Композиционный абразивостойкий материал для триботехнических покрытий

(51)09 177/02 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫЙ АБРАЗИВОСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ(71) Заявители Открытое акционерное общество Белкард Республиканское унитарное предприятие Гомельский завод сельскохозяйственного машиностроения Гомсельмаш(72) Авторы Струк Василий Александрович Кравченко Виктор Иванович Костюкович Геннадий Александрович Овчинников Евгений Витальевич Голопятин Александр Владимирович Колупаев Юрий Александрович(73) Патентообладатели Открытое акционерное общество Белкард Республиканское унитарное предприятие Гомельский завод сельскохозяйственного машиностроения Гомсельмаш(57) Композиционный абразивостойкий материал для триботехнических покрытий на основе полиамидной матрицы и наполнителя, отличающийся тем, что в качестве полиамидной матрицы содержит термомеханически совмещенную смесь полиамида 6, полиолефина и сополимера стирола с акрилонитрилом, взятых в соотношении 1(0,01-0,1)(0,01-0,1), а в качестве наполнителя - смесь углеродного компонента с неорганическим модификатором или политетрафторэтиленом, взятых в соотношении 1(0,1-1,0), при следующем соотношении компонентов, мас.наполнитель 0,05-10,0 полиамидная матрица 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 триботехнические материалы, из которых изготавливают детали узлов трения и покрытия для деталей трения. Такие материалы разработаны на основе термопластичных полимерных матриц и содержат в качестве функциональных добавок сухие смазки, смазочные масла, легкоплавкие полимеры, порошки политетрафторэтилена, силикаты и т.п. 1-8. Содержание функциональных модификаторов составляет от 1 до 40 мас. , что позволяет в широких пределах регулировать служебные характеристики композиционных материалов. Однако введение в состав матрицы значительных количеств наполнителей затрудняет их переработку и способность формировать из композита однородные малодефектные покрытия на металлических изделиях. При малом содержании модификаторов и наполнителей не обеспечивается требуемый технический эффект. 9050 1 2007.04.30 Известны антифрикционные покрытия на основе полиамидных матриц, в состав которых в качестве функциональной добавки введены полиолефины 2-6. При повышенных температурах в зоне фрикционного контакта полиолефин, имеющий существенно более низкую температуру, чем полиамид, образует в зоне трения пленку расплава, выполняющую роль смазки. Такие покрытия обеспечивают высокую износостойкость узлов трения,эксплуатируемых без применения внешней смазки. Однако наличие в составе композита значительных количеств полиолефина (до 1015 мас. ) в виде изолированной фазы снижает прочность адгезионного соединения покрытия с металлической подложкой. Поэтому требуется применение специальных методов подготовки поверхности металлического изделия перед нанесением покрытия. Это существенно усложняет технологический процесс нанесения покрытий и увеличивает их стоимость. Прототипом изобретения является композиционный материал для триботехнических покрытий на основе полиамидной матрицы, содержащий в качестве модификатора смесь углеродных компонентов, а в качестве связующего - термомеханически совмещенную смесь полиамида 6 и полиэтилена в соотношении 101-0,1 8. Покрытия из данного материала наносят из порошкообразной взвеси методом псевдоожиженного слоя, осаждая компоненты на нагретую до заданной температуры деталь. Недостатками прототипа являются недостаточно высокая стойкость покрытия к воздействию абразивных сред недостаточно высокая стойкость к воздействию атмосферных факторов, прежде всего ультрафиолетовому излучению низкая термоокислительная стойкость отдельных компонентов, не позволяющая наносить покрытия высокотехнологичным методом газопламенного напыления, в том числе на изделия больших геометрических размеров и сложной конфигурации. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении стойкости покрытия к абразивному изнашиванию и обеспечении высокого уровня адгезионных характеристик при газопламенном нанесении покрытий на немодифицированные поверхности металлических изделий. Поставленная задача решается тем, что композиционный абразивостойкий материал для триботехнических покрытий на основе полиамидной матрицы и наполнителя в качестве полиамидной матрицы содержит термомеханически совмещенную смесь полиамида 6, полиолефина и сополимера стирола с акрилонитрилом, взятых в соотношении 1(0,010,1)(0,01 - 0,1), а в качестве наполнителя - смесь углеродного компонента с неорганическим модификатором или политетрафторэтиленом, взятых в соотношении 1(0,1-1,0), при следующем соотношении компонентов, мас.