Композиционный абразивостойкий триботехнический материал

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления триботехнических покрытий в узлах трения, в т.ч. эксплуатируемых при воздействии абразивных сред со смазкой и без подвода внешней смазки. Композиционный материал на основе полиамидной матрицы и наполнителя содержит при следующем соотношении компонентов, мас.%: в качестве наполнителя 0,05-10,0 смеси углеродсодержащих компонентов и неорганических или органических модификаторов в соотношении 1:1-1:0,1; а в качестве полиамидной матрицы - до 100 термомеханически совмещенной смеси полиамида 6, полиолефина и сополимера стирола с акрилонитрилом в соотношении 1:0,1:0,1-1:0,01:0,01. Технический результат - повышение стойкости покрытий к абразивному воздействию, воздействию атмосферных факторов и обеспечение возможности нанесения покрытий на металлические изделия высокотехнологичным методом газопламенного нанесения. 2 табл.

 

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроения 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 затрудняют их переработку и способность формировать из композита однородные малодефектные покрытия на металлических изделиях. При малом содержании модификаторов и наполнителей не обеспечивается требуемый технический эффект. 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 10-15 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 количестве связующего - термомеханически совмещенную смесь полиамида 6 и полиэтилена в соотношении 10:1-0,1 [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 т.ч. 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 триботехнический материал на основе полиамидной матрицы и наполнителя содержит в качестве полиамидной матрицы термомеханически совмещенную смесь полиамида 6, полиолефина и сополимера стирола с акрилонитрилом в соотношении 1:0,1:0,1 ÷ 1:0,01:0,01, а в качестве наполнителя - смесь углеродсодержащих компонентов и неорганических или органических модификаторов в соотношении 1:1-1:0,1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смесь углеродсодержащих компонентов
и неорганических или органических
модификаторов в соотношении 1:1-1:0,1	0,05÷10,0
Термомеханически совмещенная
смесь полиамида, полиолефина
и сополимера стирола и акрилонитрила
в соотношении 1:0,1:0,1-1:0,01:0,01	Остальное до 100

Составы композиционных абразивостойких материалов для триботехнических покрытий согласно прототипу [8] 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 (ТУ6-05-41-369-81). 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.

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 I-VII, XIII, XIV при получении полимерной матрицы использовали полиамид 6, полипропилен и сополимер САН, а в качестве наполнителя - смесь технического углерода (сажа) и микроталька. В составе VIII в полимерную матрицу в качестве полиолефина вводили полиэтилен низкого давления, в качестве сополимера САН-04, а углеродный наполнитель (сажу) смешивали с двуокисью титана. Состав IX содержит САН-П, органический компонент наполнителя политетрафторэтилен в виде порошка с размером частиц не более 50-80 мкм. В составе Х в качестве сополимера стирола и акрилонитрила применяли АТ-2, а в качестве наполнителя - смесь графита коллоидного и сажи. Составы XI и XII содержат запредельные соотношения компонентов матрицы и наполнителя. В составах XII и XIV содержание 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 08КП 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 5-10 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 (1-Х) превосходят прототип по стойкости к воздействию ультрафиолетового излучения, абразивостойкости, стойкости к ударному воздействию. Уменьшение заявленного соотношения компонентов в полимерной матрице и наполнителе (состав XI) или его превышение (состав XII) снижает показатели служебных характеристик. Уменьшение содержания наполнителя в матрице менее 0,05 мас.% (состав XIII) существенно снижает адгезионные и триботехнические характеристики. Превышение заявленного содержания более 10,0 мас.% (состав XIV) 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.

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.

Газопламенный способ нанесения покрытий из заявленного композиционного абразивостойкого материала позволяет изготавливать триботехнические изделия больших геометрических размеров и сложной конфигурации, в т.ч. 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. - Минск: 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, С 09 D 177/02, 5/03, 2002.

Композиционный абразивостойкий триботехнический материал на основе полиамидной матрицы и наполнителя, отличающийся тем, что в качестве полиамидной матрицы он содержит термомеханически совмещенную смесь полиамида 6, полиолефина и сополимера стирола с акрилонитрилом в соотношении 1:0,1:0,1-1:0,01:0,01, а в качестве наполнителя - смесь углеродсодержащих компонентов и неорганических или органических модификаторов в соотношении 1:1-1:0,1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смесь углеродсодержащих компонентов
и неорганических или органических
модификаторов в соотношении 1:1-1:0,1	0,05-10,0
Термомеханически совмещенная
смесь полиамида, полиолефина
и сополимера стирола и акрилонитрила
в соотношении 1:0,1:0,1-1:0,01:0,01	Остальное до 100