СОСТАВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
COMPOSITION OF TRIBOTECHNICAL COATING COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для нанесения триботехнических покрытий для деталей узлов трения, например, в автомобильных агрегатах и конструкциях технологической оснастки.
Широкое распространение в машиностроении получили триботехнические покрытия на основе алифатических полиамидов - полиамида 6 (ПА 6), полиамида 11 (ПА 11), полиамида 66 (ПА 66), полиамида 610 (ПА 610) и их смесей, модифицированных функциональными добавками различного состава и механизма действия (Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника, 1992. - 256 с.).
Наибольший эффект при введении в полиамидную матрицу обеспечивают порошкообразные модификаторы - наноуглеродсодержащие, полимерные, силикатные со с слоистой структурой кристаллического каркаса (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; 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 на изобретение №2219212, С09D 177/02, опубл. 2003. Патент РФ 2228347, МПК С09D 177/00, опубл. 2004).
Композиционные материалы для триботехнических покрытий на основе полиамида 6 наносят на детали трения методом псевдоожиженного слоя, газопламенным напылением, литьем под давлением. Триботехнические покрытия на основе алифатических полиамидов относятся к числу наиболее распространенных методов повышения эксплуатационных характеристик узлов трения машин, механизмов и технологического оборудования.
Известен состав композиционного материала для триботехнических покрытий на основе полиамида, содержащий в качестве функциональных добавок нанодисперсные частицы и фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 5500 ед, который выбран за прототип (Патент РФ 2265037, МПК C09D 117/00, опубл. 2005).
Введение в состав композиционного материала на основе полиамида наноразмерных частиц модификатора и фторсодержащего олигомера обусловливает синергический эффект повышения прочности, адгезионных и триботехнических характеристик благодаря наличию у них нескомпенсированного заряда. Наличие в композиции фторсодержащего олигомера способствует формированию перенесенного слоя на сопряженном металлическом контртеле. Наряду с достоинствами композиционному триботехническому материалу для покрытий присущ ряд недостатков, к числу наиболее существенных из которых относятся:
- высокий уровень остаточных напряжений в покрытии, обусловленный формированием пространственной сетки адсорбционных связей, которая увеличивает жесткость макромолекул;
- сравнительно высокий коэффициент трения покрытия при эксплуатации без смазки при повышенных нагрузочно-скоростных режимах;
- низкая гидрофобность покрытий, что приводит к изменению размеров при воздействии влаги.
Задача изобретения состоит в разработке состава композиционного материала для триботехнических покрытий с повышенными показателями триботехнических покрытий.
Поставленная задача изобретения достигается тем, что состав композиционного материала для триботехнических покрытий, содержащий алифатический полиамид, наноразмерный наполнитель и фторсодержащий олигомер, в качестве наноразмерного наполнителя содержит политетрафторэтилен с размером частиц не более 100 нм, а в качестве фторсодержащего олигомера - продукты термодеструкции политетрафторэтилена с температурой плавления 80±10°С при следующем соотношении компонентов, мас.%:
наноразмерный наполнитель
0,1-5,0
фторсодержащий олигомер
0,1-5,0
политетрафторэтилен
остальное
Сущность заявленного решения состоит в следующем. Наноразмерные частицы политетрафторэтилена, обладая некомпенсированным зарядом с большим временем релаксации, способствуют формированию пространственной сетки адсорбционных связей в объеме композиционного покрытия. Однако в отличие от наноразмерных частиц неорганического состава (например, углеродных, силикатных и др.) полимерные наночастицы способствуют релаксации остаточных напряжений в покрытии, сформированном на металлическом контртеле, вследствие возможности передеформирования под действием кристаллизационных процессов полиамидной матрицы. При фрикционном взаимодействии композиционного покрытия с металлическим контртелом наночастицы политетрафторэтилена обуславливают эффект снижения коэффициента трения благодаря способности деформироваться под действием тангенциальных нагрузок. Благодаря наноразмерам частицы политетрафторэтилена не снижают прочностные характеристики композиционного покрытия в отличие от макрочастиц политетрафторэтилена с размером от 10 до 250 мкм. Таким образом, размерный фактор обусловливает изменение механизма модифицирующего действия частиц политетрафторэтилена.
