Антифрикционная полимерная композиция

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Юркевич Олег Романович Пашинская Валентина Антоновна Миронович Леонид Львович Грудина Наталья Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Антифрикционная полимерная композиция, содержащая порошкообразный полиамид 6, полиэтилен низкого давления, коллоидно-графитовый препарат С-1 и полимерный модификатор, отличающаяся тем, что в качестве полимерного модификатора содержит низкоплавкий полиэфир марки ПЭФ-668 при следующем соотношении компонентов,мас.полиамид 6 62,5-79,5 полиэтилен низкого давления 10-15 коллоидно-графитовый препарат С-1 10-20 низкоплавкий полиэфир марки ПЭФ-668 0,5-2,5. Изобретение относится к области создания полимерных антифрикционных композиций на основе полиамидов и полиолефинов, используемых для получения антифрикционных материалов, например, покрытий на металлах, литьевых и формованных изделий. Известна полимерная композиция, обладающая повышенной теплостойкостью и физико-механическими свойствами, представляющая собой смесь полиамида со сложными или простыми полиэфирами 1. Однако данная композиция обладает недостаточной износостойкостью и высоким коэффициентом трения. Известна полимерная композиция, содержащая порошковый полиамид, полиэтилен,антифрикционные добавки 2, обладающая низким коэффициентом трения в условиях сухого трения. Следует отметить, что антифрикционные покрытия из вышеуказанной композиции не обладают достаточной стойкостью к истиранию при высоких нагрузках в условиях сухого трения. Известна антифрикционная полимерная композиция, содержащая порошковый полиамид, полиэтилен, полимерный модификатор - пентапласт и антифрикционные добавки графит, дисульфид молибдена и др. 3. Такой состав композиции позволяет получать ан 11748 1 2009.04.30 тифрикционные покрытия с достаточно высокой нагрузочной способностью и низким коэффициентом трения (0,05-0,18) в условиях сухого трения. Однако в настоящее время модифицирующая полимерная добавка - пентапласт промышленно не производится в связи с его высокой себестоимостью и нерентабельностью производства. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав для антифрикционного покрытия, содержащий (мас. ) порошкообразные полиамид(0,01/0,5) и антифрикционную добавку (0,5/5) 4 - прототип. В качестве антифрикционной добавки композиция может содержать графит, дисульфид молибдена или их смесь. Такой состав композиции позволяет получать антифрикционные покрытия с достаточно высоким уровнем адгезионных и антифрикционных свойств (коэффициент трения при нагрузке 10 МПа в условиях сухого трения достигает 0,05-0,06). Основной недостаток прототипа состоит в том, что антифрикционные покрытия из вышеуказанной композиции не обладают высокой стойкостью к истиранию при высоких нагрузках в условиях сухого трения. Следует отметить, что данный состав содержит достаточно дорогостоящий полимерный модификатор - поливиниловый спирт, что приводит к увеличению стоимости антифрикционного покрытия, а введение полимерного модификатора в виде водного раствора ПВС несколько усложняет технологию получения покрытий. Задачей изобретения является повышение антифрикционных характеристик материала(снижение коэффициента трения и повышение стойкости к истиранию при высоких нагрузках в условиях сухого трения и со смазкой), а также снижение его стоимости и упрощение технологии переработки в покрытия и изделия. Поставленная задача решается тем, что в известной антифрикционной композиции, в состав которой входят полиамид, полиэтилен, полимерный модификатор и антифрикционная добавка, в качестве полимерного модификатора используют низкоплавкий полиэфир марки ПЭФ-668, при этом содержание ингредиентов должно быть в следующих соотношениях (в мас. ) полиамид-6 - 62,5-79,5 полиэтилен низкого давления - 10-15 низкоплавкий полиэфир марки ПЭФ-668 - 10-20 коллоидно-графитовый препарат С-1 0,5-2,5. Выбор низкоплавкого полиэфира марки ПЭФ-668 в качестве полимерного модификатора обусловлен следующим. В Республике Беларусь имеется крупнотоннажное производство сложных полиэфиров и термопластичных полиэфирных смол (ПЭФ),обладающих широким диапазоном технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств, которые в тонкодисперсном виде находят применение для получения композиционных материалов и покрытий различного функционального назначения 5. Низкоплавкие полиэфиры перерабатываются в широком температурном интервале без заметных термодеструкционных процессов, что позволяет сочетать их с более термостойкими полимерами (например, полиамидами). Сущность изобретения заключается в следующем. Для изготовления антифрикционной полимерной композиции используют порошкообразные полимеры полиамид-6 (ПА-6) марки 210/310 ТУ 6-05-988-78, полиэтилен низкого давления (ПЭНД) марки 20906-040 по ГОСТ 16338-85. В качестве антифрикционной добавки используют дисперсный коллоидно-графитовый препарат С-1 по ОСТ 6-08-931-75. В качестве полимерного модификатора используют низкоплавкий полиэфир марки ПЭФ-668 с температурой размягчения 90167 С и характеристической вязкостью 0,698. Тонкодисперсные материалы на основе полиамида-6 и низкоплавкого полиэфира ПЭФ-668 получали криогенным измельчением гранулированного материала на молотковой мельнице типа 8-ММ. Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) марки 20906-040 использовали в состоянии поставки. Фракционирование дисперсных полимерных материалов полиамида-6, полиэтилена низкого давления, а также полимерного модификатора - низкоплавкого полиэфира (ПЭФ 2 11748 1 2009.04.30 668) проводили на приборе для определения зернового состава (модель 029) через сито 0315 с размером отверстий 315 мкм. Дозировку компонентов композиционного антифрикционного материала проводили на весах лабораторных по ГОСТ 24104-88 в соответствии с табл. 1. Антифрикционный композиционный материал получали методом механического смешения компонентов в шаровой мельнице при следующих режимах смешения число оборотов барабана 60-80 об/мин, время - 0,5 ч. Таблица 1 Состав антифрикционной полимерной композиции Компоненты антифрикционного покрытия, мас.полиэтилен низкоплавкийпримера полиамидполивиниловый антифрикционная низкого давполиэфир марки 6 спирт добавка ления ПЭФ-668 1 69,5 25,0 0,5 5,0 2 60,0 17,0 20,0 3,0 3 62,0 10,0 25,0 3,0 4 62,5 15,0 20,0 2,5 5 69,5 10,0 20,0 0,5 6 72,5 10,0 15,0 2,5 7 79,5 10,0 10,0 0,5 8 80,0 5,0 10,0 5,0 9 80,0 10,0 5,0 5,0 Антифрикционные покрытия получали методом свободного спекания контролируемого по трафарету слоя порошковой композиции на металлической подложке, в качестве которой использовали обезжиренную алюминиевую ленту марки А-99 (ГОСТ 618-73). Формирование покрытий проводили в термошкафу при температуре 240-250 С в течение 2 мин. Охлаждение получаемых покрытий проводили на воздухе при комнатной температуре. Толщина получаемых покрытий находилась в пределах 400-450 мкм. Образцы для фрикционных испытаний готовили следующим образом вырезали образцы из сформированных пленочных материалов в виде полоски шириной 10 мм и длиной 20 мм и с помощью эпоксидного компаунда на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-93) и отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) (ТУ 6-02-594-75) в объемном соотношении 101 приклеивали к алюминиевому сегменту, прижав предварительно стальным или алюминиевым роликом. Разработанную композицию можно перерабатывать в изделия методами литья под давлением, литьевого прессования, а также использовать для нанесения антифрикционных покрытий по технологии, принятой для полиамидов методом окунания в псевдоожиженный слой, холодным прессованием с последующим спеканием и т.