Композиционный термостойкий триботехнический материал
Использование: в машиностроении для изготовления триботехнических изделий, эксплуатируемых без применения смазки и в условиях воздействия повышенных температур. Материал содержит в мас.%: сухая смазка 1-5, углеродсодержащий наполнитель 1-40, политетрафторэтилен остальное до 100. В качестве углеродсодержащего наполнителя используют дисперсные частицы термопластичных полимеров, выбранных из группы, включающей полиамиды, полиолефины, полисульфон, полиакрилонитрил или их смеси, с соотношением размера максимального сечения частицы наполнителя к размеру частицы политетрафторэтилена 0,1-1,5. Технический результат - повышение прочности и износостойкости. 2 табл.
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления изделий триботехнического назначения, в том числе для герметизации (уплотнения) подвижных сопряжений, эксплуатируемых без применения внешней смазки и в условиях воздействия повышенных температур.
Известны композиционные триботехнические материалы с высокой стойкостью к воздействию повышенных температур, разработанные на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). Для обеспечения высокой износостойкости в состав полимерной матрицы вводят функциональные наполнители в виде порошков и коротких волокон. Состав наполнителей различен: оксиды металлов, цветные металлы и сплавы, сухие смазки, цеолиты, сиалоны, нанодисперсный углеродсодержащий продукт, углеродные и базальтовые волокна, кокс и т.д. [1, 2]. Независимо от состава, строения и формы частиц наполнителя реализуется единый механизм увеличения износостойкости, основанный на создании частицами наполнителя стерических препятствий для перемещения надмолекулярных агрегатов политетрафторэтиленовой матрицы под действием тангенциальных сдвиговых деформаций в зоне фрикционного контакта [2]. Поэтому основное внимание при выборе функциональных наполнителей композиционного материала на основе ПТФЭ уделяется обеспечению заданных служебных характеристик материала при высокой технологичности, минимальной стоимости и доступности.
Традиционная технология изготовления изделий из композиционных материалов на основе ПТФЭ состоит в смешении порошкообразных компонентов, холодном прессовании и последующем высокотемпературном спекании (монолитизации) заготовок при температурах, близких к температурам плавления матрицы, - 350-370°С. Процесс монолитизации заготовок достаточно длителен, многоступенчат и связан с потреблением больших количеств электроэнергии. Это обуславливает высокую стоимость материалов на основе ПТФЭ.
Одним из самых эффективных наполнителей композиционных материалов на основе ПТФЭ являются углеграфитовые волокна, полученные высокотемпературной обработкой органических волокон в защитной среде. Температура карбонизации и графитизации органических волокон (полиамидных, полиакрилонитрильных, целлюлозных и др.) находится в диапазоне 800-1100°С. Поэтому процесс получения углеграфитовых волокон чрезвычайно энергозатратен, что обуславливает высокую их стоимость, составляющую от 75 до 150 долл. США за 1 кг. Углеграфитовые волокна, получаемые по такой технологии, обладают высокой прочностью и служат эффективной противоизносной добавкой в композициях на основе ПТФЭ. Однако вследствие специфических условий эксплуатации изделий из композитов на основе ПТФЭ полностью потенциальные возможности углеграфитовых волокон не реализуются. Это обстоятельство резко снижает эффективность и целесообразность их применения в композитах, т.к. достигаемый технический эффект не адекватен стоимости углеграфитовых волокон. В связи с этим ведется поиск наполнителей, близких по механизму действия, однако имеющих существенно более низкую стоимость.
Прототипом изобретения является композиционный материал на основе политетрафторэтилена, содержащий в качестве функционального наполнителя волокно (5-40 мас.%) и сухую смазку (1-5 мас.%). Такой материал промышленно выпускают под торговой маркой Флубон [3]. К числу существенных недостатков прототипа относятся:
- высокая стоимость, обусловленная значительным содержанием углеграфитового волокна типа «Вискум», «Урал»;
- высокий коэффициент трения вследствие армирующего действия углеродного наполнителя;
- недостаточная деформативность вследствие высокого содержания наполнителя;
- высокая дефектность композиционного материала вследствие наличия границы раздела «матрица-наполнитель».
Задачей изобретения является обеспечение высоких служебных характеристик композиционного термостойкого триботехнического материала, прежде всего, увеличение прочности и износостойкости при снижении его стоимости.