Дополнительное введение в состав композиционного материала для триботехнических покрытий фторсодержащего олигомера с температурой плавления 80±10°С обусловливает формирование на поверхности трения устойчивого перенесенного слоя с пониженным сопротивлением сдвигу. При этом небольшая масса и линейная структура олигомерных молекул, а также отсутствие полярных групп способствуют образованию перенесенной пленки с повышенной адгезией к металлической поверхности. В отличие от фторсодержащих олигомеров типа «Фолеокс» или «Эпилам» с молекулярной массой 2200-5500 ед и полярными группами в макромолекулах, используемых в составе прототипа, фторсодержащий олигомер с температурой плавления 70-90°С является более эффективным модификатором покрытия композиционного материала, снижающим как коэффициент трения, так и износ.
Таким образом, совокупное введение в полиамидную матрицу наночастиц политетрафторэтилена и фторсодержащего олигомера с температурой плавлении 80±10°С обеспечивает достижение синергического эффекта одновременного повышения износостойкости и снижения коэффициента трения триботехнического покрытия в режиме эксплуатации без подвода внешней смазки.
Составы композиционных материалов для триботехнических покрытий в соответствии с заявленным техническим решением и прототипом приведены в табл.1.
Таблица 1
Составы композиционных материалов для триботехнических покрытий
№ п/п
Компонент
Содержание, мас.%
Прототип
Заявленные составы
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
1.
Наноразмерный наполнитель;
тальк
0,5
политетрафторэтилен
-
0,1
1
5
1
1
1
1
0,05
7
2.
Фторсодержащий олигомер:
«Фолеокс» Ф - 1
0,5
-
-
-
-
-
-
-
-
-
олигомер с температурой плавления 80±10°С
-
0,1
1
5
1
1
1
1
0,05
7
3.
Полиамид:
- ПА 6
69
99,8
98
90
-
-
80
-
99,9
86
- ПА 11
30
-
-
-
98
-
18
18
-
-
- ПА 66
-
-
-
-
-
98
-
80
-
-
Характеристики покрытий, сформированных из заявляемых составов композиционных материалов и прототипа, представлены в табл.2.
Показатель прочности при растяжении определяли на разрывной машине типа ZD-4 на образцах в виде лопаток или пластин. Адгезионную прочность покрытий, сформированных из стали 08КП слоя на подложке из стали 08КП при толщине 250±50 мкм, определяли методом отслаивания покрытий под углом 180°. Усилие отслаивания определяли динамометром с ценой деления 1 Н на образцах шириной 10 мм.
Таблица 2
Характеристики триботехнических покрытий из составов композиционных материалов
Характеристики
Показатель для состава
Прототип
Заявляемые составы
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
1. Прочность при растяжении, МПа, не менее
72
70
72
70
68
72
70
73
68
65
2. Адгезионная прочность методом отслаивания покрытия под углом 180°, Н/м, не менее
- исходная
2,5
2,5
2,5
2, 5
2,6
2,7
2,5
2,6
2,0
2,1
- после 1 часа кипячения в воде
2,0
2,4
2,5
2,5
2,6
2,7
2,5
2,5
1,5
2,1
3. Коэффициент трения
0,15
0,15
0,13
0,08
0,10
0,11
0,12
0,12
0,15
0,08
4. Интенсивность изнашивания I×10<sup>9</sup>
2,2
2,0
1,8
1,5
1,3
1,1
1,2
1,2
2,4
1,3
5. Влагопоглощение, мас.%, max
8,0
5,0
2,0
1,0
0,5
1,0
1,3
0,5
0,6
0,5
Коэффициент трения и интенсивность изнашивания покрытий оценивали по схеме «пальчик-диск» на машине трения типа УМТ при нагрузках 1-10 МПа и скоростях скольжения 0,1-1,0 м/с при трении без подвода смазочного материала.
Как следует из представленных в табл.2 данных, заявленные составы композиционных материалов триботехнических покрытий по комплексу служебных характеристик превосходят прототип.
