Композиционный материал для триботехнических покрытий

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Белкард(72) Авторы Струк Василий Александрович Костюкович Геннадий Александрович Кравченко Виктор Иванович Овчинников Евгений Витальевич Семеняко Михаил Михайлович Ларин Иван Юрьевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Белкард(56) Кравченко В.И. и др. Материалы. Технологии. Инструменты. - 2001. - Т. 6.1. - С. 35-39.19980012, 1999. Кравченко В.И. и др. Трение и износ. 2000. - Т. 21. -6. - С. 653-656. Скаскевич А.А. и др. Трение и износ. 2000. - Т. 21. -1. - С. 52-58. Гартман Е.В. и др. Материалы. Технологии. Инструменты. - 2001. - Т. 6.3. - С. 45-47. Охлопкова А.А. и др. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями. - Гомель. 1999. - С. 16-19, 127-128.539923, 1976.871591, 1961.(57) Композиционный материал для триботехнических покрытий, содержащий порошкообразную термомеханически совмещенную смесь полимеров и углеродный наполнитель,отличающийся тем, что содержит порошкообразную термомеханически совмещенную смесь полиамида 6 и полиэтилена с размером частиц 80-100 мкм, полученную криогенным измельчением, при этом соотношение полиамида 6 и полиэтилена составляет 10(0,1-1),а в качестве углеродного наполнителя содержит смесь наночастиц углерода графитоподобной и алмазоподобной модификаций размером 3-10 нм и углеграфитового волокна размером 50-80 мкм, взятых в соотношении 11(20-40), при следующем соотношении компонентов, мас.углеродный наполнитель 0,11-10,5 смесь полимеров остальное. Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления триботехнических покрытий деталей узлов трения машин и механизмов различного функционального назначения. В современных конструкциях машин и механизмов широко применяют композиционные материалы, из которых изготавливают различные покрытия, в том числе противоизносные и антифрикционные. 7773 1 2006.02.28 Такие покрытия разработаны на основе полимерных матриц различного состава и строения -полимерных, полиолефиновых, полиэфирных и т.п. В состав полимерных матриц вводят различные модификаторы - порошки сухих смазок оксидов, металлов, силикатов и других веществ, которые изменяют прочностные, адгезионные, триботехнические, теплофизические характеристики 1. Содержание дисперсных наполнителей в полимерной матрице составляет от 1 до 40 , что позволяет в широких пределах регулировать служебные характеристики композиционных материалов. Однако введение большого количества наполнителя затрудняет способность композиционного покрытия формировать однородные малодефектные покрытия на металлах. При малом содержании традиционных наполнителей не обеспечивается требуемый технический эффект. Известны антифрикционные покрытия на основе полимерных матриц, главным образом полиамидных, в состав которых в качестве функциональной добавки введен порошкообразный полиолефин 2. При повышении температуры в зоне трения полиолефин, имеющий более низкую температуру плавления, чем полиамид, образует на пятнах фактического контакта пленку расплава, обладающую свойствами смазки. Такие покрытия обеспечивают высокую износостойкость узлов трения, эксплуатируемых как без смазки, так и с внешней смазкой. Однако наличие в составе композиционного материала полиолефина в виде изолированной фазы резко снижает прочность адгезионного соединения с металлическими подложками. Поэтому требуются специальные методы подготовки поверхности металлических деталей для обеспечения необходимого уровня адгезионной прочности покрытий. Это существенно усложняет технологический процесс нанесения покрытий и увеличивает их стойкость. Прототипом изобретения является композиционный материал для антифрикционного покрытия шлицевых соединений карданных передач, содержащий порошкообразный полиамид 6 и частицы углерода наномерной дисперсности (3-8 нм) 3. При этом количество введенного углерода (шихты) составляло 0,001-0,1 мас. . Для таких композиций обеспечивается синергический эффект увеличения адгезионной прочности, гидрофобности и износостойкости. Недостатками прототипа являются недостаточно высокие адгезия покрытия к металлической подложке и износостойкость, обусловленные недостаточным модифицирующим действием низкоразмерного наполнителя. Кроме того, дисперсные частицы полиамида 6,полученные по традиционной технологии (полимеризацией или осаждением из раствора),не обладают необходимой активностью, поэтому при нанесении покрытий из них используют специальные подслои - праймеры. Задачей изобретения является увеличение адгезионной прочности покрытия на основе полиамида 6 на металлах, увеличение его износостойкости и снижение стоимости. Поставленная задача решается тем, что композиционный материал для триботехнических покрытий содержит порошкообразную термомеханически совмещенную смесь полимеров и углеродный наполнитель, причем содержит порошкообразную термомеханически совмещенную смесь полиамида 6 и полиэтилена с размером частиц 80-100 мкм, полученную криогенным измельчением, при этом соотношение полиамида 6 и полиэтилена составляет 10(0,1-1), а в качестве углеродного наполнителя содержит смесь наночастиц углерода графитоподобной и алмазоподобной модификаций размером 3-10 нм и углеграфитового волокна размером 50-80 мкм, взятых в соотношении 11(20-40), при следующем соотношении компонентов, мас.углеродный наполнитель 0,1110,5 смесь полимеров остальное до 100. Составы композиционных материалов для триботехнических покрытий, согласно прототипу и изобретению, приведены в табл. 1. В качестве полиамида 11 использовали продукт, поставляемый фирмой,Франция, под торговой маркой .