СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF PREPARING WEAR-RESISTANT COMPOSITION

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к способу получения композиционных полимерных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), отличающихся повышенной износостойкостью и нагрузочной способностью, и может быть использовано для получения полимерных материалов и изделий с высокими конструкционными и антифрикционными свойствами, способных длительно работать в режиме самосмазывания в узлах трения в качестве подшипников скольжения и подвижных уплотнений.
2
Известен способ изготовления антифрикционной композиции (1. Корнопольцев Н.В., Варламова Н.А., Зябликов B.C., Борзенков Г.Н., Казанцев В.М., Шевчук В.Л. Способ изготовления заготовок из наполненного фторопласта-4. Заявка №2664286 от 18.09.1978 г.), на основе фторопласта-4 с наполнителями (бронза, свинец, кокс и дисульфид молибдена), который состоит из операций: подготовка компонентов, приготовление пресс-массы, прессование заготовок и термическая обработка (спекание и охлаждение заготовок). Фторопласт-4 размалывают до 0,5-1,0 мм, кокс - до 20 мкм. Размолотый кокс смешивают с окисью свинца для получения однородной смеси и восстанавливают в среде диссоциированного аммиака при температуре 350±10°С в течение 3 ч, т.е. свинец получается при восстановлении в среде диссоциированного аммиака из окиси свинца. Порошок бронзы восстанавливают в среде диссоциированного аммиака при температуре 300±10°С в течение 3 ч для снятия с поверхности частиц окисной пленки. Перед приготовлением восстановленные компоненты перемешивают с дисульфидом молибдена. Затем смесь компонентов засыпают в смеситель и перемешивают с измельченным фторопластом-4 в течение 5-6 минут, после чего прессуют заготовки под давлением 400±50 кгс/см, время выдержки под давлением 40-60 с. Спекание производят при температуре 350°С, далее охлаждают до температуры 327°С.
2
2
2
2
Известен способ изготовления антифрикционных материалов с эффектом самосмазывания из композиции, которая содержит углеродный коксовый порошок с преимущественным размером частиц 0,02-0,2 мм, порошок меди, однозамещенный фосфорно-кислый калий и политетрафторэтилен. Смесь перемешивают, из полученной пресс-массы опрессовывают заготовки при давлении 700 кгс/см ± 50 кгс/см, выдерживают при этом давлении не менее 1 минуты, дробят и размалывают их до получения частиц размером преимущественно 0,1-0,3 мм, перемешивают полученную массу и добавляют в нее дисульфид в количестве 6-12%, вторично прессуют полученную смесь при давлении 600 кгс/см ± 50 кгс/см, выдерживают при этом давлении 3 минуты, спекают и термообрабатывают (2. Гнедин Ю.Ф., Фиалков А.С., Шульгин М.М., Малютин Г.В. Способ изготовления антифрикционных материалов. Патент РФ №2064944 от 06.08.1933 г.).
Известен способ изготовления антифрикционного материала на основе политетрафторэтилена и углеродного волокнистого наполнителя, где в качестве наполнителя используются дискретные частицы, полученные путем смешивания порошкообразного политетрафторэтилена и 5-50% измельченного углеродного волокна при числе оборотов рабочих органов, равном 5000-22500 об/мин, спекания смеси при 360-390°С, измельчения спекшейся массы при 5000-22500 об/мин и классификации по размерам 50-300 мкм, в количестве 5-95 мас.%, которые смешивают с политетрафторэтиленом при 5000-225000 об/мин (3. Будник А.Ф., Сиренко Г.А., Колесников С.И. Способ «Бусико» изготовления антифрикционного материала. Авторское свидетельство SU №1723084).
К недостаткам этих вышеперечисленных способов следует отнести сложность технологического процесса, довольно высокий коэффициент трения (до 0,3-0,35) и использование в технологическом процессе большого количества компонентов.
Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является способ получения антифрикционной композиции на основе политетрафторэтилена и ультрадисперсного неорганического наполнителя, при котором ультрадисперсный неорганический наполнитель, выбранный из ряда: оксид хрома, оксид циркония, цеолит, помещают в рабочие барабаны планетарной мельницы и подвергают активации в планетарной мельнице АГО-2 с частотой вращения водила - 730 об/мин и частотой вращения барабанов - 1780 об/мин за счет центробежных сил в течение 1-3 мин. Затем активированный наполнитель смешивают с политетрафторэтиленом в лопастном смесителе в течение 1-2 мин при скорости 2000 об/мин. Изделия изготавливают по стандартной технологии переработки ПТФЭ: холодное прессование при удельном давлении 50 МПа и свободное спекание при температуре 370±5°С. Скорость нагрева, продолжительность выдержки при максимальной температуре и скорость охлаждения определяли, исходя из размеров изделия (4. Охлопкова А.А., Виноградов А.В., Попов С.Н., Митронова Ю.Н., Брощева П.Н. Способ получения антифрикционной композиции. Патент РФ №2178801 от 15.10.1997 г.).
