Композиционный триботехнический материал

(71) Заявитель Открытое акционерное общество Белкард(72) Авторы Струк Василий Александрович Костюкович Геннадий Александрович Кравченко Виктор Иванович Овчинников Евгений Витальевич Федоров Дмитрий Иванович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Белкард(57) Композиционный триботехнический материал, содержащий смесь термопластичных полимеров и сухую смазку, отличающийся тем, что в качестве смеси термопластичных полимеров содержит смесь полиамида 11 и криогенно измельченного порошка полиамида 6 при следующем соотношении компонентов, мас.полиамид 11 1-40 сухая смазка 0,11-5,0 криогенно измельченный порошок полиамида 6 остальное. Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано для изготовления антифрикционных покрытий деталей узлов трения различных машин и механизмов, эксплуатируемых преимущественно без подвода внешней смазки. Для изготовления покрытий триботехнического назначения широко применяют полимерные связующие, главным образом, полиамиды, полиолефины, фторсодержащие полимеры, полиэфиры (Довгяло В.А, Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск Наука и техника, 1992. - С. 256). Наиболее распространенной технологией нанесения таких покрытий является метод псевдоожиженного слоя, в котором металлическую заготовку, на которую наносят покрытие, окунают в псевдосжиженный слой, представляющий собой воздушную взвесь полимерного порошка. Оплавление осадившегося порошка формирует покрытие заданной толщины на рабочей поверхности детали. Для обеспечения необходимых функциональных характеристик покрытия в состав композиций вводят различные добавки сухие смазки, порошки металлов,силикатов, оксидов и др. Содержание таких добавок обычно составляет от 5 до 40 мас. . Введение порошкообразных добавок в состав композиций для получения покрытий существенно усложняет технологию их нанесения, т.к. из-за различия в удельном весе полимерных порошков и добавок наблюдается сепарация, в результате которой получается покрытие неоднородного состава. 7872 1 2006.02.28 Прототипом изобретения является состав композиционного триботехнического материала на основе полиамида 6 в качестве полимерного связующего и содержащий в качестве функциональной добавки полимерный компонент, в качестве которого выбран порошкообразный полиолефин, и сухую смазку - графит (Белый В.А., Савкин В.Г., Невзоров В.В. Самосмазывающие материалы на основе смесей термопластичных полимеров // Вестник машиностроения. - 1977. -11. - С. 53-55). Введение в состав полиамида 6 полиэтилена низкого давления приводит к формированию гетерогенного покрытия, состоящего из полиамидной матрицы с включениями полиэтилена. При эксплуатации такого покрытия под действием сил трения происходит плавление частиц полиэтилена с образованием в зоне фрикционного контакта пленки расплава, выполняющей роль смазки. Покрытия по прототипу применяют в узлах трения различных машин, эксплуатируемых при 5 МПам/с. Недостатками прототипа являются недостаточно высокое значение адгезионной прочности покрытий на металлической подложке, вследствие того, что полиолефины имеют низкую адгезию к металлам существенное снижение физико-механических и теплофизических характеристик базового материала - полиамида при введении в его состав значительных количеств (10-15 мас. ) низкомодульного полимера - полиэтилена необходимость применения специальных методов подготовки металлических поверхностей для обеспечения заданного уровня адгезионной прочности покрытий. Задачей изобретения является увеличение адгезионной прочности покрытий на основе полиамида с металлическими подложками, увеличение физико-механических и теплофизических характеристик покрытий, улучшение триботехнических характеристик покрытия при трении без смазки при повышенных температурах. Поставленная задача решается тем, что композиционный триботехнический материал, содержащий смесь термопластичных полимеров и сухую смазку, в качестве смеси термопластичных полимеров содержит смесь полиамида 11 и криогенно измельченного порошка полиамида 6 при следующем соотношении компонентов, мас.полиамид 11 1-40 сухая смазка 0,11-5 криогенно измельченный порошок полиамида 6 остальное. Составы конкретного исполнения композиционных триботехнических материалов согласно прототипу и изобретению приведены в табл. 1. Таблица 1 Составы композиционных триботехнических материалов. Компонент полиамид 6 криогенно измельченный порошок полиамида 6 полиэтилен низкого давления (ПЭНД) полиамид 11 сухая смазка графит коллоидный ультрадисперсный алмазосодержащий графит (УДАГ) политетрафторэтилен дисульфид молибдена 7872 1 2006.02.28 В качестве полимерных матриц использовали порошки полиамида 6 и полиамида 11 с размерами частиц 80100 мкм. Криогенно измельченный порошок полиамида 6 получали механическим дроблением в мельнице гранул, охлажденных до температуры