КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE TRIBOTECHNICAL MATERIAL

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, %
SiO<sub>2</sub>
71-76
ТiO<sub>2</sub>
0,5-0,7
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,1-7
FeO+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
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·10<sup>9</sup>
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.
н
н
пл
пл
Композиционные триботехнические материалы других заявленных составов (составы I, III-IX) получали по аналогичной технологии. Температуру нагрева Т металлической подложки для формирования покрытия определяли из условия Т=Т+30÷50°С, где Т - 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».