Антифрикционная композиция
ANTIFRICTION COMPOSITION

Изобретение относится к полимерным композициям, содержащим углеродную ткань в качестве армирующего материала и термореактивное полимерное связующее, и может быть использовано для изготовления подшипников.
Существует множество деталей трения, для которых величина коэффициента трения материала является главным требованием. В ряде случаев по конструктивным причинам, таким как ограничения массы, габаритов и др., невозможно увеличить мощность привода. При ограниченной мощности привода невозможно запустить механизм в случае, когда коэффициент трения пары трения высок. Таким образом, величина коэффициента трения определяет работоспособность механизма. Также существенным показателем, характеризующим работу узла трения, является интенсивность изнашивания. Этот параметр является основополагающим при расчете ресурса узла трения.
Известна антифрикционная композиция [RU 2153107, опубл. 20.07.2000 г.], включающая тканый армирующий материал и полимерное термореактивное связующее, содержит в качестве тканого армирующего материала ткань из углеродных волокон со средними размерами кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%: углеродная ткань - 43-60, полимерное связующее - 40-57. В качестве полимерного термореактивного связующего композиция может содержать фенолоформальдегидную, галогенсодержащую полиглицидиларилендиаминовую или серосодержащую полиглицидиларилендиаминовую смолы. Такая антифрикционная композиция, содержащая в качестве полимерного связующего галоген- или серосодержащие полиглицидиларилендиаминовые (эпоксидные) смолы, пригодна для изготовления тяжело нагруженных деталей трения, работающих при контактном давлении P до 60 МПа, но при низкой скорости скольжения (0,001 - 0,5 м/с).
Недостатками такой композиции является высокий коэффициент трения и высокий показатель износа при работе в условиях ограниченной смазки, при ее отсутствии или при смазке водой с увеличением скорости скольжения свыше 0,5 м/с. Также к недостаткам указанной композиции относится ее неработоспособность при эксплуатации в экстремальных условиях, поскольку эксперименты показали, что при длительной эксплуатации в морской воде на поверхности подшипника, граничащей с металлическим контртелом (валом), возникает коррозионный слой, препятствующий страгиванию и нормальной эксплуатации узла трения.
Известна антифрикционная наполненная композиция [RU 2181128, опубл. 10.04.2002 г.], содержащая армирующую ткань из углеродного волокна 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 или хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы, при этом в качестве армирующей ткани из углеродного волокна она содержит ткань, обработанную водной дисперсией политетрафторэтилена 2,5-6,5% концентрации с размером частиц политетрафторэтилена 0,1-0,4 мкм при массовом соотношении армирующей ткани из углеродного волокна и политетрафторэтилена (48,5-50,5): (1-3) при следующем массовом соотношении компонентов, мас. %: обработанная армирующая ткань из углеродного волокна - 51,5; полимерное термореактивное связующее - 48,5.
Недостатком указанной композиции является ее высокий коэффициент трения в воде, а также низкая износостойкость при трении по вязким нержавеющим сталям с твердостью по Роквеллу ниже 40.
Известна антифрикционная композиция [RU 2295546, опубл. 20.03.2007 г.], 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, при этом дополнительно содержит порошок металла, выбранного из группы, включающей олово и оловянный баббит, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углеродная ткань 43,5-50; фенолформальдегидное связующее 35-50; олеиновая кислота 1,5-5; порошок олова или оловянного баббита 5-10.
Эта композиция имеет более низкий коэффициент трения в воде, а также недостаточную механическую прочность при сжатии, низкий модуль упругости, высокую интенсивность изнашивания, что приводит к неработоспособности композиции при эксплуатации в экстремальных условиях.
Известен антифрикционный материал [RU 2526989, опубл. 27.08.2014 г.], включающий высокомодульную армирующую углеродную ткань, изготовленную из углеродных нитей, полученных графитизацией полиакрилонитрильных нитей, 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, при этом 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.%.
Недостатком известного материала является узкая область его применения, т.к. он направлен на эксплуатацию в паре трения с оксидированным титаном, а это очень твердый материал. Широко известно, что использование высокомодульной ткани для подшипников скольжения невозможно из-за ее высокой твердости, т.е. углепластики начинают задирать металл, поэтому это изобретение применимо только в паре трения с валами из оксидированного титана. Кроме того, в известном изобретении происходит снижение физико-механических параметров, т.к. вводятся порошки металлов Sn, MoS2, баббита, которые являются мягкими и направлены на выделение на поверхность жидкой фазы.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение механической прочности антифрикционной композиции, а именно существенное увеличение предела прочности при сжатии, изгибе и межслойном сдвиге, при этом достигнуто снижение интенсивности изнашивания, снижение коэффициента трения в воде, при работе по контртелам различной твердости, из нержавеющих сталей и титановых сплавов в широком диапазоне скоростей (0,1 - 15 м/с) и нагрузок (0,1 - 60 МПа).
