АНТИФРИКЦИОННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УПЛОТНЕНИЙ СУДОВОЙ АРМАТУРЫ
ANTIFRICTION COMPOSITE MATERIAL FOR MAKING SHIP FITTINGS

Изобретение относится к антифрикционным композитным материалам на основе термопластичных полимеров и может использоваться в различных отраслях промышленности при изготовлении высоконапряженных узлов трения, в частности элементов уплотнений шаровой судовой запорной арматуры.
Известны антифрикционные полимерные композиционные материалы на основе политетрафторэтилена (Машков Ю.К., Полещенко К.Н, Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.), содержащие в качестве компонентов порошки кокса (Ф4К20), дисульфида молибдена (Ф4М15), стекловолокно (Ф4С15), кокс и дисульфид молибдена (Ф4К15М5). Предел прочности этих материалов находится в диапазоне 11-16 МПа.
Известен антифрикционный композиционный материал (А.С.№1812190, МПК C08J 5/16), который содержит, мас.%: политетрафторэтилен 80-82; дисульфид молибдена 1-3; порошок оловянно-свинцовистой бронзы 5-12 и углеродный наполнитель 5-12. Углеродный наполнитель представляет собой углеродное волокно длиной 0,05-0,50 мм, полученное из выдержанного в течение не менее 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка политетрафторэтилена до волокон указанной длины. Предел прочности этого материала при растяжении 22-24 МПа, скорость изнашивания при трении по стальному контртелу без смазки составляет 0,065-0,068 мг/ч при скорости скольжения 1 м/с, контактном давлении 3 МПа.
Наиболее близким к заявляемому композитному материалу и принятый за прототип выбран материал Графелон-20М по ТУ 2224-026-21065073-2003, используемый в настоящее время в качестве материала уплотнения в узлах шаровой судовой арматуры. Графелон-20М представляет собой ароматический полиамид фенилон-С2 - 80% с армирующим наполнителем из измельченного волокна углеродной ткани марки ТГН-2М - 20%. Однако материал Графелон-20М имеет достаточно большое водопоглощение, приводящее к изменениям геометрических размеров запорного узла и недостаточно высокие физико-механические свойства.
2
Задачей настоящего изобретения является создание антифрикционного материала, обеспечивающего несущую способность узла трения в диапазоне от 0,8 до 4,0 МПа при скорости скольжения от 12 м/с до 0,5 м/с, водопоглощение - не более 2%, прочность при сжатии не менее 250 МПа, разрушающее напряжение при статическом изгибе не менее 160 МПа, ударная вязкость - не менее 21 кДж/м.
Техническим результатом изобретения, обеспечивающим решение поставленной задачи, является улучшение антифрикционных свойств композитного материала, в частности увеличение прочности при сжатии материала, разрушающего напряжения при изгибе, уменьшение коэффициента трения и водопоглощения.
Технический результат достигается за счет использования заявляемого изобретения - антифрикционного композитного материала, представляющего собой ароматический частично-кристаллический линейный полимер полиэфирэфиркетон (PEEK) 450PF с армирующим наполнителем из измельченного волокна углеродной ткани Урал Т-22 с химической обработкой ГОСТ 28005-88 (УТА).
Полиэфирэфиркетоны представляют собой ароматические полимеры (полиарилены), молекулярные цепи которых построены из фениленовых циклов, карбонильных групп и атомов кислорода (фиг.1)* (* Литература. 1. И.П.Лосев, Е.Б.Тростянская. Химия синтетических полимеров, издание третье, 1971 г. 2. A.X.Шаов, А.М.Хараев, А.К.Микитаев, А.З.Карданов, З.С.Хасбулатова. Пластические массы, 1990, №11. 3. И.А.Барвинский, И.Е.Барвинская. Справочник по литьевым термопластичным материалам).
3
2
Антифрикционный композитный материал содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: полиэфирэфиркетон (PEEK) 450PF с дисперсностью 95-110 мкм и насыпной плотностью 0,6 г/см - 65-70% и измельченная углеродная ткань Урал Т-22 (УТА) со следующими характеристиками: разрывная нагрузка - 1428 Н (по основе), 1071 Н (по утку) и с поверхностной плотностью 335 г/м - 30-35%.
