Композиционный износостойкий материал
Владельцы патента RU 2784232:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к полимерному материаловедению, в частности к полимерной композиции для триботехнических конструкционных изделий на основе полиоксиметилена (POM). Композиционный износостойкий материал для изготовления триботехнических конструкционных изделий, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, состоит из термопластичной матрицы и карбида кремния в качестве наполнителя, где содержание наполнителя - 10, 15, 20% по объему, в качестве матрицы использован полиоксиметилен марки MASCON POM 27. Технический результат заключается в повышении прочности, износостойкости и надежности материала и уменьшении интенсивности его изнашивания. 2 табл., 4 пр.
Настоящее изобретение относится к полимерному материаловедению, в частности к полимерной композиции триботехнического и конструкционного назначения на основе полиоксиметелена (POM).
Полимерная композиция в качестве модификаторов содержит карбид кремния. Соотношение компонентов: POM - 80-90 объем. %, 10-20 объем. %. Технический результат - разработка износостойкого композиционного материала для изготовления триботехнических и конструкционных изделий, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания.
Известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе СВМПЭ и волокнистых наполнителей (см. RU №2346963, кл. C08L 23/06, С08К 13/04, С08К 7/02, опубл. 20.02.2009), предлагаемая для изготовления подшипников скольжения, уплотнений, зубчатых колес и других деталей конструкционного назначения. Композиция состоит из СВМПЭ и содержит в количестве от 5 до 25 мас. % волокнистый наполнитель. В качестве волокнистого наполнителя используют смесь волокон длиной 2-3 мм, состав которой состоит из 70 мас. % полиоксадиазольного волокна и 30 мас. % волокон из хлопчатобумажной пряжи.
Недостатками известной композиции является невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.
Полимерная композиция (см. RU 2688134, кл. C08L23/06, C08K5/47, C08J5/16, опубл. 29.03.2019) триботехнического и конструкционного назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, оксида магния, 2-меркаптобензотиазола и серы. В качестве модификаторов данная композиция содержит оксид магния, 2-меркаптобензотиазол, серу при следующем соотношении компонентов, мас. %: СВМПЭ - 97,0-98,5; оксид магния - 0,5-1,0; 2-меркаптобензотиазол - 0,5-1,0; сера - 0,5-1,0. Порошки СВМПЭ и ингредиенты смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин в течение 1 мин. Изготовление композитов из СВМПЭ проводилось методом горячего прессования при температуре 175°С, давлении 10 МПа и выдержке 20 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Недостатком известной композиции является большое количество модификаторов необходимых для введения в матрицу.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является композиционный износостойкий материал, состоящий из термопластичной матрицы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и карбида кремния в качестве наполнителя (см. RU 2381242, кл. C08L 23/26, B82B1, опубл. 02.10.2010). Известный композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена дополнительно содержит 4 мас. % нанодисперсного модификатора, в качестве которого использован или карбосил, или оксид вольфрама WO3, или карбид кремния SiC, или оксид алюминия Аl2О3. Данный материал принят за прототип.В качестве нанодисперсного модификатора в количестве 4% от массы СВМПЭ применяли один из следующих материалов: карбосил, порошок оксида вольфрама (WO3), порошок карбида кремния (SiC) или порошок оксида алюминия (Al2O3) с размером частиц не более 0,1 мкм. Модификацию СВМПЭ производили в смесителе ударного действия АГО-2.
Недостатком известного способа является сложность переработки сверхвысокомолекулярного полиэтилена. При переработке данного материала происходит повышение упругости расплава и увеличивается коэффициент вязкости. При переработке СВМПЭ на машинах стандартного типа происходит активное протекание процессов деструкции полимера. По этой причине для изготовления изделий СВМПЭ применяются специальные методы переработки, или же разрабатываются спецэкструдеры и специальные литьевые машины, способные создавать в период переработки более высокие давления.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке износостойкого композиционного материала для изготовления деталей машин эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания.
Технический результат, заключается в повышении прочности, износостойкости и надежности материала и уменьшении интенсивности его изнашивания.
Технический результат достигается тем, что в композиционном износостойком материале для изготовления триботехнических и конструкционных изделий, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, состоящий из термопластичной матрицы и карбида кремния в качестве наполнителя, согласно изобретению, содержание наполнителя - 10, 15, 20% по объему, а в качестве матрицы использован полиоксиметилен.
Заявляемая композиция состоит из полиоксиметилена (POM) и карбида кремния (SiC).
Сущность изобретения состоит в следующем.
В POM вводят добавку модификатор в количестве 10-20 объем. %. В качестве модификатора используется SiC, который обеспечивает повышение износостойкости материала в 1,5-2 раза, в зависимости от концентрации наполнителя. Введение модификатора позволило увеличить износостойкость и прочность материала.
Для изготовления композитов используют в качестве термопластичной матрицы использован полиоксиметилен марки MASCON POM 27, свойства которого указаны в таблице 1.
| Таблица 1 - Свойства полиоксиметилена марки MASCON POM 27 | |
| Характеристика | Значение |
| Плотность, кг/м³ | 1410 |
| ПТР, г/10 мин | 27 |
| Напряжение при растяжении, МПа | 65 |
| Модуль упругости при изгибе, МПа | 2550 |
| Температура плавления, °С | 166 |
В качестве модификатора POM используют SiC с размером частиц 8,5-10 мкм.
В рамках исследования использовались следующие соотношения компонентов: SiC - 10; 15; 20 объем. %, POM 27 - 80; 85; 90; объем. %. Состав образцов представлен в таблице 2.
| Таблица 2 - Состав исследуемых образцов | |||
| № | Состав | Δm, г | Абразивный износ |
| 1 | POM | 0,22 | 3,84 |
| 2 | POM+10% SiC | 0,14 | 2,29 |
| 3 | POM+15% SiC | 0,14 | 2,11 |
| 4 | POM+20% SiC | 0,18 | 2,59 |
Замешивание образцов производили с помощью ротационного смесителя периодического действия HAAKE PolyLab Rheomix 600 OS. Смешение проводилось при 170°С, при скорости вращения роторов 50 мин-1. Измерение износостойкости проводилось на установке для измерения износостойкости по ГОСТ 11012-2017 «Пластмассы. Метод испытания на абразивный износ». Для истирания используется шлифовальная бумажная шкурка по ГОСТ 6456-75. Скорость вращения цилиндра составляла 40 об/мин, прижимное усилие 2,5 Н. Результаты испытаний полученных композиционных материалов и сравнение их свойств с прототипом приведены в таблице 2. Для определения массового износа образцы их взвешивали на аналитических весах до и после трения.
В таблице 2 приведены значения характеристик заявляемой композиции. Полученные результаты показывают, что наилучшей износостойкостью обладает композиция POM c 15% -содержанием SiC. Износостойкость данного образца на 45,1% больше по сравнению с исходным POM.
Разработанный материал применим для изготовления подшипников скольжения в узлах трения, машин, механизмов и для изготовления других износостойких деталей, работающих в режиме абразивного изнашивания.
Композиционный износостойкий материал для изготовления триботехнических конструкционных изделий, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, состоящий из термопластичной матрицы и карбида кремния в качестве наполнителя, отличающийся тем, что содержание наполнителя - 10, 15, 20% по объему, в качестве матрицы использован полиоксиметилен марки MASCON POM 27.