К недостаткам этого способа следует отнести небольшое (до 1,5-3 раз) повышение износостойкости данной композиции по сравнению с выбранными аналогами и по сравнению с исходным полимером (до 37,5 раз).
Задачей изобретения является существенное повышение износостойкости политетрафторэтилена (до 720 раз) и композиционных материалов на его основе с использованием активированных цеолитов (до 1000 раз) за счет изменения давления прессования заготовок и использования моторного масла марки М-8В.
Существенные признаки, характеризующие изобретение
Ограничительные: использование ультрадисперсного неорганического наполнителя - цеолита.
Отличительные: значительное улучшение антифрикционных свойств политетрафторэтилена и композиций на его основе с использованием активированного цеолита при изменении стандартных параметров технологического процесса изготовления изделий с использованием жидкого моторного масла марки М-8В.
-3
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе изготовления с целью получения пористых заготовок со значительно улучшенными антифрикционными свойствами прессование заготовок из порошка политетрафторэтилена и композиционной порошковой смеси на его основе с цеолитами осуществляют при давлении 12,5 МПа и 25 МПа. Отпрессованные таким образом пористые заготовки пропитывают жидким моторным маслом марки М-8В в течение 24 часов при комнатной температуре и температуре 150°С, затем подвергают их «свободному спеканию» в программируемой муфельной печи при 375°С со скоростью нагрева 2°С/мин до 300°С и 3°С/мин до 375°С (время выдержки 0,3 ч на 10 м толщины образца). После выдержки печь отключается и изделие остывает вместе с печью. Термин «свободное спекание» означает, что прессованные изделия вынимаются из пресс-форм и затем направляются на термообработку в муфельную печь. Таким образом, изделия спекаются в свободном состоянии без приложения давления.
Преимуществом технологии получения пористых заготовок из ПТФЭ и композитов на его основе является то, что для ее реализации не требуется использования фреонов и других компонентов, которые при взаимодействии между собой выделяют газообразные (вредные для человека) вещества, и также специального технологического оборудования.
3
ПТФЭ (фторопласт - 4) - промышленный продукт (ГОСТ 10007-80), представляющий собой белый рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% плотностью 2,17-2,19 г/см, температурой плавления 327°С.
2/n
2
3
2
2
Цеолиты представляют собой алюмосиликаты общей формулы MeO×AlO×xSiO×yHO, где Me - щелочной или щелочноземельный металл, n - степень его окисления. Цеолиты относятся к сорбентам с микропористой структурой, обладают высокой адсорбционной активностью и молекулярно-ситовыми свойствами (5. Челищев Н.Ф., Берштейн Б.Г., Володин В.Ф. Цеолиты - новый тип минерального сырья. - М.: Недра, 1987. - 157 с.).
Моторное масло М-8В (ГОСТ 10541-78) - смесь дистиллятного и остаточного компонентов или дистиллятного компонента узкого фракционного состава с эффективной композицией присадок.
Отработку давления прессования заготовок производили на 4-х образцах из ПТФЭ, прессованных при давлениях 12,5; 25,0; 37,5; 50 МПа и пропитанных в моторном масле марки М-8В в течение 24 часов при комнатной температуре и температуре 150°С. Зависимость скорости массового изнашивания и коэффициента трения маслонаполненных композитов на основе ПТФЭ приведены в табл.1.
Таблица 1
Зависимость триботехнических характеристик политетрафторэтилена от содержания моторного масла М-8В, давления прессования и удельной нагрузки трения
№
Материал
P, МПа
С, %
f
I, мг/ч
Удельная нагрузка трения, МПа
Удельная нагрузка трения, МПа
0,5
1,0
2,0
0,5
1,0
2,0
1
ПТФЭ
12,5
2,9
0,020
0,021
0,025
0,75
1,23
1,62
2
ПТФЭ
25,0
0,28
0,021
0,025
0,026
0,78
76,23
290,80
3
ПТФЭ
37,50
0,043
0,022
0,030
0,031
46,64
129,28
460,95
4
ПТФЭ (стандартное)
50,00
-
0,041
0,043
0,043
91,37
106,45
312,30
Примечание: Р - давление прессования; f - коэффициент трения; I - скорость массового изнашивания; С - количество впитанного масла.
a
Триботехнические характеристики композитов (коэффициент трения и скорость массового изнашивания) определяли при испытаниях по общепринятым методикам (ГОСТ 11629-75). Скорость изнашивания и коэффициент трения полимерных композитов определяют на машине трения СМЦ-2 (схема трения «вал-втулка» при контактном давлении 0,5-2 МПа, скорость скольжения 0,39 м/с, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью R=0,06-0,07 мкм).