д. Испытания фрикционных характеристик (нагрузочная способность, коэффициент трения, температура в зоне трения) полученных покрытий проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме вал - частичный вкладыш при скорости 0,5 м/с без внешнего подвода смазки и со смазкой. В качестве смазки использовали масло индустриальное марки И-40 и литол-24 (ГОСТ 21150-87). В качестве контртела использовали стальной ролик (Ст. 45,45-50 ед.,0,38 мкм). Площадь контактной поверхности была равной 2 см 2. Нагрузочную способность антифрикционных покрытий оценивали по следующей схеме задавалась начальная нагрузка на сектор порядка 10 кг/см 2, а затем через каждые 15 мин нагрузку на сектор увеличивали на 10 кг/см 2. Нагрузочная способность антифрикционных покрытий определялась по максимальной нагрузке, отнесенной к площади контакта, при которой не наблюдается заметного деформирования материала покрытия. 3 11748 1 2009.04.30 В процессе испытаний фиксировали момент трения и температуру в зоне трения антифрикционного покрытия. При обработке результатов испытаний момент трения пересчитывали в коэффициент трения по следующей формуле М тртр- общая нагрузка на ролик, кгс- радиус ролика, равный 2,0 см. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1 (прототип). Порошкообразные компоненты антифрикционного покрытия - полиамид-6 (ОСТ 6-05408-75), полиэтилен высокой плотности марки 20906-040 (ГОСТ 16338-85), графит в количестве, указанном в табл. 1, смешивали в шаровой мельнице при следующих режимах смешения число оборотов барабана 60-80 об/мин, время - 0,5 ч. Фольгу из стали 08 кп обезжиривали и крепили на металлической пластине. Полимерный модификатор ПВС(ГОСТ 10779-78) готовили в виде 2,5 -го водного раствора и наносили на подготовленный металлический субстрат методом окунания в течение 3 с. Металлический субстрат с нанесенным модификатором нагревали до температуры 300-320 С и окунали в псевдоожиженный слой смеси порошкообразных компонентов покрытия в течение 12-15 с, что обеспечивало содержание полимерного модификатора в покрытии в количестве, указанном в примере. Покрытие дополнительно оплавляли в термошкафу при температуре 230240 С. Охлаждение получаемых покрытий проводили на воздухе при комнатной температуре. Толщина получаемых покрытий находилась в пределах 350-400 мкм. Антифрикционные свойства покрытий (коэффициент трения) определяли на машине трения СМЦ-2 по схеме вал - частичный вкладыш при скорости 0,5 м/с без внешнего подвода смазки. В качестве контртела использовали стальной ролик (Ст. 45,45-50 ед.,0,38 мкм). Площадь контактной поверхности была равной 2 см 2. Обработку результатов проводили по методике, указанной выше. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Пример 2. Порошкообразные компоненты антифрикционного покрытия - полиамид 6 марки 210/310 (ТУ 6-05-988-78), полиэтилен высокой плотности марки 20906-040 (ГОСТ 1633885), низкоплавкий полиэфир марки ПЭФ-668 и коллоидно-графитовый препарат марки С-1(ОСТ 6-08-931-75) с размером частиц менее 315 мкм в количествах, указанных в табл. 1,смешивали в шаровой мельнице при следующих режимах смешения число оборотов барабана - 60-80 об/мин, время - 0,5 ч. Антифрикционные покрытия получали методом свободного спекания контролируемого по трафарету слоя композиции на обезжиренной алюминиевой ленте марки А-99 (ГОСТ 618-73). Композицию спекали в термошкафу при температуре 240-250 С в течение 2 минут. Охлаждение получаемых покрытий проводили на воздухе при комнатной температуре. Толщина получаемых покрытий находилась в пределах 400-450 мкм. Образцы для фрикционных испытаний готовили следующим образом вырезали образцы из сформированных пленочных материалов в виде полоски шириной 10 мм и длиной 20 мм и с помощью эпоксидного компаунда