СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ ГРАДИЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD OF PRODUCING ANTI-FRICTION GRADIENT COATINGS

Изобретение относится к области антифрикционных покрытий, используемых в машиностроении, в частности для станков и приборов, имеющих в конструкции узлы трения/скольжения.
Известна антифрикционная композиция для изготовления подшипников скольжения, содержащая (в мас.%): эпоксидную смолу ЭД-5 (или ЭД-6) 38-45; углеродный порошок 35-45; дибутилфталат 3,2-4,0; полиэтиленполиамин 3,8-4,0; бутилцеллозольв 2,0-5,0 и порошковый преобразователь ржавчины лигниновый, модифицированный дисульфидом молибдена 5-10 (авторское свидетельство СССР 1812189, МКИ C08J 5/16, C08L 63/02, C08K 13/06, опубл. 30.04.93, Бюл. №16). Однако известная композиция имеет высокую вязкость, поэтому применяется для изготовления изделий методом прессования и не может быть использована в качестве покрытий.
Известна антифрикционная композиция для нанесения на металлические поверхности направляющих станков, включающая (мас.ч.): эпоксидную диановую смолу 100, дисульфид молибдена 9-11, графит скрытокристаллический 28-32, каолин 75-85, моноцианэтилдиэтилентриамин 21,5-24 (авторское свидетельство СССР 1177321, МКИ C09D 3/58, C08L 63/02, опубл. 07.09.85, Бюл. №33). Недостатком данной композиции является высокая вязкость (245-304 Па·с при 25°С), поэтому нанесение покрытия на поверхность возможно лишь шпателем, и низкая адгезия к металлическим поверхностям (прочность клеевого соединения Ст.3/Ст.3 при равномерном отрыве 33-40 МПа, при сдвиге 15-18 МПа).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является композиция для антифрикционных покрытий деталей станков и приборов, имеющих в конструкциях узлы трения скольжения. Композиция содержит (мас.ч): эпоксидную смолу 100; бутилглицидиловый эфир 13-17; графит 35-40; моноцианэтилдиэтилентриамин 25.5-29.1; полиметилсилоксан 0.14-0.18 и полиметилфенилсилоксан 0.1-0.4. Композицию получают смешением при 18-25°С эпоксидной смолы и бутилглицидилового эфира с последующим введением в смесь графита, полиметилсилоксана и полиметилфенилсилоксана. Моноцианэтилдиэтилентриамин вводят в композицию непосредственно перед применением. Антифрикционное покрытие получают путем свободной заливки композиции в зазор, образуемый между деталью, на который наносится композиция, и окончательно обработанной сопряженной деталью, на которую наносится слой разделительного состава толщиной 2-3 мкм, позволяющий демонтировать детали после отверждения композиции. Толщина отвержденного покрытия составляет 1.5-2.0 мм. Недостатком известной композиции является то, что она имеет недостаточно низкую вязкость (вязкость смоляной части 1.2-2.2 Па·с при 25°С), невысокую адгезию (прочность клеевого соединения Ст.3/Ст.3 при равномерном отрыве 23-41 МПа, при сдвиге 21-29 МПа), ограничения по толщине покрытия (1.5-2.0 мм), сложную технологию нанесения покрытия [авторское свидетельство СССР 1376544, МКИ C08L 63/02, C08J 5/16, опубл. 07.08.91, Бюл.29].
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении вязкости получаемой композиции, повышении адгезии и ударной прочности покрытия и расширении диапазона толщин получаемых покрытий.
Технический результат достигается тем, что в способе получения антифрикционного покрытия, включающем смешение компонентов, в состав которых входят эпоксидная смола, графит и отвердитель, и нанесение на поверхность, новым является то, что эпоксидную смолу предварительно смешивают с графитом, затем вводят глицидиловый эфир кислот фосфора с диспергированными углеродными нанотрубками и отвердитель, выдерживают до получения заданной степени расслоения и отверждают при следующем соотношении компонентов:
эпоксидный олигомер
100 мас.ч.,
глицидиловый эфир кислот фосфора
15-25 мас.ч.,
графит
20-30 мас.ч.,
углеродные нанотрубки
0.01-0.1 мас.ч.
отвердитель
стехиометрическое количество
где в качестве глицидиловых эфиров кислот фосфора используют триглицидилфосфат, диглицидилфосфат и диглицидилметилфосфонат.
В таблице 1 представлены примеры составов предлагаемых антифрикционных градиентных покрытий. В таблице 2 приведены свойства антифрикционных градиентных покрытий по примерам, определенные по результатам испытаний композиций и покрытий на их основе.
