ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
POLYMER COMPOSITION FOR TRIBOTECHNICAL PURPOSES

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, в частности к полимерным композитным антифрикционным материалам, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники: подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.
Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы (Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.). Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, что снижает ресурс их работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип, патент RU 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С208К 3/22. Антифрикционная полимерная композиция / Охлопкова А.А., Попов С.Н., Слепцова С.А., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б., Гусев А.А. Заявл. 21.03.2005; Опубл. 20.08.2006). Обладая высокими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.
Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ.
Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ смеси шпинели магния с серпентинитом, предварительно активированного в планетарной мельнице в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
серпентинит - 1,0-4,8
шпинель магния - 0,2-1,0
ПТФЭ - остальное.
3
ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка - 50-100 мкм, молекулярная масса - 100-500 тыс, степень кристалличности до спекания - 95-98%, после спекания - 50-70%, плотность 2150-2260 кг/м, температура плавления кристаллов 327°С, температура стеклования аморфных участков - 120°С.
6
4
10
8
3
Серпентинит - слоистый гидросиликат магния Mg[SiO](OH), горная порода (в работе использован серпентинит месторождения Мурманской области), возникающая при гидротермальной переработке ультраосновных изверженных пород. Состоит, главным образом, из смеси минералов группы серпентина: волокнистого хризотила, пластинчатого антигорита и массивного лизардита. Физические параметры серпентинита: размеры частиц - 0,6-10 мкм, объемная масса - 2,6-2,8 кг/дм, прочность на сжатие - 8-25 Н/мм, водопоглощение по весу - 0,1-1,5%, износостойкость - 8-25/50 см (по Беме), плотность - 2,2-2,7 г/см.
2
4
2
Шпинель магния (MgAlO), продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц 70-80 нм; удельная поверхность - 170-200 м/г (см. патент RU 2078037 C1, C01B 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла / Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т., Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25; Заявл. 31.05.1993; Опубл. 27.04.1997; Бюл. №12).
-3
Для повышения структурной активности и улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер-наполнитель», серпентинит вначале подвергали механоактивации в планетарной мельнице, например типа «АГО-2», в течение 2 мин, далее смешивали со шпинелью магния. Предварительная обработка серпентинита в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность и усреднению дисперсного состава. Совмещение ПТФЭ со смесью шпинели магния и механоактивированного серпентинита проводили в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин: поместив расчетную массу компонентов в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С. При этом время выдержки определяется из расчета 0,3 ч на 10 м толщины образца. Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.
Введение в ПТФЭ смеси шпинели магния с механоактивированным серпентинитом в приведенных соотношениях позволило получить композиционные материалы, обладающие повышенными деформационно-прочностными показателями и износостойкостью, в том числе при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок.
-3
Пример. Наполнитель серпентинит активировали в планетарной мельнице в течение 2 мин, затем 1,0 г механоактивированного серпентинита смешивали с 1,0 г шпинели магния. Полученную однородную смесь наполнителей смешивали с 98,0 г ПТФЭ в лопастном смесителе до получения однородной массы. Далее композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий производили при температуре 375-380°С (время выдержки определяется из расчета 0,3 ч на 10 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03% с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.
Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.
Методики определения свойств композита
р
р
Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение (ε) и прочность при растяжении (δ) определяли на испытательной машине «UTS-2» (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 10).
Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2, «схема вал-втулка» (образец - втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм соответственно, высотой 22 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 65 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629.
Технико-экономическая эффективность
Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет снизить массовый износ до 2500 раз, уменьшить коэффициент трения до 1,5 раз, при сохранении деформационно-прочностных характеристик. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание механоактивированного серпентинита - 1,0-4,8 мас.% и шпинели магния - 0,2-1 мас.%.
Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования и расширить их область применения.
Таблица примеров
Состав
Содержание компонентов, мас.%
Физико-механические характеристики
Массовый износ (мг)
Коэффициент трения по стали при нагрузке 65 Н
σ<sub>р</sub>, МПа
ε<sub>р</sub>,%
ПТФЭ
-
20-22
300-320
370-375
0,04
ПТФЭ + активированный в АГО-2 серпентинит + шпинель магния
98
<b><u>22</u></b>
<b><u>356</u></b>
<b><u>0,39</u></b>
<b><u>0,032</u></b>
1
1
98
20
317
3,21
0,033
1,5
0,5
98
21
329
6,69
0,044
1,8
0,2
95
20
320
0,09
0,041
4
1
95
<b><u>21</u></b>
<b><u>344</u></b>
<b><u>0,09</u></b>
<b><u>0,026</u></b>
4,5
0,5
95
19
336
0,81
0,026
4,8
0,2
ПТФЭ + шпинель магния (прототип)
99
21-23
320-330
23-25
-
1
ПТФЭ + шпинель магния (прототип)
98
20-22
300-310
15-17
-
2