Антифрикционная композиция

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Сергиенко Владимир Петрович Биран Владимир Владимирович Злотников Игорь Иванович Сенатрев Александр Николаевич Ахметов Тимур Альфритович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Антифрикционная композиция, включающая сухую смазку, волокно базальтовое измельченное и/или углеродное измельченное, модификатор, выбранный из группы,включающей ,-м-фенилендималеимид, ,-гексаметилендималеимид и ,-(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид и политетрафторэтилен, отличающаяся тем, что дополнительно содержит сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом при следующем соотношении компонентов, мас.сухая смазка 0,5-7,0 волокно базальтовое измельченное и/или углеродное измельченное 2,0-6,0 модификатор 1,0-5,0 сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом 2,0-10,0 политетрафторэтилен остальное. 2. Антифрикционная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит бронзовую пудру в количестве 5,0-30,0 мас. . Изобретение относится к области полимерного материаловедения и представляет собой композиционный материал триботехнического назначения, который может быть использован в машиностроении для изготовления деталей узлов трения машин и технологического оборудования, работающих без применения внешней смазки в условиях повышенных температур и воздействия агрессивных сред. Известна антифрикционная композиция, содержащая (мас. ) базальтовое волокно 2,7-6,3 расширенный графит 7,2-9,0 политетрафторэтилен (ПТФЭ) 54,9-63,9 клиноптилолит 16,2-19,8 и этиловый спирт 1. Недостатком композиции является невысокая теплостойкость, сложность ее изготовления, а также дефицитность и высокая стоимость входящих в ее состав компонентов клиноптилолита - редкого природного цеолита и рас 15256 1 2011.12.30 ширенного графита, который получают кислотной обработкой природного графита с последующей термообработкой при 600-1000 С. Известна антифрикционная композиция, включающая (мас. ) ПТФЭ 75-77 кокс 1015 базальтовое волокно 3-6 дисульфид молибдена 3,5-6,5 и аэросил с удельной поверхностью 270-330 м 2/г 1-3 2. Недостатком известной композиции являются сравнительно высокий коэффициент трения при трении по стали и невысокая теплостойкость. Известна антифрикционная композиция, включающая (мас. ) смесь полиоксадиазольных и углеродных волокон 1,0-30,0 графит 0,2-1,0 и политетрафторэтилен 3. Данная композиция эффективна при использовании в качестве уплотнений гидравлических устройств, однако мало пригодна для изготовления подшипников скольжения из-за высокого коэффициента трения. Известна антифрикционная композиция, включающая (мас. ) коллоидный графит 26 природный графит 3-9 измельченное базальтовое волокно 4-6 модификатор, выбранный из группы, включающей ,-м-фенилендималеимид, ,-гексаметилендималеимид и ,-(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид измельченное углеродное волокно кварцевые или корундовые микросферы 2-4 и ПТФЭ 4. Композиция обладает высокими антифрикционными свойствами, однако имеет низкую теплопроводность и сложный состав (содержит специально изготовленные микросферы), а также сложную технологию изготовления. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является антифрикционная композиция, включающая (мас. ) сухую смазку (графит) 5-15 измельченное волокно (базальтовое) 3-5 модификатор, выбранный из группы, включающей,-м-фенилендималеимид, ,-гексаметилендималеимид и ,-(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид и ПТФЭ 5. Недостатком известной композиции являются невысокие износостойкость и механическая прочность, а также нестабильность коэффициента трения при изменении температуры и скорости скольжения. Задачей изобретения является повышение износостойкости и механической прочности. Поставленная задача решается за счет того, что антифрикционная композиция, включающая сухую смазку, измельченное волокно, модификатор, выбранный из группы,включающей ,-м-фенилендималеимид, ,-гексаметилендималеимид и ,(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид и политетрафторэтилен дополнительно содержит сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом при следующем соотношении компонентов, мас.