наполнитель 0,05-10,0 полиамидная матрица остальное. Составы композиционных абразивостойких материалов для триботехнических покрытий, согласно прототипу и изобретению, приведены в табл. 1. В качестве полиамида 6 использовали продукт, выпускаемый ОАО ГродноХимволокно под торговой маркой Гроднамид. В качестве полиолефина применяли полипропилен марки Каплен (Россия),полиэтилен производства Новополоцкого ОАО Полимир. В качестве сополимера стирола с акрилонитрилом использовали продукты марок САН, САН-04, САН-П, АТ-2 (ТУ 6-05-41369-81). Для получения наполнителя использовали технический углерод высокой дисперсности марки К-354, П-803 (ГОСТ 7885-86), графит коллоидный марки С производства Завальевского графитного комбината (Украина), микротальк для лакокрасочной промышленности (ГОСТ 19284-79), двуокись титана марки Р-02 (ГОСТ 9808-84), оксид железа (ТУ 6-10-602-86, ТУУ 6-05766356-034-94), нанодисперсный углерод марки УДАГ (производство ЗАО Синта). В качестве органических модификаторов применяли порошкообразный политетрафторэтилен или композиционный материал УПФОР с размером частиц 50-100 мкм. Композиционный абразивостойкий материал для покрытий согласно изобретению получали следующим образом. Порошкообразные или гранулированные компоненты полимерной матрицы в заданных соотношениях смешивали в смесителе барабанного типа с механической активацией. 2 9050 1 2007.04.30 Таблица 1 Составы композиционных абразивостойких материалов для покрытий Компонент 1. Полимерная матрица продукт термо- 98,89 механического совмещения полиамида 6 и полиэтилена низкого давления в соотношении 10,1 продукт термомеханического совмещения полиамида 6,полиолефина и сополимера стирола и акрилонитрила 2. Наполнитель графит 0,1 смесь углерод- 0,01 ных компонентов различных модификаций 9050 1 2007.04.30 Продолжение таблицы 1 смесь углеродсодержащих компонентов различных модификаций и органических или неорганических модификаторов 3. Соотношение компонентов в термомеханически совмещенной матрице - полиамидполиолефинсополимер стирола с акрилонитрилом 4. Соотношение компонентов наполнителя - смесь углеродсодержащих компонентов и неорганических или органических модификаторов 9050 1 2007.04.30 После этого в рабочий объем смесителя вводили механическую смесь порошкообразных компонентов наполнителя и композицию дополнительно перемешивали до получения однородного состава. Полученный продукт подвергали термомеханическому воздействию в смесителе шнекового типа в диапазоне температур по зонам 150-250 С в течение 3-5 мин и гранулировали с помощью фильеры, тянущего устройства и мерной резки. Гранулы материала с размером 2-5 мм подвергали криогенному измельчению в мельнице роторного типа,используя в качестве хладоагента жидкий азот. Полученную механическую смесь фракций рассеивали до получения с размером частиц 50-80 мкм. Соотношение компонентов в продукте термомеханического совмещения (матрице) и наполнителе подбирали по результатам испытаний характеристик покрытий. В составах -при получении полимерной матрицы использовали полиамид 6, полипропилен и сополимер САП, а в качестве наполнителя - смесь технического углерода (сажа) и микроталька. В составев полимерную матрицу в качестве полиолефина вводили полиэтилен низкого давления, в качестве сополимера - САН-04, а углеродный наполнитель (сажу) смешивали с двуокисью титана. Составсодержит САН-П, органический компонент наполнителя политетрафторэтилен в виде порошка с размером частиц не более 50-80 мкм. В составев качестве сополимера стирола и акрилонитрила применяли АТ-2, а в качестве наполнителя - смесь графита коллоидного и сажи. Составыисодержат запредельные соотношения компонентов матрицы и наполнителя. В составахисодержание компонентов находится за пределами заявленных. Покрытия из оптимальных составов композиционных абразивостойких материалов, согласно изобретению и прототипу, наносили на очищенную от загрязнений и продуктов коррозии поверхность металлического образца. Для изготовления образцов использовали сталь 08 КП и сталь 45. Покрытие получали газопламенным распылением порошкообразной композиции, используя в качестве горючего агента природный газ или пропан в смеси с кислородом или воздухом. Режимы нанесения регулировали скоростью подачи порошкообразного компонента в струю горелки. Получали покрытия толщиной 100-150 мкм. Характеристики покрытий оценивали по общепринятым методикам. Триботехнические испытания проводили по схеме палец-диск при скорости скольжения 1 м/с и нагрузке 510 МПа, при трении без смазки. Адгезионную прочность покрытия оценивали методом