Пористость отпрессованных заготовок определяют по значениям плотности компонентов (ГОСТ 12730.1). Пористые материалы получают путем изменения удельного давления прессования композита от 12,5 до 50 МПа.
Необходимое давление прессования заготовок из порошка ПТФЭ определяется из условия достижения максимальной износостойкости пропитанного в дальнейшем в моторном масле композита.
Установлено, что прессование заготовок из маслонаполненного ПТФЭ при давлении 12,5 МПа и 25,0 МПа приводит к снижению скорости массового изнашивания в зависимости от нагрузки при трении в 85-190 раз и коэффициента трения до 2-х раз по сравнению с чистым ПТФЭ. Снижение коэффициента трения свидетельствует о том, что пара трения работает в режиме самосмазывания (табл.1).
С целью снижения вязкости моторного масла, и, соответственно, повышения количества впитанного масла, повышена температура пропитки до 150°С отпрессованных заготовок под давлением 12,5 МПа и 25 МПа. Максимальная температура пропитки заготовок моторным маслом выбрана исходя из того, что температура вспышки моторного масла М-8 В соответствует 200°С. Зависимость скорости массового изнашивания и коэффициента трения маслонаполненных композитов на основе ПТФЭ от температуры пропитки заготовок приведены в табл.2.
Таблица 2
Зависимость триботехнических характеристик маслонаполненного политетрафторэтилена от температуры пропитки и режима трения
№
Материал
Р, МПа
С, %
T, °C
f
I, мг/ч
Удельная нагрузка трения, МПа
Удельная нагрузка трения, МПа
1,0
2,0
1,0
2,0
1
ПТФЭ
12,5
2,9
коми
0,021
0,025
1,23
1,62
2
ПТФЭ
12,5
5,2
150
0,021
0,024
0,42
0,43
5
ПТФЭ
25,0
0,28
коми
0,025
0,026
76,23
290,80
8
ПТФЭ
25,0
2,17
150
0,023
0,025
0,57
0,90
Примечание: Т- температура пропитки моторным маслом.
Необходимая температура пропитки заготовок из политетрафторэтилена также определяется из условия достижения максимальной износостойкости маслонаполненного материала. Установлено, что количество впитанной смазки полимерным образцом при температуре 150°С в 2-7 раз больше, чем при комнатной температуре. Износостойкость маслонаполненного ПТФЭ возросла до 320 раз, по сравнению с полимером, полученным пропиткой образца при комнатной температуре, и до 725 раз по сравнению с исходным немаслонаполненным политетрафторэтиленом.
Оценку эффективности предлагаемого способа проводили также на композиции из политетрафторэтилена и активированного в течение 2-х мин природного цеолита. В этом случае активированные природные цеолиты использованы в качестве поглотителей жидкой смазки, так как цеолиты характеризуются высокой адсорбционной способностью.
Заготовки из композиции ПТФЭ + цеолиты изготавливали по следующей технологии: композицию из порошков ПТФЭ и активированного цеолита смешивают в лопастном смесителе в течение 2 мин при скорости 2000 об/мин с последующей сушкой в вакуумном шкафу (2 ч при 393-413 К), заготовки прессуют под давлением 12,5 и 25 МПа, затем отпрессованные заготовки пропитывают моторным маслом марки М-8В в течение 24 часов при комнатной температуре и температуре 150°С, спекают в программируемой муфельной печи при температуре 375±5°С. Количество впитанного масла оценивают по разнице масс образцов до и после спекания.
Отработку заявляемого способа производили на 4-х различных по составу композициях. Необходимое количество активированного природного цеолита определяют также из условия достижения максимальной износостойкости маслонаполненного композита. Зависимость триботехнических характеристик маслонаполненных композитов от содержания природных цеолитов приведена в табл.3.