Указанный технический результат достигается за счет того, что антифрикционная композиция, включающая тканный армирующий материал на основе углеродных волокон, полимерную термореактивную матрицу, отличающаяся тем, что в качестве основного действующего антифрикционного агента используется мелкодисперсный порошок антифрикционного состава на основе алюминия, легированного оловом и медью, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
тканный армирующий материал: 50 - 55;
термореактивная матрица: 38 - 42;
мелкодисперсный антифрикционный порошок антифрикционного алюминиевого сплава: 3 - 10.
При этом мелкодисперсный антифрикционный порошок антифрикционного алюминиевого сплава имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Sn: 2,5 - 23;
Cu: 0,7 - 8,5;
Al: остальное.
Таким образом, за счет введения в состав антифрикционной композиции мелкодисперсного антифрикционного порошка антифрикционного алюминиевого сплава удалось существенно увеличить предел прочности при сжатии, изгибе, и межслойном сдвиге, при этом достигнуто снижение интенсивности изнашивания, снижение коэффициента трения в воде, при работе по контртелам различной твердости, из нержавеющих сталей и титановых сплавов в широком диапазоне скоростей (0,1 - 15 м/с) и нагрузок (0,1 - 60 МПа).
Это стало возможным за счет достижения эффекта самосмазывающегося материала, поскольку в качестве основного действующего антифрикционного агента используется мелкодисперсный порошок антифрикционного алюминиевого сплава. Сами по себе алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью, достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Однако такие сплавы не способны работать при смазке водой или при высоких нагрузках - свыше 30 МПа.
Известны антифрикционные сплавы [Сплавы алюминиевые антифрикционные, ГОСТ 14113-78 дата введения 01.01.1980г.] на основе алюминия и легированные оловом и медью, например, АО9-2, АО3-7, АО6-1, АО9-1, АО12-1, АО20-1. Такие сплавы успешно применяются в производстве вкладышей подшипников скольжения, работающих с масляной смазкой. Антифрикционные свойства определяются, главным образом, способностью материала быстро образовывать на поверхности трения защитные вторичные структуры, предотвращающие возникновение задиров и уменьшающие потери на трение при длительной работе. Принцип работы подшипников на основе таких сплавов заключается в том, что при неблагоприятных режимах трения на поверхности вала образуется защитная пленка, которая создается за счет переноса мягкой фазы (легкоплавкие элементы) из твердого сплава вкладыша подшипника.
Таким образом достигается синергетический эффект, обусловленный тем, что при добавлении антифрикционного порошка, полученного из подобного сплава, одновременно происходит упрочнение композита и улучшение трибосвойств.
Это также позволило расширить область применения заявляемого изобретения и использовать его для изготовления деталей трения машин и механизмов, работающих в различных режимах: при отсутствии смазки, при ограниченной смазке, при смазке водой, в том числе морской, а также при смазке любыми другими жидкостями, за исключением агрессивных кислот и щелочей, в условиях воздействия высоких контактных нагрузок, в широком диапазоне скоростей скольжения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
За основу заявляемой антифрикционной композиции взят низкомодульный углеродный тканный армирующий материал, полученный графитизацией вискозной ткани, в диапазоне 50 - 55 мас.% и полимерная термореактивная матрица в диапазоне 38-42 мас.%. При работе такого материала в качестве антифрикционного частицы износа (углеродные волокна) не обладают абразивным действием, а, наоборот, являются модификатором трения, снижая коэффициент трения и интенсивность изнашивания. Такие материалы эксплуатируются в качестве подшипников скольжения, работающих при смазке водой. В состав композиции введен мелкодисперсный антифрикционный порошок, который представляет собой алюминиевый сплав: Al-Sn-Cu с частицами сферической формы в диапазоне 3-10 мас.%.
Термореактивная связующая матрица в заявляемой композиции содержит в качестве полимерного связующего галоген- или серосодержащие полиглицидиларилендиаминовые (эпоксидные) смолы.
При этом мелкодисперсный антифрикционный порошок антифрикционного алюминиевого сплава имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: Sn: 2,5 - 23; Cu: 0,7 - 8,5; Al: остальное.
При внесении мелкодисперсного порошка алюминиевого антифрикционного сплава в антифрикционную композицию на основе углеродных волокон и термореактивной матрицы, достигается синергетический эффект.
Полученный материал способен работать при высоких нагрузках - свыше 60 МПа, что достигается значительным повышением физико-механических характеристик материала, обусловленном дополнительным армированием полимерной матрицы частицами порошка алюминиевого сплава, обладающими достаточной твердостью, а также повышением адгезии между слоями армирующего материала, под влиянием высоких адгезионными свойствами алюминия.
