Полимерная композиция для антифрикционных покрытий

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАНБ(73) Патентообладатель Институт механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАНБ(57) Изобретение относится к области полимерных композиций для покрытий, в частности, антифрикционного назначения, и может быть использовано при ремонте и восстановлении изношенных металлических деталей гидроаппаратуры, а также для изготовления узлов трибосопряжений, работающих в условиях гидродинамической смазки. Композиция включает, мас.дисперсный полиамид (70,0-89,8), металлический порошок(10-25) и модифицирующую добавку (0,2-5,0). Композицию готовят путем механического смешения полиамида и металлического порошка с последующей пропиткой полученной металлополимерной смеси раствором модификатора. Покрытия из композиции наносят на детали вибровихревым методом. Изобретение позволяет использовать в узлах трибосопряжений детали из обычной стали с покрытием взамен дорогостоящих металлов и сплавов. Изобретение относится к области полимерных композиций для покрытий, в частности, антифрикционного назначения и может быть использовано при ремонте и восстановлении изношенных металлических деталей гидроаппаратуры, а также для изготовления узлов трибосопряжений, работающих в условиях гидродинамической смазки. Известно использование полимерной композиции на основе полиамида, наполненного порошками медных сплавов, в качестве антифрикционных покрытий, работающих в условиях смазки промышленными маслами 1. Трение осуществлялось по закаленному стальному валу. Получаемые на основе этой композиции покрытия имеют недостаточно высокую адгезионную прочность и водостойкость. Кроме того, известна полиамидная композиция, в которой для увеличения модуля упругости и снижения относительной деформации в качестве наполнителя содержатся высокопористые металлы с ячеисто-сетчатой структурой, выбранные из группы железо, никель, нихром 2. Недостатками этого материала является высокое водопоглощение, нестабильная адгезионная прочность покрытий из предлагаемой композиции с металлическими подложками. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является антифрикционная полимерная композиция, содержащая порошкообразный полиамид, полиэтилен, антифрикционную добавку и пентапласт 3. Указанная композиция используется для получения антифрикционных покрытий на металлах. Недостатком этой композиции является невысокие износостойкость, прочность при растяжении, адгезия к подложке и водостойкость, что ограничивает использование покрытий из этого материала в узлах трения. Задача изобретения - повышение прочности, износостойкости, нагрузочной способности и снижение коэффициента трения трибосопряжения антифрикционное металлополимерное покрытие-вал при высоких водостойкости и адгезии покрытий. Поставленная цель достигается тем, что полимерная композиция для антифрикционных покрытий, включающая дисперсный полиамид и модифицирующую добавку, в качестве модифицирующей добавки содер 4725 1 жит стехиометрическую смесь ароматического или алифатического диамина и моноалкилового эфира малеиновой кислоты и дополнительно включает наполнитель - порошок никель-алюминиевого и хромоникелевого сплава при следующем соотношении компонентов, мас.полиамид 70,0-89,8 модифицирующая добавка 0,2-5,0 наполнитель 10,0-25,0. При подборе состава композиции были испытаны различные дисперсные наполнители - порошки металлов (железа, бронзы, латуни, алюминия, хрома, никеля, никель-алюминиевого и хромо-никелевого сплава),оксиды металлов (оксид алюминия, оксид кадмия, оксид цинка, оксид меди, оксид титана, С 2 О 3). Композиции полиамид - оксиды металлов показали хорошие результаты по износостойкости, однако их адгезия к металлическим подложкам была невысокой. Композиции полиамид - оксиды металлов - модифицирующая добавка также имели недостаточно высокую адгезию, вероятно вследствие химической реакции компонентов модификатора с оксидом, приводящей к дезактивации модификатора. Композиции полиамид - порошок металла также обладали недостаточно высокой адгезией и водостойкостью. Из испытанных композиций полиамид - порошок металла - модификатор лучшие результаты были получены при использовании порошков никель-алюминиевого сплава