Полимерная антифрикционная композиция

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Белорусский государственный университет транспорта(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет транспорта(57) Полимерная антифрикционная композиция, содержащая фенолоформальдегидную смолу резольного типа, гексаметилентетрамин, графит, термопластичный полимер, полиакрилонитрильное волокно и окислитель, отличающаяся тем, что она содержит графит или дисульфид молибдена, в качестве термопластичного полимера поливинилхлорид, в качестве окислителя - соединение, выбранное из группы, включающей 4, 227, 4, 4, , где М - калий или натрий, и дополнительно эвтектический сплав,содержащий, мас.ч. висмут 60 свинец 18 олово 12 индий 10,а также холестериловый эфир пальмитиновой кислоты и сульфонафтеновые кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.ч. фенолоформальдегидная смола резольного типа 100 гексаметилентетрамин 4 - 10 графит или дисульфид молибдена 10 - 30 поливинилхлорид 1 - 10 полиакрилонитрильное волокно 5 - 10 окислитель 0,3 - 9,0 эвтектический сплав 2 - 15 холестериловый эфир пальмитиновой кислоты 0,2 - 3,0 сульфонафтеновые кислоты 0,7 - 2,5. Изобретение относится к области машиностроения, в частности к созданию машиностроительных материалов на основе фенолоформальдегидных смол, предназначенных для изготовления антифрикционных элементов узлов трения машин и механизмов, предотвращающих водородный износ металлического контртела. 2636 1 Известна полимерная композиция, включающая фенолоформальдегидную смолу резольного типа (100 мас.ч.), волокнистый наполнитель, выбранный из группы, содержащей отходы льняных или хлопчатобумажных тканей, трикотажного хлопчатобумажного полотна, вискозных, полиамидных, полиэфирных и полиакрилонитрильных волокон длиной 0,5-40 мм (80-250 мас. ч.), гексаметилентетрамин (4-10 мас. ч.), диаминофенолдигидрохлорид (0,1-0,8 мас. ч.), поливинилбутираль (1-10 мас. ч.) и магнийцинковый оксихлорид (2-20 мас.ч.) 1. Известная полимерная композиция в качестве добавок содержит диаминофенолдигидрохлорид и магнийцинковый оксихлорид, которые в присутствии минерального масла способствуют увеличению степени наводороживания металлического контртела и повышению его водородного износа. При трении в минеральном масле наблюдается высокое маслопоглощение известной композиции, что приводит к возникновению в ее рабочем слое высоких внутренних напряжений, интенсифицирующих износ композиционного материала. Наиболее близкой к заявляемой является полимерная антифрикционная композиция, включающая фенолоформальдегидную смолу резольного типа (100 мас.ч.), гексаметилентетрамин (4-10 мас.ч.), рубленое полиакрилонитрильное волокно (40-250 мас.ч.), 10 -ный раствор поливинилбутираля в этиловом спирте (1-10 мас.ч.), ненасыщенную полиэфирную смолу на основе продукта поликонденсации полиэтиленгликоля с малеиновым или фталевым ангидридом с вязкостью при 20 С 20-50 с (0,5-15 мас.ч.), оксинитрат алюминия (220 мас.ч.), метазин (0,3-12 мас.ч.) и минеральный наполнитель, выбранный из группы каолин, графит и двуокись кремния (5-50 мас.ч.) 2. Известная композиция в качестве компонента связующего содержит полиэфирную смолу, которая снижает ударную вязкость композиционного материала. Полиэфирная смола и метазин снижают адгезию фенолоформальдегидной смолы к волокнистому и минеральному наполнителям, что уменьшает физикомеханические свойства материала и повышает его износ. Материал, изготовленный из известной композиции, имеет низкий коэффициент теплопроводности, что приводит к накоплению в рабочем слое композита тепловой энергии, ускоряющей процесс дегидрирования его углеводородных компонентов. Это способствует накоплению диффузионноспособного водорода в поверхностных слоях металлического контртела при трении в минеральных маслах, что повышает его водородный износ. Высокая пористость известной композиции приводит к ее большому маслопоглощению, что способствует увеличению внутренних напряжений в рабочем слое материала и уменьшению его износостойкости при трении в минеральных маслах. Порошок из известной композиции обладает высокой комкуемостью, что требует дополнительных затрат на его измельчение перед прессованием изделий антифрикционного и конструкционного назначения. Предлагаемая полимерная композиция обеспечивает решение такой задачи, как получение изделий антифрикционного назначения на основе фенолоформальдегидных связующих, обладающих повышенной износостойкостью при смазке минеральными маслами и снижающих водородный износ стального контртела. Технический эффект