Поставленная задача решается тем, что в составе композиционного термостойкого триботехнического материала на основе политетрафторэтилена, углеродсодержащего наполнителя и сухой смазки в качестве углеродсодержащего наполнителя используют дисперсные частицы термопластичных полимеров, выбранных из группы: полиамиды, полиолефины, полисульфон, полиакрилонитрил или их смесей, с соотношением размера максимального сечения частицы наполнителя к размеру частицы политетрафторэтилена 0,1÷1,5 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| дисперсные частицы термопластичных полимеров | 1-40 |
| сухая смазка | 1-5 |
| политетрафторэтилен | остальное до 100 |
Составы композиционных материалов по прототипу и в соответствии с изобретением представлены в табл.1. Для формирования полимерной матрицы использовали дисперсные частицы политетрафторэтилена с формой, близкой к сферической, и размерами в максимальном сечении 50-100 мкм. Производителем ПТФЭ являются предприятия России. В качестве углеродсодержащего наполнителя использовали углеграфитовое волокно «Вискум» производства ОАО «Светлогорского ПО Химволокно» (Беларусь). В качестве сухих смазок использовали углеродсодержащий продукт детонационного синтеза - шихту (УДАГ) производства ЗАО «Синта»
(Беларусь), коллоидный графит марки С-1 производства Завальевского графитового комбината (Украина), дисульфид молибдена MoS2, термически расщепленный графит ТРГ, полученный термообработкой окисленного графита Завальевского месторождения. Дисперсность частиц сухой смазки составляла от 10-30 нм до 50-100 мкм. Для получения заявляемых составов композиционных термостойких триботехнических материалов взамен углеграфитового волокна использовали дисперсные частицы, полученные криогенным измельчением гранул или волокон: полиамидного (ОАО «ГродноХимволокно»), полипропиленового (ОАО «Светлогорское ПО Химволокно»), полисульфонового (BASF, ФРГ).
Технология получения композиционных материалов согласно прототипу и заявляемым составам была одинакова и заключалась в следующем. Армирующий углеродсодержащий наполнитель получали измельчением полуфабриката в виде волокна или гранул в специальном устройстве - дисмемраторе или в роторной криогенной установке. В первом случае измельчали углеграфитовое волокно «Вискум» до размера 50÷100 мкм. Во втором - волокна или гранулы термопластов, охлажденные до температуры жидкого азота, до размера в поперечнике 50-100 мкм. Фракцию необходимого размера отделяли на установке ситового анализа.
Порошкообразные компоненты (ПТФЭ, армирующий наполнитель, сухую смазку) в заданных соотношениях смешивали в быстроходных смесителях с механическим активатором до получения однородного состава.
Из подготовленных смесей методом холодного прессования получали заготовки композиционных материалов, которые затем подвергали монолитизации (спеканию) в термокамере по двухступенчатому режиму при температуре первой ступени 280±5°С и температуре второй ступени 350±5°С в течение 5-10 часов с последующим отжигом при 280±5°С в течение 1-2 часов и медленным охлаждением.
Из полученных заготовок механической обработкой получали образцы для проведения испытаний. Оценивали прочность при растяжении, твердость по Бринеллю, коэффициент трения, износостойкость и деформативность. Прочностные показатели определяли по стандартным методикам. Триботехнические характеристики оценивали по схеме «вал-частичный вкладыш» и «пальчик-диск» при трении по контртелу из стали 45 с шероховатостью поверхности после закалки и шлифования 0,8÷1,1 мкм при скорости скольжения 1 м/с, удельной нагрузке 5÷20 МПа при трении без смазки.
Деформативность композиционного материала определяли по числу циклов «сгиб-разгиб» плоского образца с размерами 100×20×4 путем сгибания его до соединения противоположных плоскостей и разгибания до исходного состояния. Характеристики композиционного материала по прототипу [3] и согласно заявленным составам представлены в табл.2.
Как следует из данных табл.2, заявленные составы композиционных термостойких триботехнических материалов в заявленном соотношении компонентов превосходят прототип по прочности при растяжении в 1,1-2,05 раза, по износостойкости в 1,2-2,7 раза, по стойкости к деформациям в 2-2,5 раза. Уменьшение содержания углеродсодержащего наполнителя и сухой смазки ниже заявленных пределов (состав XIII) снижает показатели прочностных и триботехнических характеристик. Превышение заявленного содержания компонентов (состав XIV) не обеспечивает дополнительного эффекта. Положительный эффект достигается при использовании в качестве углеродсодержащего наполнителя всех заявленных компонентов - дисперсных частиц, полученных криогенным измельчением волокон или гранул полиамидов, полиолефинов, полисульфона, полиакрилонтрила. Это свидетельствует об общности механизма их действия. Состав сухой смазки принципиального значения не имеет, т.к. механизм действия различных видов сухих смазок, введенных в заявленные составы, идентичен. Заявленное соотношение максимальных размеров частиц углеродсодержащего наполнителя и политетрафторэтиленовой матрицы 0,1:1÷1:1,5 является оптимальным.