ПВ-Н 70 Ю 30 (ТУ 14-1-3287-81) и хромо-никелевого сплава ПР-Х 20 Н 80 (ГОСТ 13084-67). Поэтому дальнейшие исследования проводили с композициями, содержащими эти порошки. В заявляемой композиции используется модифицирующая добавка - стехиометрическая смесь ароматического или алифатического диамина формулы 22,где и моноалкилового эфира малеиновой кислоты формулы Сочетание в композиции модифицирующей добавки, повышающей водостойкость и адгезию полиамида к стали, и металлических дисперсных наполнителей на основе никель-алюминиевого и никель-хромового сплавов способствует значительному увеличению износостойкости композиции и снижению коэффициента трения в условиях смазки промышленными маслами. В результате специфического взаимодействия модифицирующей добавки как с полиамидом, так и с металлическим наполнителем прочность при растяжении покрытий из заявляемых композиций увеличивается на 11-16 , нагрузочная способность возрастает в 1,2 раза и водостойкость повышается в 27 раз по сравнению с ненаполненным, немодифицированным полиамидом. Авторам не известно техническое решение, предусматривающее использование механической смеси полиамида и дисперсных металлических наполнителей на основе никель-алюминиевого и никель-хромового сплавов, модифицированной стехиометрической смесью ароматического или алифатического диамина и моноалкилового эфира малеиновой кислоты для получения износостойких покрытий в узлах трибосопряжений,работающих в условиях смазки промышленными маслами. Эффект от использования заявляемого технического решения не является следствием уже известных изобретений и обнаружен самими авторами. При изучении патентной информации и научно-технической литературы подобные решения не обнаружены. В соответствии с изложенным заявляемое техническое решение отвечает критерию изобретательский уровень. Порошки никель-алюминиевого сплава ПВ-Н 70 Ю 30 и хромо-никелевого сплава ПР-Х 20 Н 80 имеют дисперсность 40-100 мкм. Указанные порошки используются для получения газотермическим напылением упрочняющих слоев поверхностей металлических деталей. Стехиометрическую смесь монометилового эфира малеиновой кислоты и 4,4-диаминодифенилметана(ДАДФМ) получают в две стадии. Сначала расчетное количество малеинового ангидрида (МА) и абсолютированного метаноланагревают при кипении в течение 45 мин. Полученный раствор монометилмалеината (МММ) разбавляют этанолом до концентрации 10 мас. . К полученному раствору МММ добавляют при перемешивании расчетное количество ДАДФМ и этанола. После растворения ДАДФМ получают 10 -ный раствор модифицирующей добавки М-ДФМ в этаноле. 4725 1 Стехиометрическую смесь МММ и м-фенилендиамина получают путем добавления при перемешивании к МММ расчетного количества м-фенилендиамина и этанола. После растворения диамина получают 10 ный раствор модификатора М-МФ в этаноле. Стехиометрическую смесь МММ и 4,4-диаминодифенилового эфира (ДАД-ФЭ) получают путем добавления при перемешивании к МММ расчетного количества ДАДФЭ. После растворения диамина и добавления этанола получают 10 -ный раствор модификатора М-ДФО в этаноле. Стехиометрическую смесь моноэтилмалеината (МЭМ) и ДАДФМ получают в две стадии. Сначала расчетное количество МА и абсолютированного этанола (АЭ) кипятят с обратным холодильником в течение 60 мин. Затем полученный МЭМ разбавляют этанолом до концентрации 10 мас. . К полученному раствору МЭМ добавляют при перемешивании расчетное количество ДАДФМ и этанола. После растворения диамина образуется 10 -ный раствор модификатора М-ДФМЭ в этаноле. Стехиометрическую смесь МММ и 1,6-гексаметилендиамина получают при перемешивании расчетного количества МММ, 1,6-гексаметилендиамина и этанола. После растворения диамина получают 10 -ный раствор модификатора М-ГМ в этаноле. Стехиометрическую смесь монопропилмалеината (МПМ) получают в две стадии. Сначала расчетное количество МА и н-пропилового спирта кипятят с обратным холодильником в течение 75 мин. Затем к полученному МПМ добавляют при перемешивании расчетное количество ДАДФМ и этанола. После растворения диамина получают 10 -ный раствор модификатора М-ДФМП в этаноле. Полимерную композицию для покрытий получают путем механического смешения порошкообразного полиамида ОСТ 6-06-С 9-93 дисперсностью 50-415 мкм и порошка металлического сплава на вибровихревой установке с последующей пропиткой 10 -ным раствором модификатора в этаноле до необходимой мас.