Полученный материал обладает отличными антифрикционными свойствами при работе с любыми смазывающими жидкостями, в том числе с морской водой, а также при временном полном отсутствии смазки (например, в режиме страгивания, а также при аварийном режиме). Такой эффект обусловлен выделением жидкой фазы под воздействием нагрузок при трении, с ее удержанием в порах вкладыша, что обеспечивает смазывающий эффект при отсутствии внешней смазки. В роле жидкой фазы выступает олово, которое располагается в алюминиевой матрице в виде свободных зерен. Таким образом, внесение алюминиевого антифрикционного сплава в антифрикционную композицию позволяет достичь эффекта самосмазывающегося материала.
На границе раздела подшипник-вал образуется стойкая пленка, обладающая превосходными антифрикционными и антикоррозийными свойствами, что не допускает образования продуктов коррозии в морской воде, затрудняющих эксплуатацию ранее применяемых подшипников из материалов на основе углеродных волокон и термореактивной полимерной матрицы.
Способ изготовления.
Модификатор - тонкодисперсный антифрикционный порошок вводят в полимерную матрицу в процессе пропитки препрега.
В зависимости от технологии пропитки, возможны два варианта: при растворной и безрастворной технологии пропитки.
При растворной технологии пропитки порошок добавляют в пропиточный лак предварительно взвесив, вес порошка определяется по формуле:
m
М
а
k
порошка
лака
=**,
k
где = числу мас.% вводимого модификатора.
а
Коэффициент  определяется эмпирически. Например, в растворной технологии вводят растворитель, который испаряется при пропитке и прессовании, это порядка 10%, т.е. лак включает 40% матрицы и 10 % растворителя. Тогда составляется уравнение:
а
= (100/(40-10))*0,01≈0,033.
Далее, во время пропитки, раствор должен постоянно находиться под воздействием смесительного устройства (например, диспергатора), чтобы не допустить оседания порошка.
При безрастворной (сухой) технологии пропитки порошок добавляется в смеситель, где готовится система смола-отвердитель, при этом вес порошка определяется по формуле:
m
М
а
k
порошка
смолы
=**,
k
где = числу мас.% вводимого модификатора.
Учитывая, что полимерная матрица в композите содержится в среднем в объеме 40 мас.%, составляется уравнение:
а
= (100/40)*0,01≈0,025.
Далее готовая смесь поступает в пропиточную машину.
Возможен, так же вариант введения порошка на поверхность готового препрега в процессе пакетирования для прессования или намотки.
Вес порошка в данном случае определятся по формуле:
m
М
а
k
порошка
смолы
=**,
а
k
где = 0,01; = числу мас.% вводимого модификатора.
Порошок должен быть равномерно распределен по листам пакета, либо по слоям во время намотки.
В Таблице приведены результаты сравнения характеристик четырех образцов (Образец 1 - 4) заявляемого изобретения и одного образца известной композиции [RU 2153107, опубл. 20.07.2000 г.]
Таблица
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Образец 4
RU 2153107
Содержание модификатора  мас.%
5%
3%
8%
10%
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1450
1430
1460
1490
1430
Предел прочности при сжатии, МПа
390
350
390
390
250
Предел прочности при изгибе, МПа
320
300
300
290
250
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа
40
38
39
35
30
Износ, мкг/км, V=0,5 м/с; P=7 МПа
0,3
1,7
0,8
0,6
7,2
Коэффициент трения V=0,5 м/с; P=7 МПа
0,08
0,11
0,09
0,09
0,15
Износ, мкг/км, V=0,1 м/с; P=35 МПа
0,4
2,3
0,6
0,6
8
Коэффициент трения V=0,1 м/с; P=40МПа
0,08
0,18
0,09
0,08
0,15
Износ, мкг/км, V=25 м/с; P=3 МПа
0,3
2,5
0,4
0,4
Остановка испытаний, разрушение поверхности образца, перегрев
Коэффициент трения V=25 м/с; P=3 МПа
0,05
0,17
0,05
0,06
По результатам проведенных экспериментов видно, что механические показатели прочности при внесении от 3 до 10 мас.% антифрикционного порошка существенно выше, чем у аналога. Однако при выходе за указанный диапазон наблюдалось значительное ухудшение характеристик.
Указанные отличительные существенные признаки заявляемого изобретения являются новыми, так как их использование в предложенной совокупности, количественных и качественных соотношениях в известном уровне техники не обнаружены, что позволяет характеризовать предложенное эпоксидное связующее как соответствующее критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Указанные отличительные признаки эпоксидного связующего являются существенными, так как каждый из них в отдельности и все они совместно направлены на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.