В качестве эпоксидной смолы использовали смолы марок: ЭД-20, ЭД-16, ЭД-8 (ГОСТ 10587-84), Э-40 (ОСТ 10-416-76). В качестве графита может быть использован скрыто кристаллический графит марки ГЛС-1 (ГОСТ 5420-74).
В качестве глицидиловых эфиров кислот фосфора использовали: триглицидилфосфат (ТГФТ), диглицидилметилфосфат (ДГФТ), диглицидилметилфосфонат (ДГМФ).
Все используемые глицидиловые эфиры кислот фосфора - прозрачные бесцветные нелетучие трудногорючие жидкости с низкой вязкостью (0.001-0.002 Па·с при 25°С) и содержанием эпоксидных групп 38-48% (Степашкина Л.В., Ризположенский Н.И. Синтез и свойства глицидиловых эфиров кислот фосфора // Изв. АН СССР. Сер. хим. - 1967. N3. - С.607-610).
В качестве углеродных нанотрубок использовали многослойные пакетированные нанотрубки марки «Таунит» (А.Ткачев, С.Мищенко, В.Негров, Н.Меметов, А.Пасько, С.Блинов, Д.Турлаков. Промышленное производство углеродного наноматериала «Таунит» // Наноиндустрия. - 2007. N2. - С.24-26).
В качестве отвердителя использовали: моноцианэтилдиэтилентриамин (УП-0633М, ТУ 6-05-1863-78), эвтектику 4,4'-диаминодифенилметана и метафенилендиамина (УП-0638, ТУ 6-09-15-295-77), N-крезилэтилендиамин (АФ-2, ТУ 2494-511-0020333521-94), полиэтиленполиамин (ПЭПА, ТУ 6-02-594-80), изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА, ТУ 6-09-3321-73).
В качестве графита использовали скрытокристаллический графит марки ГЛС-1 (ГОСТ 5420-74).
Способ изготовления антифрикционных градиентных полимерных покрытий может быть осуществлен следующим образом. Эпоксидную смолу смешивают с графитом при температуре 40-80°С с последующим охлаждением до 18-25°С. Углеродные нанотрубки диспергируют в глицидиловом эфире кислот фосфора. Непосредственно перед применением вводят отвердитель и смешивают полученные композиции.
Соотношение эпоксидной смолы и глицидилового эфира кислот фосфора соответствует области их несовместимости. При этом образуется эмульсия типа «масло в воде», которая начинает постепенно расслаиваться за счет разности плотностей эпоксидных смол и глицидиловых эфиров кислот фосфора. В верхней части покрытия образуется повышенная концентрация эпоксидной смолы, наполненной графитом, что позволяет значительно снизить количество графита для получения минимального коэффициента трения и, таким образом, снизить вязкость композиции и повысить ее ударную прочность. Поверхность покрытия, состоящая из эпоксидного олигомера, графита и отвердителя, обеспечивает низкий коэффициент трения, высокую износостойкость и хорошие прочностные характеристики. На металлической поверхности в нижней части покрытия образуется композиция, не содержащая графита и состоящая в основном из глицидилового эфира кислот фосфора, углеродных наночастиц и отвердителя, что обеспечивает хорошую смачиваемость поверхности металла предлагаемой композицией, высокую прочность и адгезию покрытия.
Отверждение композиции проводят в зависимости от активности отвердителя при температуре 18-150°С в течение 0.5-24 ч.
Антифрикционное покрытие получают напылением, нанесением кисточкой или шпателем, окунанием, свободной заливкой и любым другим удобным способом. Толщину покрытия можно варьировать от 50 мкм до 10 мм.
тр
сж
р.о.
ж
Коэффициент трения К определяли в паре с чугуном при давлении 0.5 МПа, скорости скольжения 0.8 мм/мин (ГОСТ 11629-75). Износостойкость определяли по ГОСТ 20811-75. Разрушающее напряжение при сжатии σ определяли по ГОСТ 4651-82, прочность клеевого соединения Ст3/Ст3 при сдвиге - по ГОСТ 14759-69, прочность клеевого соединения Ст3/Ст3 при равномерном отрыве σ - по ГОСТ 14760-69, ударную вязкость (а) - по ГОСТ 4647-80. Вязкость η определяли по времени истечения определенного объема композиции через капилляр вискозиметра типа ВПЖ-1. Жизнеспособность композиции τ определяли путем измерения времени с момента введения отвердителя до момента резкого возрастания вязкости при 20°С.
Как видно из таблиц 1 и 2, предлагаемая композиция (примеры 1-45) имеет по сравнению с прототипом более низкую вязкость, более высокую адгезию к металлу, более высокую ударную прочность при толщине покрытия от 50 мкм до 10 мм и различных способах нанесения.