концентрации и сушкой композиции. Покрытие из полученной композиции наносят следующим образом. Деталь с предварительно подготовленными и обезжиренными поверхностями подвергают нагреву в печи при 270-290 С. Нагретую деталь погружают в псевдоожиженный слой композиции на 5-10 с. Избыток материала удаляют встряхиванием или обдувом поверхности струей сжатого воздуха. Покрытия на детали охлаждают в холодной воде до нормальной температуры. Полученные покрытия испытывают на следующие показатели износостойкость при трении по стали, коэффициент трения, прочность при растяжении, нагрузочную способность, адгезию к стали и водостойкость (по времени кипячения в дистиллированной воде до отслаивания покрытия от стальной подложки). Составы композиций конкретного выполнения приведены в табл. 1. Сравнительные свойства покрытий из предлагаемой композиции и прототипа приведены в табл. 2. Как видно из приведенных результатов, покрытия, полученные на основе композиций, содержащих 10-25 мас.порошков металлических сплавов ПВ-Н 70 Ю 30 и ПР-Х 20 Н 80 и 0,2-5,0 мас.модифицирующей добавки, обладают низким коэффициентом трения и низким износом при трении по стали (примеры 1-6). При снижении содержания порошка металла в композиции до 5 мас.происходит повышение износа при трении и снижение нагрузочной способности (пример 7). При повышении содержания порошка металла в композиции до 30 мас.(пример 8) возрастает износ покрытия и увеличивается коэффициент трения. Снижение содержания модификатора в композиции до 0,1 мас.(пример 9) приводит к снижению адгезии к стали и водостойкости, а повышение содержания модификатора до 6 мас.(пример 10) приводит к снижению адгезии к стали. Покрытие из порошкообразного полиамида ПА-6 без модифицирующей добавки и порошка металла имеет низкую адгезию к стали, низкую водостойкость и высокие величины коэффициента трения и износа (пример 11). Покрытие,полученное на основе известной композиции, содержащей 1 мас.модифицирующей добавки, имеет высокую адгезию к стали, водостойкость и прочность, но также весьма высокие величины коэффициента трения и износа при трении по стали (пример 12). Таким образом, составы полимерных композиций, согласно примерам 1-6, являются оптимальными. Только полное сочетание отличительных признаков приводит к достижению положительногорезультата. По сравнению с известной композицией 3 предложенные композиции позволяют снизить коэффициент трения получаемых покрытий в 2,3-3,1 раза, повысить нагрузочную способность в 1,2 раза и износостойкость более чем в 6 раз. Проведенные испытания позволяют утверждать, что предлагаемый композиционный материал можно использовать для восстановления изношенных поверхностей трибосопряжений в деталях гидроаппаратуры, а также нанесения износостойких покрытий на детали трибосопряжений, работающих в условиях гидродинамической смазки, с целью замены дорогостоящих металлов и сплавов на обычные стали с металлополимерным покрытием. 4725 1 Таблица 1. Составы композиционных материалов для антифрикционных покрытий (мас. ). Износ покры- Нагрузочная Прочность при Адгезия Коэффициент приметия за способность, растяжении, к стали,трения ров 20 часов, мг МПа МПа Н/см Предложен 1 0,013 0,2 61,0 52,1 20,5 ная компози 2 0,013 0 60,8 52,0 47,0 ция 3 0,013 0,1 60,5 51,7 43,2 4 0,013 0,1 62,0 53,0 43,0 5 0,010 0 63,0 53,8 34,2 6 0,013 0 61,3 52,4 43,7 Примеры для 7 0,015 0,4 57,6 49,5 44,1 сравнения 8 0,030 0,8 61,9 52,9 42,5 9 0,013 0 60,1 51,4 8,5 10 0,014 0 56,1 48,0 14,1 11 0,033 0,6 53,0 46,4 6,0 Прототип 12 0,030 0,5 60,0 46,2 22,5 Примеры 4725 1 Полимерная композиция для антифрикционных покрытий, включающая дисперсный полиамид и модифицирующую добавку, отличающаяся тем, что она в качестве модифицирующей добавки содержит стехиометрическую смесь диамина формулы 22, где,и моно(С 1-С 3)алкилового эфира малеиновой кислоты и дополнительно содержит наполнитель - порошок никель-алюминиевого или хром-никелевого сплава при следующем соотношении компонентов, мас.полиамид 70,0-89,8 модифицирующая добавка 0,2-5,0 наполнитель 10,0-25,0. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5