| Таблица 2 Характеристики композиционных термостойких триботехнических материалов | ||||||||||||||
| Характеристика | Показатель для материала | |||||||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | XIII | XIV | |||||||||||
| I | II | II | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |||
| 1. Твердость по Бринеллю, МПа | 52 | 55 | 52 | 55 | 57 | 55 | 55 | 54 | 55 | 54 | 55 | 55 | 50 | 57 |
| 2. Прочность при растяжении, МПа | 18 | 17 | 20 | 35 | 30 | 32 | 35 | 33 | 35 | 30 | 32 | 35 | 15 | 20 |
| 3. Коэффициент трения при нагрузке, МПа: | ||||||||||||||
| - 5 МПа | 0,20 | 0,22 | 0,20 | 0,22 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,25 |
| - 10 МПа | 0,18 | 0,20 | 0,15 | 0,17 | 0,18 | 0,20 | 0,15 | 0,15 | 0,20 | 0,15 | 0,18 | 0,20 | 0,18 | 0,22 |
| - 20 МПа | 0,20 | разруш. | 0,20 | 0,15 | 0,20 | 0,20 | 0,15 | 0,19 | 0,20 | 0,20 | 0,15 | 0,18 | 0,18 | 0,20 |
| 4. Интенсивность изнашивания, I×107 | 4,2 | 3,5 | 3,5 | 1,8 | 1,5 | 1,5 | 1,7 | 1,3 | 2,0 | 1,5 | 1,7 | 1,9 | 4,0 | 1,5 |
| 5. Деформативность, число циклов до разрушения | 5 | 2 | 10 | 5 | 4 | 5 | 6 | 6 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 2 |
Уменьшение соотношения размеров частиц наполнителя менее заявленного (состав XIII) снижает показатели композиционного материала, а превышение размеров частиц наполнителя над частицами связующего создает технологические трудности при переработке из-за плохой уплотняемости материала.
Сущность изобретения состоит в следующем. При термической обработке композиционного материала, содержащего в качестве наполнителя термопластичные частицы, в процессе монолитизации заготовок при температурах 280-350°С происходят интенсивные термоокислительные процессы, приводящие к карбонизации частиц и образованию углеродсодержащих фрагментов, близких по составу и свойствам к углеродным волокнам. Этому процессу способствуют не только высокие температуры обработки и длительное время обработки, но и высокая активность частиц, обусловленная процессами криогенного измельчения. Одновременно в процессе термоокислительной деструкции и карбонизации образуются низкомолекулярные продукты, обладающие свойствами поверхностно-активных веществ. Такие ПАВ адсорбируются на поверхности металлического контртела и формируют устойчивый перенесенный слой из продуктов изнашивания матрицы, сухой смазки и наполнителя. Благодаря этому интенсивность изнашивания композита существенно уменьшается. Наличие пластифицирующего компонента в виде продуктов термоокислительной деструкции полимерного модификатора способствует монолитизации материала и повышает его деформативность.
Благодаря операции предварительного холодного прессования доступ кислорода к частицам термопластичного наполнителя ограничен, поэтому не происходит их полной деструкции (термолиза), приводящей к сгоранию, однако интенсивность процессов карбонизации достаточна для образования активного углеродсодержащего наполнителя. Образующаяся карбонизованная частица выполняет функцию армирующего наполнителя и антифрикционной добавки. Важно, чтобы размеры карбонизованной частицы коррелировали с размерами частиц исходного политетрафторэтилена. Если размеры коррелируют (находятся в заявленном соотношении), то карбонизованная частица выполняет свои функции. Если получаемые частицы меньше исходных частиц ПТФЭ, то заметного армирующего эффекта они не оказывают. При увеличении размеров карбонизованной частицы, существенно превышающей размер исходных частиц ПТФЭ, создаются технологические трудности с переработкой композиционного материала.
Таким образом, в заявляемых составах активный углеродсодержащий наполнитель, подобный углеграфитовому волокну, образуется непосредственно в процессе формирования изделия из композиционного материала в результате использования высоких температур и длительности технологического процесса спекания матрицы (ПТФЭ). Вследствие этого удается резко снизить стоимость композиционного материала с 35-40 долл. США за 1 кг до 15-20 долл. США за 1 кг при достижении более высоких служебных характеристик.
Источники информации
1. А.А.Охлопкова. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик. Дисс.... докт. техн. наук. Гомель, 1999. - 250 с.
2. Г.А.Сиренко, В.П.Свидерский, В.Д.Герасимов, В.З.Никонов. Антифрикционные термостойкие полимеры. - Киев: Техника, 1978. - 246 с.
3. Г.А.Сиренко. Антифрикционные карбопластики. - Киев: Техника, 1985. - 195 с. - прототип.
Композиционный термостойкий триботехнический материал на основе политетрафторэтилена, углеродсодержащего наполнителя и сухой смазки, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего наполнителя используют дисперсные частицы термопластичных полимеров, выбранных из группы, включающей полиамиды, полиолефины, полисульфон, полиакрилонитрил или их смеси, с соотношением размера максимального сечения частицы наполнителя к размеру частицы политетрафторэтилена 0,1-1,5 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Дисперсные частицы термопластичных | |
| полимеров, выбранных из группы, включающей | |
| полиамиды, полиолефины, полисульфон, | |
| полиакрилонитрил или их смеси | 1-40 |
| Сухая смазка | 1-5 |
| Политетрафторэтилен | Остальное до 100 |