Уменьшение в составе композиционного материала содержания компонентов ниже заявляемых пределов (состав VIII) снижает технический эффект, а превышение их содержания выше заявленных пределов (состав IX) приводит к снижению прочностных показателей и показателя адгезионной прочности покрытия на металлах.
Пример изготовления состава композиционного триботехнического материала и покрытия из него представлены ниже.
Пример 1. (Состав II). 960 г полиамида 6 (ПА 6) в виде гранул измельчали на установке криогенного измельчения до размера фракции 150-200 мкм. Полученный порошок подсушивали до содержания влаги не более 0,5 мас.%, помещали в рабочий объем смесителя барабанного типа (марка МБЛ) и активировали металлическими шарами из стали ШХ15 в течение 10 мин. Затем в смеситель с порошкообразным полиамидом добавляли 20 г фторсодержащего олигомера с температурой плавления 80±10°С и перемешивали смесь в течение 10 мин, после чего добавляли 20 г нанопорошка политетрафторэтилена и дополнительно перемешивали 10 мин до получения однородного состава.
Полученный состав композиционного материала для триботехнических покрытий помещали в рабочий объем установки для нанесения покрытий методом псевдоожиженного слоя. В псевдоожиженный слой погружали металлические образцы в виде пластин и цилиндров из стали 08КП, нагревали в нем до температуры 250±5°С и выдерживали в нем в течение 1 мин. После извлечения из псевдоожиженного слоя образцы выдерживали на воздухе до завершения процесса оплавления частиц композиционного материала, закрепившихся на поверхности, и формирования сплошного гладкого бездефектного покрытия. После выдержки в течение 24 часов на воздухе (кондиционирование) образцы покрытий подвергали испытаниям.
под
пл
под
пл
Триботехнические покрытия из других составов композиционных материалов (составы I, III-IX) формировали аналогичным образом, изменяя соотношение компонентов и состав полиамидной матрицы - полиамид марки ПА 11 (Rilsan), полиамид ПА 66 (анид). Полиамид ПА 11 использовали в состоянии промышленной поставки, а полиамид ПА 66 - в виде криогенно измельченного порошка с размером частиц 150-200 мкм. Температуру металлической подложки Т подбирали исходя из величины температуры плавления Т полиамидной матрицы с учетом условия Т=Т+30÷50°С.
При приготовлении состава композиционного материала для триботехнических покрытий согласно прототипу использовали фторсодержащий олигомер «Фолеокс» марки Ф-1 (произв. Россия) молекулярной массой 5500 ед в виде 1-2 мас.% раствора в хладоне. В качестве нанодисперсного компонента использовали тальк (произв. Россия). Дисперсность частиц не превышала 10 нм.
Наноразмерный порошок политетрафторэтилена и олигомера с температурой плавления 80±10°С получали следующим образом. Дисперсные частицы политетрафторэтилена в виде стружки помещали в рабочий объем установки и подвергали температурному воздействию в диапазоне температур 450-550°С в течение 1,8-3 час в среде газообразных продуктов термодеструкции. Продукты термодеструкции охлаждали в холодильнике. Полученный порошкообразный продукт подвергали термообработке при температурах 80±10°С для отделения олигомерной фракции, а затем термообрабатывали при 250-350°С для получения нанодисперсного порошка ПТФЭ. Размер частиц нанопорошка ПТФЭ не превышает 20 нм.
Для получения нанопорошка ПТФЭ возможно использование промышленного продукта «Форум» (РАН ДВО, Институт химии, Россия). Триботехнические покрытия их разнообразных составов композиционных материалов были использованы в конструкциях автомобильных агрегатов (для нанесения на шлицевое соединение карданного вала автомобилей) и технологического оборудования (для покрытия деталей трения трехкулачковых самозажимных токарных патронов).
Стендовые и натурные испытания свидетельствуют о высокой эффективности применения разработанных составов композиционных материалов в виде покрытий, снижающих износ и уменьшающих потери на трение. Разработанные составы композиционных материалов рекомендованы для внедрения на ОАО «Белкард» и ОАО «БелТАПАЗ».