на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-93) и отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) (ТУ 6-02594-75) в объемном соотношении 101 приклеивали к алюминиевому сегменту, прижав предварительно стальным или алюминиевым роликом. Нагрузочную способность и коэффициент трения антифрикционного покрытия определяли по методикам, описанным выше. Составы композиций, используемых в последующих примерах, приведены в табл. 1. Антифрикционные покрытия из композиционных составов 3-9 получали по методике, аналогичной примеру 2. Результаты испытаний полученных антифрикционных покрытий приведены в табл. 2. 4 Условия Коэффициент трения при нагрузках примера испытания 20 кг/см 2 40 кг/см 2 60 кг/см 2 80 кг/см 2 100 кг/см 2 120 кг/см 2 140 кг/см 2 без смазки 0,056 0,066 0,075 0,087 0,092 1 И-40 литол-24 без смазки 0,096 0,077 0,056 0,032 2 И-40 0,056 0,048 0,040 0,030 0,027 литол-24 0,044 0,035 0,034 0,024 0,020 0,019 без смазки 0,093 0,056 0,037 0,029 3 И-40 0,052 0,04 0,035 0,028 0,025 литол-24 0,041 0,038 0,028 0,021 0,020 0,018 без смазки 0,086 0,045 0,027 0,022 4 И-40 0,049 0,033 0,025 0,022 0,0195 литол-24 0,039 0,024 0,021 0,017 0,0165 0,0175 без смазки 0,083 0,041 0,024 0,019 0,0155 5 И-40 0,037 0,027 0,017 0,015 0,013 0,0125 0,017 литол-24 0,034 0,023 0,016 0,015 0,014 0,014 0,013 без смазки 0,071 0,037 0,024 0,0175 0,0155 6 И-40 0,046 0,025 0,020 0,020 0,018 0,0135 0,018 литол-24 0,05 0,007 0,007 0,008 0,006 0,007 0,0075 без смазки 0,081 0,040 0,025 0,020 0,017 7 И-40 0,038 0,028 0,020 0,020 0,016 литол-24 0,035 0,023 0,018 0,016 0,015 0,014 0,013 без смазки 0,091 0,055 0,036 0,030 8 И-40 0,051 0,039 0,034 0,028 0,025 литол-24 0,040 0,037 0,027 0,022 0,021 0,017 без смазки 0,095 0,075 0,056 0,031 9 И-40 0,054 0,046 0,040 0,029 0,028 литол-24 0,042 0,039 0,034 0,024 0,020 0,019 Анализ приведенных в таблице данных показывает, что оптимальными антифрикционными свойствами (коэффициент трения при высоких нагрузках в условиях сухого трения в 2-2,5 раза ниже прототипа при сохранении нагрузочной способности на его уровне) обладает антифрикционное покрытие, полученное по примерам 4-7 (заявляемый состав). Следует отметить, что введение в предлагаемый антифрикционный состав полимерного модификатора - низкоплавкого полиэфира марки ПЭФ-668 позволяет снизить стоимость антифрикционного покрытия примерно на 15-20 . Технология получения предлагаемого антифрикционного покрытия традиционна для покрытий на основе полиамидов, что позволяет использовать имеющееся оборудование и не требует изменений технологических процессов. Разработанную композицию можно перерабатывать в изделия методами литья под давлением, литьевого прессования. Таким образом, предлагаемая антифрикционная полимерная композиция благодаря высоким антифрикционным характеристикам (низкие значения коэффициента трения в условиях сухого трения и со смазкой, высокая нагрузочная способность) может быть использована в качестве антифрикционных покрытий на металлических изделиях, а также в качестве подшипников скольжения, работающих как без смазки, так и в смазочных средах, что позволит существенно расширить области применения новых материалов и прогрессивных методов защиты деталей машин и механизмов от износа. 5 11748 1 2009.04.30 Источники информации 1. Патент США 3781381, МПК 260-45.75, 1973. 2. Полимеры в узлах трения машин и приборов Справочник / Под ред. А.В. Чичинадзе. - М. Машиностроение, 1988. - 328 с. 3. А.с. СССР 539923, МПК 08 77/00, 1976. 4. Патент 4726, МПК 08 77/00, 2002 (прототип). 5. Пашинская В.А., Голубова Л.С., Копаев И.Л. Сложные полиэфиры - перспективные материалы для покрытий различного функционального назначения. Тезисы межд. конф. Полимерные композиционные материалы и трибология, 2005, 18-21 июля, Гомель. С. 195-196. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6