качестве полиэтилена низкого давления исполь 2 7773 1 2006.02.28 зовали порошкообразный продукт Каплен (Россия). Продукт криогенного измельчения на основе полиамида 6 получали следующим образом. Механическую смесь гранул полиамида 6 (Гродненское ПО Химволокно) и ПЭНД подвергали термомеханическому совмещению в экструдере шнекового типа при температурах 240-280 с последующей грануляцией. Полученные гранулы подвергали криогенному измельчению в мельнице роторного типа, используя в качестве криогенного агента жидкий азот. Полученную механическую смесь фракций отсеивали до получения продукта с размером частиц 80-100 мкм. В качестве углеграфитового волокна использовали волокно марки Вискум производства Светлогорского ПО Химволокно. Волокно измельчали на мельнице дисмембраторного типа до получения фракции с размером 50-80 мкм. В качестве нанодисперсной смеси углерода использовали промышленный продукт марки УДАГ, выпускаемый ЗАО Синта. Соотношение алмазной и графитовой фракции в продукте УДАГ составляет 11. При необходимости в состав УДАГ вводят недостающее количество графитоподобной или алмазоподобной модификации. Дисперсность наночастиц продукта УДАГ составляла 310 нм. Таблица 1 Составы композиционных материалов для триботехнических покрытий Содержание в материале, мас.ПроЗаявляемые составы Компонент то тип 1. Полимерная матрица полиамид 11- 88,9 продукт криогенного из 99,945 99,89 98,9 89,5 74 98,9 98,8 мельчения термомеханически совмещенной смеси ПА 610 ПЭНД полиэтилен низкого дав 10 10 10 ления (ПЭНД) 2. Антифрикционная добавка графит 0,1 1 углеграфитовое волокно 0,05 0,1 1 10 25 1 1 1 1 Вискум нанодисперсная смесь ал- 1,0 0,005 0,01 0,1 0,5 1,0 0,1 0,1 0,2 мазоподобной и графитоподобной модификации углерода УДАГ (соотношение модификаций 11) В составах - соотношения полиамид 6 - ПЭНД 101. В составесоотношение 100,05, а в составе- 102. Для получения составов композиционных материалов исследовали полимерные порошки с размером частиц не более 100 мкм. Компоненты перемешивали в смесителе барабанного типа до получения однородного состава. Покрытия наносили методом псевдоожиженного слоя из воздушной взвеси композиционного материала. В качестве подложки использовали образцы из стали 60 ПП, предварительно обезжиренные и нагретые до температуры 250-280 . Подготовленные образцы помещали в механическую взвесь, в результате чего наблюдалась осадка частиц композита и их оплавление с формированием покрытия. Полученные образцы исследовали по истечении 24 ч по общепринятым ме 3 7773 1 2006.02.28 тодикам. Триботехнические испытания проводили по схеме палец-диск при скорости скольжения 1 м/с и нагрузкой 510 МПа. Покрытие наносили на торцовую часть металлического образца из стали 45. Испытания проводили без смазки и со смазкой маслом МС-20, которое подавали в зону трения с помощью фитиля. Адгезионную прочность покрытия оценивали методом отслаивания под углом 180. Триботехнические и прочностные характеристики покрытий, полученных из композиционных материалов по прототипу и заявленным составам, приведены в табл. 2. Как следует из данных табл. 2 заявленные составы в заявленном соотношении компонентов (составы -, , ) превосходят прототип по прочностным и триботехническим характеристикам. Превышение заявленного содержания (состав ) не дает дополнительного эффекта, а уменьшение содержания (состав ) приводит к снижению эффекта. Применение вместо продукта криогенного измельчения термомеханической смеси ПЭНДПА 6 механической смеси ПА 11 и ПЭНД (состав ) или механической смеси ПА 6 и ПЭНД (состав) приводит к резкому снижению показателей прочностных и адгезионных характеристик. Отсутствие в составе наноразмерных частиц углерода (состав ) и замена их на частицы обычного графита (состав ) снижает прочностные и триботехнические характеристики покрытий на металлах. Таблица 2 Характеристики композиционных материалов для триботехнических покрытий Характеристика 1. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 2. Твердость по Бринеллю, МПа 3. Адгезионная прочность исходная после одного часа кипячения в воде 4. Коэффициент трения без смазки при Р 5 МПа 10 МПа Показатель для материала Заявляемый состав со смазкой при Р 5 МПа 0,15 1,13 1,12 0,10 0,10 0,15 0,15 0,15 0,12 0,12 0,15 10 МПа 0,10 0,10 0,08 0,08 0,08 0,08 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 Таким образом, заявленные составы в заявленном соотношении компонентов превосходят прототип по комплексу физико-механических, триботехнических и адгезионных характеристик. Сущность изобретения состоит в следующем. Термомеханическое совмещение полиамида 6 и ПЭНД приводит к образованию сополимерного продукта, который обладает более высокой термодинамической совместимостью по сравнению с механической смесью компонентов в аналогичных соотношениях. Введение в состав полимерной матрицы на 4 7773 1 2006.02.28 ночастиц углерода обеспечивает дополнительное взаимодействие макромолекул ПА 6 и ПЭНД вследствие ориентирующего действия собственных силовых полей. Ориентация приводит к образованию квазикристаллических структур в аморфной части полимерной матрицы, что увеличивает прочность композиции и адгезионное взаимодействие покрытия с металлической подложкой. Дополнительное введение в композит углеграфитового волокна упрочняет его и повышает триботехнические характеристики как при трении со смазкой, так и без смазки. Высокие показатели адгезионных характеристик присущи заявленным составам не только при нанесении их на модифицированную поверхность металла, но и на необработанную. Это позволяет формировать покрытие за один технологический цикл и резко снижает энергоемкость процесса. Таким образом, заявленный состав обладает признаком изобретения по критериям технического и технологического эффекта. Источники информации 1. Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск Наука и техника, 1992. - С. 256. 2.. -. - , 1999. - . 18. 3. Кравченко В.И. и др. Материалы. Технологии. Инструменты. - 2001. - Т. 6. -1. С. 35-39. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.