сухая смазка 0,5-7,0 волокно базальтовое измельченное и/или углеродное измельченное 2,0-6,0 модификатор 1,0-5,0 сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом 2,0-10,0 политетрафторэтилен остальное,а также за счет того, что дополнительно содержит бронзовую пудру в количестве 5,030,0 мас. . Сущность изобретения заключается в следующем. Сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (торговое название фторопласт Ф-4 МБ) с химической формулой(22)2-3 имеет более низкую по сравнению с ПТФЭ молекулярную массу, температуру плавления и способен более полно переходить в вязкотекучее состояние. Поэтому при спекании ПТФЭ сополимер заполняет микропустоты, неизбежно возникающие в матрице ПТФЭ при спекании, что обеспечивает повышение механической прочности и износостойкости получаемых изделий. Введение сополимера Ф-4 МБ в композицию в количестве менее 15256 1 2011.12.30 2 мас.не приводит к заметному улучшению свойств композиции, а введение в количестве более 10 мас.снижает теплостойкость материала. Введенный в композицию модификатор ,-м-фенилендималеимид, ,-гексаметилендималеимид и ,-(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид полимеризуется при спекании ПТФЭ с образованием практически сплошной полиимидной сетки внутри матрицы из ПТФЭ, что резко повышает теплостойкость и износостойкость материала. Кроме того,есть основания предположить, что олигомерный модификатор способен к химическому взаимодействию с сополимером тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, которое происходит при воздействии высоких температур, что еще более увеличивает прочность и износостойкость композиции. При содержании модификатора менее 1 мас.эффект повышения теплостойкости и износостойкости практически не наблюдается, а содержание модификатора более 10 мас.не приводит к дополнительному положительному эффекту и экономически нецелесообразно. Измельченное базальтовое и/или углеродное волокно (длина моноволокон в пределах 50-120 мкм) является армирующим элементом, повышающим механическую прочность полимерной матрицы и существенно снижающим текучесть материала под нагрузкой. В отличие от стеклянных, базальтовые волокна не обладают выраженным абразивным действием и поэтому более предпочтительны при использовании в антифрикционной композиции, а углеродные волокна не только не оказывают абразивного действия при трении,но частицы их износа обладают смазочными свойствами. Использование в композиции только базальтового волокна приводит к некоторому повышению коэффициента трения,но при этом повышается его стабильность и возрастает механическая прочность, так как базальтовое волокно обладает более высокой адгезией к полимерам. Применение только углеродного волокна приводит к некоторому снижению механической прочности, но снижается и коэффициент трения. При введении в композицию волокна в количестве менее 2 мас.снижается механическая прочность изделий, а введение волокна более 6 мас.не приводит к дополнительному улучшению показателей износостойкости и прочности, но и связано с большими трудностями по гомогенизации композиционного состава. В качестве сухой смазки в композиции использовали синтетический коллоидный графит, дисульфид молибдена или их смесь. Введение в композицию сухой смазки в количестве 0,5-7,0 мас.позволяет добиться низкого и стабильного коэффициента трения без снижения механической прочности и износостойкости. Дополнительного улучшения свойств композиции (повышения теплостойкости, износостойкости и стабильности коэффициента трения) можно добиться введением бронзовой пудры. При этом у композиции увеличивается теплопроводность, а при трении в паре со стальным контртелом реализуется явление избирательного переноса, что снижает износ и стабилизирует коэффициент трения. Введение бронзовой пудры в количестве менее 5,0 мас.не улучшает свойств композиции, а введение более 30,0 мас.