заявляемого технического решения заключается в улучшении эксплуатационных свойств антифрикционных изделий на основе фенолоформальдегидных смол, смазываемых минеральным маслом, за счет снижения комкуемости порошка из разработанного материала, повышения износостойкости полимерной композиции и снижения водородного износа стального контртела, вследствие уменьшения в нем концентрации диффузионноспособного водорода и внутренних напряжений в материале, а также в уменьшении набухания полимерной композиции в минеральном масле и в повышении ее эластичности. Указанный технический результат достигается тем, что полимерная антифрикционная композиция, содержащая фенолоформальдегидную смолу резольного типа, гексаметилентетрамин, графит, термопластичный полимер, полиакрилонитрильное волокно и окислитель, содержит графит или дисульфид молибдена, в качестве термопластичного полимера поливинилхлорид, в качестве окислителя - соединение, выбранное из группы, включающей М 4, М 227, СгО 4, МС 4, , где М - калий или натрий, дополнительно эвтектический сплав, содержащий, мас.ч. висмут 60 свинец 18 олово 12 индий 10. а также холестериловый эфир пальмитиновой кислоты и сульфонафтеновые кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.ч. фенолоформальдегидная смола резольного типа гексаметилентетрамин графит или дисульфид молибдена поливинилхлорид полиакрилонитрильное волокно окислитель 2 2636 1 эвтектический сплав 2-15 холестериловый эфир пальмитиновой кислоты 0,2-3,0 сульфонафтеновые кислоты 0,7-2,5 В качестве связующего при получении полимерной антифрикционной композиции выбрана фенолоформальдегидная смола резольного типа марки ЛВС-1 и ЛВС-3 (ГОСТ 901-78). Повышения степени сшивки связующего и прочности композиции достигали путем введения в ее состав аминного отвердителя, например, гексаметилентетрамина (ТУ 6-09-36-70). Оптимальное содержание отвердителя в композиции определяли экстрагированием, исходя из достижения связующим высокой степени сшивки. Снижения комкуемости порошка из разработанного материала и уменьшения его набухания в минеральном масле достигали путем введения в связующее поливинилхлорида (ГОСТ 14039-78), эвтектического сплава (МРТУ 6-09-6048-69) и сульфонафтеновых кислот (ГОСТ 463-53) в виде керосинового контакта Петрова. При формировании материала поливинилхлорид в присутствии холестерилового эфира пальмитиновой кислоты (ТУ 6-09-4375-77) образует собственную фазу в объеме полимерной матрицы, что способствует повышению эластичности и износостойкости материала. При введении в фенолоформальдегидную смолу поливинилхлорида, эвтектического сплава и сульфонафтеновых кислот выше оптимальной концентрации увеличивается набухаемость материала в минеральном масле и снижается его износостойкость, а ниже оптимальной концентрации -повышаются комкуемость порошка из разработанного материала, уменьшается износостойкость композиции и стального контртела и снижается ее эластичность. Увеличение содержания холестерилового эфира пальмитиновой кислоты выше оптимальной концентрации приводит к снижению прочности композиции, а ниже оптимальной концентрации - повышает ее износ. Дальнейшего снижения маслопоглощения и повышения эластичности композиции, увеличения износостойкости материала и стального контртела достигали дополнительным введением в связующее сухой смазки (графит ГОСТ 5420-74), дисульфид молибдена - ТУМХПРУ 1082-64), полиакрилонитрильного волокна(ТУ 17-09-121-82) и окислителя, выбранного из группы (М - натрий или калий) 4, (ГОСТ 5777-53),М 227 (ТУ МХП 3732-56), С 4 (ТУ МХП 3732-56), 4 (ГОСТ 11086-64),(ГОСТ 11086-64). При введении сухой смазки, полиакрилонитрильного волокна и окислителя выше оптимальной концентрации способствует снижению прочностных свойств и увеличению износа композиции, а ниже оптимальной концентрации - повышает маслопоглощение полимерной композиции и водородный износ стального контртела при смазке минеральным маслом. В отличие от известных технических решений поливинилхлорид, эвтектический сплав и сульфонафтеновые кислоты использованы нами для снижения комкуемости порошка из разработанного материала и для уменьшения его набухаемости в минеральном масле. При этом введение поливинилхдорида (в сочетании) с холестериловым эфиром пальмитиновой кислоты способствует повышению эластичности фенолоформальдегидного композиционного материала. При дополнительном введении в связующее сухой смазки, полиакрилонитрильного волокна и выбранных окислителей наблюдается дальнейшее повышение эластичности и снижение маслопоглощения материала, а также увеличение