/200 МК, в которой суспензия перемешивается с помощью ультразвука. Из полученной антифрикционной композиции методом горячего прессования при температуре 150-160°С и давлении 5 МПа изготавливают образцы. Время выдержки при температуре прессования составляло 3 часа. Полученную антифрикционную композицию исследовали на износостойкость, которую определяли как изменение толщины образца на км пути трения при контактном давлении 100 МПа, скорости скольжения 0,05 м/с на специально сконструированном стенде для испытаний в экстремальных условиях при смазке водой по контртелу - титановому сплаву с оксидированием.

Были определены также прочностные и упругие характеристики полученной композиции:

- разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа, по ГОСТ 23803-79;

- модуль упругости при изгибе, МПа, по ГОСТ 23805-79 объемное изменение размеров в воде после выдержки образцов размерами 50×50×5 мм в воде при температуре 20°С в течение 1 года, об.%.

Состав композиции, характеристики используемой углеродной ткани, физико-механические и триботехнические свойства композиции приведены в таблице.

Примеры 2, 3

Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, состав композиции и характеристики используемой углеродной ткани приведены в таблице.

Примеры 4-6

Антифрикционные композиции получены, как в примере 1, но вместо баббита использован порошок олова.

Примеры 7-9 (контрольные)

Антифрикционные композиции получены с опытной тканью с характеристиками, как в примере 2, при соотношении углеродная ткань: термореактивное связующее, как в примере 2, но в составе 4_к нет дополнительных порошкообразных наполнителей, в составе 5_к в качестве дополнительного наполнителя введен только баббит Б-83, а в составе 6_к в качестве дополнительного наполнителя введен только дисульфид молибдена (МоS₂).

Контрольные примеры показывают, что в отсутствие дополнительных наполнителей композиция неработоспособна по контртелам из титановых сплавов (пример 4к), так же как и композиция, содержащая в качестве наполнителя только дисульфид молибдена (МоS₂) (пример 6к). Композиция, содержащая в качестве наполнителя только баббит Б-83 без дисульфида молибдена, работоспособна, но имеет интенсивность изнашивания в 20 раз выше, чем у заявляемой композиции.

Только сочетание всех параметров, а именно характеристик углеродной ткани и смешанного наполнителя приводит к получению композиции, работоспособной в экстремальных условиях.

Таблица
Состав и физико-механические и триботехнические характеристики антифрикционных композиций
Показатель	Пример
1	2	3	4	5	6	Контрольные	Прототип 10к
7к	8к	9к
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Содержание компонентов, масс.%:
- полимерное связующее	46,3	46,3	37,8	46,3	46,3	37,8	45,0	46,3	46,3	45,0
- углеродная ткань опытная	46,3	47,7	56,6	46,3	47,8	56,6	55,0	47,7	47,7	-
- углеродная ткань низкомодульная (по прототипу)	-	-	-	-	-	-	-	-	-	55,0
- содержание баббита Б-83 в пропитанной ткани, %	4,9	4,0	3,7	-	-	-	-	6	-	-
- содержание олова П в пропитанной ткани, %	-	-	-	4,9	4,0	3,7	-	-	-	-
- содержание дисульфида молибдена (MoS2) в пропитанной ткани, %	2,5	2,0	1,9	2,5	2,0	1.9	-	-	6	-
- содержание никеля в пропитанной ткани, %	-	-	-	-	-	-	-	-	-	9
Характеристика углеродной ткани:
- размер кристаллитов по базисной плоскости, Lc, нм	13	13,7	15	13	13,7	15	13,7	13,7	13,7	4,5
- толщина пакета базисных плоскостей, Lc, нм	5	5,8	7,0	5	5,8	7,0	5,8	5,8	5,8	2,5
- прочность углеродного волокна, ГПа	4,0	4,5	5,0	4,0	4,5	5,0	4,5	4,5	4,5	1,7
- модуль упругости волокна, ГПа	250	265	270	250	265	270	265	265	265	80
Свойства композиции:
интенсивность изнашивания, мкм/км пути трения (при 100 МПа в воде)	1,1	1,0	1,2	1,2	1,2	1,5	неработоспособна	21	неработоспособна	25
- разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа	490	530	510	495	505	500	530	500	500	250
- объемное изменение размеров, % в воде при температуре 20°С	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
- модуль упругости, ГПа	55	60	62	57	61	62	48	52	45	15

Антифрикционный материал, включающий армирующую углеродную ткань, состоящую из волокон с фиксированным размером кристаллитов по базисной плоскости и толщиной пакета с фиксированным числом базисных плоскостей, пропитанную композицией полимерного термореактивного связующего, и металлический порошок олова или оловянного баббита дисперсностью 5-100 мкм, отличающийся тем, что армирующая углеродная ткань состоит из волокон со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 13-15 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 5-7 нм, и композиция для пропитки дополнительно содержит дисульфид молибдена дисперсностью 0,6-0,7 мкм, взятый в соотношении к металлическому порошку 1:2, при этом в качестве термореактивного связующего композиция для пропитки содержит эпоксидную смолу при следующем соотношении компонентов материала, мас.%:

углеродная ткань	46,3-56,6
полимерное термореактивное связующее	37,8-46,3
металлический порошок олова или оловянного баббита	3,8-4,9
дисульфид молибдена	1,9-2,45

при этом суммарное содержание металлического порошка и дисульфида молибдена составляет 5,7-7,35 мас.%.