приводит к снижению механической прочности. Антифрикционную композицию готовили следующим образом. Базальтовое и/или углеродное волокно измельчали в дисковой мельнице до размера моноволокон в диапазоне 50-120 мкм и загружали в смеситель вместе с остальными порошкообразными компонентами. После смешения до получения однородной массы из полученного порошка методом холодного прессования при давлении 50-60 МПа изготавливали заготовки изделий и образцы для испытаний. Полученные заготовки загружали в электропечь и спекали при температуре 3755 С. Время выдержки при указанной температуре определяли из расчета 10 мин на 1 мм толщины изделия. Нагревание и охлаждение производили по специальному технологическому режиму. Составы антифрикционных композиций конкретного выполнения приведены в табл. 1. 15256 1 2011.12.30 Таблица 1 Составы антифрикционных композиций, мас.Заявляемый состав Компонент 1 2 3 4 5 6 7 8 Графит 0,4 0,5 - 4,0 4,0 4,0 3,0 7,0 Дисульфид молибдена- - 2,0 - - 2,5 Волокно базальтовое измельченное 1,8 2,0 - 4,0 4,0 4,0 3,0 6,0 Волокно углеродное измельченное- - - - - 4,0 Сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропи 1,8 2,0 3,5 6,0 6,0 6,0 8,0 10,0 леном Бронзовая пудра марки БПК- - - - 5,0 30,0 - Политетрафторэтилен марки ПН остальное Сравнительные свойства предлагаемой композиции и известной приведены в табл. 2. Таблица 2 Сравнительные свойства антифрикционных композиций Заявляемый состав Патент Наименование параметра 1 9 7862 2 3 4 5 6 7 8 Коэффициент трения 0,10 0,14 0,10 0,10 0,10 0,11 0,12 0,10 0,10 0,14-9 2,2-5,2 2,3 1,8 1,6 1,5 1,4 1,4 1,8 2,0 2,6 Интенсивность изнашивания, 10 Разрушающее напряжение при рас 15-16 16 18 19 20 20 19 21 20 17 тяжении, МПа Теплостойкость по Вика,С 230-235 230 230 235 235 235 235 235 230 225 Ползучесть под статической 0,5-0,7 0,4 0,3 0,3 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 нагрузкой, мм Как следует из представленных в таблице 2 данных, предлагаемая композиция обладает более высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, чем прототип. Особенно это проявляется в увеличении разрушающего напряжения при растяжении и снижении ползучести под нагрузкой. Кроме того, по результатам проведенных исследований, материал по изобретению характеризуется высокой стабильность коэффициента трения при изменении скорости скольжения и нагрузки. Фрикционные испытания проводили на машине трения СМТ-1 по схеме вал - частичный вкладыш при нагрузке 4 МПа и скорости скольжения 1 м/с. Вкладыш изготавливали из исследуемого материала. В качестве вала использовали ролик из стали 65 Г диаметром 40 мм с исходной шероховатостью 0,32 мкм. Теплостойкость по Вика определяли по ГОСТ 15088-83. Разрушающее напряжение при растяжении определяли по ГОСТ 1126280. Ползучесть (хладотекучесть) под статической нагрузкой определяли путем выдержки цилиндрического образца диаметром 13 мм и высотой 15 мм под нагрузкой 4 МПа в течение 48 ч. За количественную меру ползучести принимали абсолютное уменьшение размера образца в мм. Контрольные примеры 1 и 9 показывают, что выход содержания компонентов за заявляемые пределы приводит к ухудшению всех показателей. Примеры 5 и 6 показывают, что дополнительное введение в состав композиции бронзовой пудры приводит к повышению износостойкости и снижению хладотекучести. Таким образом, только полное сочетание отличительных признаков приводит к достижению положительного результата. 4 15256 1 2011.12.30 Предлагаемая композиция применялась при изготовлении фрикционных элементов и успешно выдержала испытания в узлах стационарного трения машин для производства металлокорда на РУП Белорусский металлургический завод. Назначение механизма обеспечение строгого постоянного усилия натяжения провода. Использование материала с нестабильным коэффициентом трения при изменении скорости, нагрузки или температуры приводит к обрыву провода или неравномерной намотке. Разработанный материал показал высокие эксплуатационные свойства, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию промышленная применимость. Источники информации 1. А.с. СССР 1578155, МПК С 08 27/18,08 13/02,08 5/16, 1988. 2. А.с. СССР 1692996, МПК С 08 27/18,08 5/16,08 13/04, 1991. 3. А.с. СССР 1578155, МПК С 08 27/18,08 13/02,08 5/16, 1988. 4. Патент РБ 6410, МПК 08 27/18, 2004. 5. Патент РБ 11163, МПК 08 27/00, С 08 5/16, 2008. 6. Патент РБ 7862, МПК 085/16, С 08 27/18, 2004 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5