жидкого азота (-198 С) или других сжиженных газов (кислорода, воздуха, углекислого газа). Необходимую фракцию получали отсевом. Порошкообразные сухие смазки с размером частиц не более 80 мкм смешивали с полимерной матрицей и полимерным компонентом в барабанном смесителе с мелющими (активирующими) элементами. Покрытия наносили из псевдоожиженного слоя окунанием нагретого до 240-280 С металлического образца с последующим оплавлением осадившегося порошкообразного материала. Поверхность металлического образца очищали от оксидов и загрязнений путем обработки абразивным полотном и обезжиривали бензином. Физико-механические характеристики покрытий оценивали по общепринятым методикам. Адгезионную прочность покрытия оценивали методом отслаивания под углом 180. Триботехнические характеристики определяли по схеме палец - диск при скорости скольжения 1 м/с и удельной нагрузке 5-10 МПа. Покрытия наносили на торцевую поверхность металлического цилиндрического образца диаметром 10 мм. Для изготовления образцов использовали сталь 08 кп (адгедзионная прочность) и ст 45 (триботехнические испытания). Сравнительные характеристики заявленных составов и прототипа приведены в табл. 2. Таблица 2 Сравнительные характеристики заявляемых составов и прототипа. Компонент 1. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа при температуре 20 С при температуре 50 С 2. Твердость по Бринеллю, МПа при температуре 20 С при температуре 50 С 4. Коэффициент трения при 1 м/с при нагрузке 5 МПа 0,22 0,20 0,20 0,18 0,17 0,18 0,21 0,18 0,18 0,18 при нагрузке 10 МПа 0,15 0,13 0,13 0,12 0,11 0,11 0,15 0,13 0,12 0,11 Как следует из представленных данных заявленные составы (-, , ) превосходят прототип (составы , ) по прочностным, адгезинонным и триботехническим характеристикам. Так, прочность материала при повышении температуры до 50 С показатель прочности заявляемых составов на 30-40 выше, чем у прототипа. После кипячения в воде заявляемые составы сохраняют более высокие значения адгезионной прочности. Уменьшение содержания в композиции полиамида 11 (состав ) уменьшает адгезионную прочность материала, а превышение содержания полиамида 11 выше заявленного соотношения (состав ) - уменьшает прочность материала. Замена графита на другие виды сухих смазок - политетрафторэтилен (состав ) или дисульфид молибдена (состав ) сохраняет основные показатели физико-механических, адгезионных и триботехнических характеристик. 3 7872 1 2006.02.28 Сущность изобретения состоит в следующем. При криогенном измельчении полиамида происходит разрыв связей в основной молекулярной цепи с образованием долгоживущих активных радикалов. Такие радикалы придают частице полимера высокую активность вследствие их способности к реакции присоединения. Кроме того, наличие у частиц полиамида неспаренных электронов приводит к возникновению у нее собственного силового поля, которое оказывает ориентирующее действие на расплав. Учитывая, что температура плавления полиамида 11 и полиамида 6 различается на 70 С, действие силового поля частиц матричного полимера (ПА 6) сохраняется после плавления частицы полимерного компонента (ПА 11). В результате этого происходит ориентация расплава полиамида 11 в граничных слоях частиц ПА 6. Это приводит к образованию ориентированного граничного слоя с повышенными прочностными характеристиками. Ориентирующее действие частиц полиамида 6 способствует термодинамической совместимости матрицы и полимерной добавки, что приводит к гомогенизации композита, увеличивающей его прочностные характеристики. Композиционный материал, состоящий из термодинамически совместимых компонентов (ПА 6 и ПА 11) превосходит по служебным характеристикам композит из термодинамически несовместимых компонентов (ПА 6 и ПЭНД). При трении вследствие существенного различия температур плавления ПА 6 и ПА 11 происходит плавление более низкоплавкого компонента (ПА 11) с образованием пленки расплава, выполняющей роль смазки. Таким образом, разработанная композиция обладает свойствами самосмазывания при эксплуатировании узлов трения без смазки или при ее ограничении. Дополнительное введение в состав композиции сухой смазки улучшает триботехнические характеристики. Использование в качестве сухой смазки углеродосодержащего продукта детонационного синтеза дополнительно увеличивает прочностные и адгезионные характеристики. В качестве такого продукта целесообразно использовать ультрадисперсный алмазосодержащий графит (УДАГ), который промышленно производится ЗАО Синта. Дисперсность такого продукта составляет 3-10 нм, а его наночастицы обладают повышенной активностью в реакциях взаимодействия с полимерными матрицами. Разработанный композиционный материал предназначен для изготовления деталей узлов трения различных машин и механизмов, эксплуатируемых без смазки или при ее ограничении. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.