износостойкости полимерной композиции и уменьшение водородного износа стального контртела. Это обусловлено тем, что поливинилхлорид, сухая смазка, холестериловый эфир пальмитиновой кислоты и сульфонафтеновые кислоты в присутствии полиакрилонитрильного волокна и выбранного окислителя образуют во фрикционном контакте эффективные защитные пленки, защищающие от износа полимерную композицию и препятствующие наводороживанию поверхностных слоев стального контртела. Технология формирования изделий антифрикционного назначения из разработанной полимерной композиции заключается в следующем. В оформальдегидную смолу вводят наполнители и целевые добавки, а затем вводят отвердитель - гексаметилентетрамин. После сушки композицию перерабатывают в изделия методом компрессионного прессования при давлении 40-60 кН/м 2, температуре 160-180 С и времени выдержки под давлением 1,0-1,5 мин/мм толщины изделия. Примеры составов и основные свойства известной 2 и разработанной полимерных композиций приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1 сочетание выбранных компонентов позволило в сравнении с прототипом повысить эластичность материала в 1,2-1,4 раза, износостойкость полимерной композиции в 2,5-3 раза и стального контртела в 2,48-4,3 раза, снизить маслопоглощение композиции в 1,5-2,2 раза и внутренние напряжения в изделиях из нее в 5,5-8,3 раза, уменьшить комкуемость порошка из композиции в 3,2-8 раз и содержание водорода в контртеле в 3,7-5,6 раз , а также увеличить в 2,2-2,5 раза коэффициент теплопроводности материала. Отсутствие в полимерной композиции эвтектического сплава и поливинилхлорида ( композиция Х),сухой смазки и холестерилового эфира пальмитиновой кислоты (композиция Х), сульфонафтеновых кислот и полиакрилонитрильного волокна (композиция Х) и выбранных окислителей (композиция Х) приводит к ухудшению эксплуатационных свойств полимерной композиции. Износостойкость полимерных композиций и стального контртела (сталь 45) исследовали на машине трения СМЦ-2 при трении по схеме вал-частичный вкладыш при нагрузке 10 МПа и скорости относительного 3 2636 1 скольжения 15,7 м/с. Смазкой служило авиационное масло МС-20. Количество водорода, продиффундировавшего в рабочую поверхность стального контртела, определяли методом нагрева в высоком вакууме металлического образца после проведения фрикционных испытаний. Этот метод дает возможность оценить количество водорода в металле с точностью до 510-7 мЗ/кг (см. ст. Шмелев Б.А., Доманская Отбор проб стали на водород и его определение./ Труды ЦНИИТМАШ. 1950, Вып. .). Эластичность композиции определяли по величине прогиба образца под статической нагрузкой З 0 кН. Набухание образцов полимерных композиций определяли весовым методом после экспозиции в течение 15 суток в минеральном масле МС 20. Внутренние напряжения, возникающие в образцах полимерных композиций в результате поглощения минерального масла МС-20, измеряли методом проволочной тензометрии. Для этого в образцах сверлили отверстия, в которые с помощью эпоксидной смолы устанавливали малобазные тензодатчики и с помощью их измеряли внутренние напряжения после 15 суток экспонирования в минеральном масле МС-20. Комкуемость порошка из разработанной полимерной композиции определяли по отношению веса окатышей, появившихся в масле после хранения в затаренном виде в течение 3-х месяцев, к весу всего порошка. Коэффициент теплопроводности полимерных композиций рассчитывали по величине тепловых потоков,необходимых для создания заданных температур на торцевых поверхностях полимерного образца (прибор ИТ 400).. Составы 1. Фенолформальдегидная смола резольного типа (по сухому остатку) 1.1. Марки ЛБС-1 1.2. Марки ЛБС-3 2. Гексаметилентетрамин 3. Эвтектический сплав 4. Поливинилхлорид 5. Сухая смазка 5.1. Графит 5.2. Дисульфид молибдена 6. Холестериловый эфир пальмитиновой кислоты 7. Сульфонафтеновые кислоты 8. Полиакрилонитрильное волокно 9. Окислитель, выбранный из группы 9.1. КМО 4 9.2. 4 9.3. К 2 С 2 О 7 9.4. 227 9.5. 4 9.6. 4 9.7. 4 9.8. 4 9.9.9.10. Составы и основные свойства известной /3/, разработанной и исследуемых полимерных композиций Полимерная композиция, мас. ч. Известная Исследуемая Заявляемая 2636 1 Продолжение табл. 1. 1 3. Эластичность (величина прогиба при статической нагрузке 30 кН),мм 4. Маслопоглощение, 2 5. Внутренние напряжения в образцах из полимерных композиций после 10 суток набухания в авиационном масле МС-20, МПа 6. Комкуемость порошка из полимерных композиций,7. Коэффициент теплопроводности, Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 7