отслаивания под углом 180. Стойкость покрытия к ударному воздействию определяли с помощью прибора У-1. В качестве характеристики прочности служит величина в см, соответствующая высоте падения индентора на покрытие без его отслоения от подложки. Стойкость к абразивному воздействию оценивали по ГОСТ 20811-75. Сущность метода состоит в воздействии на испытуемый образец потока сухого абразива (песка). Стойкость к изнашиванию определяется количеством абразива в кг, вызвавшего изнашивание покрытия до подложки. Для оценки влияния воздействия эксплуатационных факторов (теплового воздействия и действия ультрафиолетового излучения) использовали камеру искусственной погоды, которая позволяла осуществлять инфракрасный нагрев образцов и облучение потоком ультрафиолетового излучения. Сравнительные характеристики покрытий из композиционных абразивостойких материалов по прототипу и заявляемым составам приведены в табл. 2. Как следует из данных табл. 2, заявляемые составы (-Х) превосходят прототип по стойкости к воздействию ультрафиолетового излучения, абразивостойкости, стойкости к ударному воздействию. Уменьшение заявленного соотношения компонентов в полимерной матрице и наполнителе (состав ) или его превышение (состав ) снижает показатели служебных характеристик. Уменьшение содержания наполнителя в матрице менее 0,05 мас.(состав) существенно снижает адгезионные и триботехнические характеристики. Превышение заявленного содержания более 10,0 мас.(состав ) не обеспечивает дополнительного эффекта. Таким образом, заявленные составы в заявляемом соотношении компонентов превосходят прототип по комплексу адгезионных, триботехнических характеристик и стойкости к ударному воздействию покрытий, сформированных газопламенным способом. 5 9050 1 2007.04.30 Сущность изобретения состоит в следующем. Термомеханическое совмещение трех компонентов полимерной матрицы обеспечивает получение сополимерного продукта, в котором полиамидная составляющая придает прочность, полиолефиновая - низкий коэффициент трения, акрилонитрилостирольная - адгезионную прочность. Сополимер акрилонитрила и стирола в композиции выступает в роли компонента, уменьшающего термодинамическую несовместимость полиамида и полиолефина, - компактибилизатора. Кроме того, сополимер повышает прочность и твердость композиции, и ее стойкость к абразивному воздействию, и, благодаря акрилонитрильной группе, адгезионную прочность покрытия к металлической подложке. Введение в качестве наполнителя смеси углеродного компонента с неорганическим модификатором или органическим термостойким компонентом (ПТФЭ) приводит к увеличению стойкости к термоокислительному воздействию и увеличению теплопроводности. В результате существенно снижаются процессы термоокислительной деструкции полимерной матрицы в струе газопламенной горелки, и формируемое покрытие обладает комплексом высоких служебных характеристик. В составе по прототипу при использовании газопламенного метода нанесения покрытия часть продуктов (нанодисперсный углерод, углеграфитовое волокно) выгорает в результате интенсивного теплового воздействия, и формируемое покрытие содержит большое количество дефектов в виде пор, включений продуктов термодеструкции. 9050 1 2007.04.30 Таблица 2 Характеристики композиционных абразивостойких материалов Характеристика Прототип 1. Адгезионная прочность, н/м исходная после одного часа кипячения в воде после 10 часов термоокисления при 100 С при воздействии ультрафиолетового излучения 2. Коэффициент трения при Р 5 МПа,1 м/ 3. Стойкость к абразивному воздействию,кг/мкм 4. Стойкость к ударному воздействию, см Показатель для материала Заявляемые составы В числителе даны значения для покрытий, сформированных методом псеводоожиженного слоя, в знаменателе - газопламенным напылением. 9050 1 2007.04.30 Газопламенный способ нанесения покрытий из заявленного композиционного абразивостойкого материала позволяет изготавливать триботехнические изделия больших геометрических размеров и сложной конфигурации, в том числе в условиях ремонтной базы,отдаленной от технологических мощностей. Это позволяет применять покрытия в конструкциях тракторной и сельскохозяйственной техники, подвергающейся комплексному воздействию неблагоприятных эксплуатационных факторов. Источники информации 1. Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Мн. Наука и техника, 1992. - 256 с. 2. А.с. СССР 654651, 1977. 3. А.с. СССР 1184259, 1979. 4. А.с. СССР 768228, 1976. 5. А.с. СССР 612502, 1976. 6. А.с. СССР 60-7364, 1988. 7. А.с. СССР 704958, 1978. 8. Патент РФ 2219212, МПК С 09 177/02, 5/03, 2002. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.