Таблица 3
Зависимость триботехнических характеристик маслонаполненных композитов от содержания природных цеолитов и удельной нагрузки трения
Маслонаполненный композит
С, %
f
I, мг/ч
Удельная нагрузка трения, МПа
Удельная нагрузка трения, МПа
1 МПа
2 МПа
1 МПа
2 МПа
ПТФЭ + 1 мас.% цеолита
1,65
0,040
0,039
4,8
7,80
ПТФЭ + 2 мас.% цеолита
2,32
0,042
0,034
1,9
2,56
ПТФЭ + 5 мас.% цеолита
3,35
0,041
0,035
од
2,00
ПТФЭ + 10 мас.% цеолита
4,82
0,053
0,035
1,5
4,56
Наименьшая скорость массового изнашивания, соответственно, максимальная износостойкость достигнуты при добавлении в политетрафторэтилен 5 мас.% активированного природного цеолита. Скорость массового изнашивания пропитанного моторным маслом композита на основе ПТФЭ и 5 мас.% активированного цеолита снижается до 1000 раз по сравнению с политетрафторэтиленом, полученным по стандартной технологии. При увеличении концентрации цеолитов до 10 мас.% в полимерном композиционном материале зарегистрировано повышение скорости массового изнашивания маслонаполненного композита. Это связано с тем, что частицы природных цеолитов выступают не только в качестве поглотителей жидкой смазки, но и структурно-активного агента. Структурными исследованиями показано, что при добавлении цеолита в количестве 5 мас.% в политетрафторэтилен происходит формирование более упорядоченной структуры полимерного композиционного материала, что приводит к повышению сопротивления материала к износу и, соответственно, износостойкости. Повышение концентрации цеолита в полимерном композите до 10 мас.% приводит к формированию рыхлой структуры композита с дефектными областями, что связано с образованием агломератов из частиц цеолитов.
Композиция ПТФЭ + 5 мас.% активированного цеолита также пропитывалась моторным маслом марки М-8В в течение 24 часов при температуре 150°С, затем подвергалась «свободному спеканию» при температуре 375±5°С в программируемой муфельной печи.
Зависимость триботехнических характеристик композитов ПТФЭ + 5 мас.% активированного цеолита от температуры пропитки приведена в табл.4.
Таблица 4
Зависимость триботехнических характеристик композитов ПТФЭ+5 мас.% активированного цеолита от температуры пропитки и удельной нагрузки трения
Композит
Р, МПа
Т, °С
f
I, мг/ч
Удельная нагрузка трения, МПа
Удельная нагрузка трения, МПа
1 МПа
2 МПа
1 МПа
2 МПа
Маслонаполненный композит ПТФЭ + 5 мас.% цеолита
12,5
комн.
0,043
0,042
1,5
3,08
Маслонаполненный композит ПТФЭ + 5 мас.% цеолита
12,5
150
0,040
0,034
0,16
0,45
Маслонаполненный композит ПТФЭ + 5 мас.% цеолита
25
комн.
0,042
0,039
0,10
2,0
Маслонаполненный композит ПТФЭ + 5 мас.% цеолита
25
150
0,039
0,036
0,11
0,31
Установлено, что для получения износостойкой композиции на основе ПТФЭ и активированного в течение 2 мин цеолита заготовку следует изготовить под удельным давлением 25 МПа в отличие от заготовки на основе только ПТФЭ. Это связано с тем, что введение твердых частиц в полимерную матрицу создает на границе раздела фаз полимер-наполнитель дополнительные перенапряжения (дефектные зоны), которые снижают прочность композита. В связи с этим, при удельном давлении прессования заготовки 12,5 МПа не удается достичь достаточно плотной упаковки частиц полимерной матрицы и наполнителя, что приводит к снижению прочности и, соответственно, износостойкости композита.
Установлено, что пропитка заготовки из композиционной смеси ПТФЭ + 5 мас.% при 150°С приводит к снижению массового изнашивания в 6 раз полимерных композитов, полученных пропиткой при высокой температуре при повышении нагрузки от 1 до 2 МПа, хотя износостойкость композитов при удельной нагрузке трения 1 МПа не зависит от температуры пропитки.
Значительное повышение износостойкости ПТФЭ и композиционного материала на его основе с активированными природными цеолитами с использованием моторного масла М-8В позволяет существенно увеличить ресурс работы и надежность узлов трения и машин в целом.
Пример получения износостойкого материала из политетрафторэтилена и композиции на его основе с использованием активированного цеолита: цеолит помещают в рабочие барабаны планетарной мельницы и подвергают активации за счет центробежных сил в течение 2 мин. Затем 5 г активированного цеолита смешивают с 95,0 г политетрафторэтилена в лопастном смесителе в течение 1-3 мин при скорости 2000 об/мин с последующей сушкой в вакуумном шкафу (2 ч при 393-413 К), далее заготовку прессуют под давлением 25,0 МПа, затем отпрессованную заготовку пропитывают моторным маслом марки М-8В в течение 24 часов при температуре 150°С и подвергают ее «свободному спеканию» в программируемой муфельной печи.
Техническо-экономическая эффективность
Использование заявляемого изобретения позволяет получать полимерные материалы из политетрафторэтилена и композиции на его основе с использованием активированного цеолита и моторного масла марки М-8В, обладающие эффектом самосмазывания и имеющие износостойкость в 720-1000 раз выше, чем у исходного политетрафторэтилена, что позволяет их использовать при изготовлении деталей металлополимерных узлов трения машин различных видов техники.