Для получения заявленного антифрикционного материала его компоненты смешивали в диспергаторе, таблетировали и сушили для удаления избыточной влаги при температуре не менее 120°С в течение 12 часов.
Затем таблетированный антифрикционный материал из сушильного шкафа закладывали в пресс-форму, предварительно нагретую до 340°С.
2
3
После закладки антифрикционного материала температуру пресс-формы увеличивали до 390-400°С без подачи давления, по достижении заданной температуры подавали давление, равное 20 кг/см. Время выдержки составляло 10 минут на каждый 1 см получаемого изделия.
2
2
Предварительное охлаждение производили вместе с плитами пресса до температуры 340°С с поддержанием удерживающего давления (20 кг/см), по достижении этой температуры давление увеличивали до 140 кг/см и поддерживали скорость охлаждения 1,5°С в минуту. После чего выполняли распрессовку на прессовом оборудовании.
Заявленный антифрикционный материал может быть использован при изготовлении высоконапряженных узлов трения различного назначения и формирования на его основе элементов уплотнений шаровой запорной арматуры с запрессовкой непосредственно в кольцевые полости металлических заготовок или без запрессовки методом горячего прессования материала.
Оценку свойств полученного антифрикционного композитного материала производили по следующим параметрам:
- плотность согласно ГОСТ 15139 определялась на образцах в форме прямого круглого цилиндра с диаметром 30 мм и высотой 50 мм весовым методом;
- водопоглощение по ГОСТ 4650 определялось на образцах в виде параллелепипеда с квадратным основанием, сторона основания - 50 мм, высота - 3 мм;
- разрушающее напряжение при сжатии ГОСТ 4651 определялось на образцах в виде параллелепипеда с квадратным основанием, сторона основания -10 мм, высота 15 мм;
- разрушающее напряжение при изгибе ГОСТ 4648 определялось на образцах в форме бруска прямоугольного сечения толщиной 7±0,5 мм, шириной 10±0,5 мм и длиной 140±2 мм;
- твердость по ГОСТ 4670 определялась на образцах в виде параллелепипеда с квадратным основанием, сторона основания -140 мм, высота - 7 мм;
- ударная вязкость по ГОСТ 4647 определялась на образцах в форме бруска прямоугольного сечения, толщиной 4±0,2 мм, шириной 6±0,2 мм и длиной 50±1 мм.
Для проведения триботехнических испытаний были изготовлены образцы в виде дисков из антифрикционного материала диаметром 30 мм и толщиной 10 мм. В качестве контртел использовались ролики из стали 20Х13 диаметром 50 мм и толщиной 10 мм.
Испытания проводились в чистой водопроводной воде, а также в агрессивной среде - синтетической морской воде, содержащей 7% механических примесей - глины с песком. Фракция песка - до 100 мкм.
Результаты испытаний полученного антифрикционного композитного материала, а также свойства прототипа указаны в сравнительной таблице.
Рецептура
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа
Ударная вязкость, кДж/м<sup>2</sup>
Твердость по Бринеллю, МПа
Водопогло-щение при 20°С, %
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Коэффициент трения
в пресной воде
в синт. морской воде
Прототип Графелон 20М
250,0
160
21,0
250
0,30
1,360
0,22
0,26
PEEK 450PF + 35% УТА*
278,0
160
20,9
290
0,05
1,322
0,11
0,16
PEEK 450PF + 30% УТА*
260,0
167
21,2
240
0,05
1,315
0,11
0,16
* - % содержание измельченной углеродной ткани.
Из результатов испытаний видно, что полученный материал обеспечивает решение поставленной задачи.
Описание испытаний заявленного композитного материала дополнено следующими фотографиями:
фиг.2 - экспериментальный образец материала в приспособлении универсальной испытательной машины ЦДМ-10;
фиг.3 - экспериментальный образец материала на опорах универсальной испытательной машины ЦДМ-10;
фиг.4 - экспериментальный образец материала, установленный в ванну с СОЖ;
фиг.5 - универсальная машина трения 2070 СМТ-1.