СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области получения антифрикционных материалов с покрытиями на основе фтортеломеров алкилкетонов, которые могут быть использованы в узлах трения и в составах смазочных композиций для тяжелонагруженных узлов машин и механизмов.

Тонкодисперсные порошки веществ, имеющих низкое значение коэффициента трения, широко используются в качестве антифрикционных добавок в составе различных смазочных материалов. В частности, в этом качестве используются различные титанаты калия (смотри, например, патент РФ на изобретение №2420459, МПК C01G 23/00, C01D 13/00, опубл. 14.10.2009 г.). Однако при низком значении коэффициента трения, этот вид добавок вызывает довольно большой износ трущихся поверхностей в начальный период эксплуатации, что нежелательно при текущем смазывании узлов трения машин и механизмов.

Этого недостатка лишены смазочные композиции с добавками политетрафторэтилена (ПТФЭ), получаемого различными способами. Например, известен способ получения ультрадисперсного фторорганического материала (политетрафторэтилена), включающий термодеструкцию политетрафторэтилена при 480-540°C в среде газов, выделяющихся в процессе термодеструкции термодинамически пригодных для окисления политетрафторэтилена кислородсодержащих соединений, и последующее охлаждение и конденсацию продуктов термодеструкции, при этом в качестве кислородсодержащих соединений используют соединения, выбранные из группы, включающей воздух, кислород, их смеси, оксиды или пероксидные соединения элементов I, II, III, IV групп Периодической системы, в количестве 3-15 мас.% в пересчете на кислород, а охлаждение и конденсацию продуктов осуществляют одновременно путем их пропускания в растворитель (см. патент РФ на изобретение №2212418, МПК C08F 114/26, C08F 14/26, C08L 27/18, опубл. 20.09.2003 г.).

Недостатками известного способа является то, что получаемые с его помощью частицы политетрафторэтилена имеют средний размер около 1 микрона (1,0±0,5 мкм), что на практике является недостаточным для образования в жидких средах дисперсии, устойчивой к седиментации. Кроме того, известный способ сложен в аппаратурном оснащении, а полученный с его помощью продукт нуждается в отмывании от щелочи и образовавшихся фторидов либо, при использовании продукта вместе с растворителем, служащим средой конденсации, практически во всех случаях требует отфильтровывания избытка растворителя, что приводит к усложнению способа.

Известна пластичная смазка, содержащая перфторполиэфир и загуститель, при этом в качестве перфторполиэфира смазка содержит продукт сополимеризации тетрафторэтилена с кислородом (ФЭН), в качестве загустителя - органосиликагель, представляющий собой триметилсилилпроизводное геля кремневой кислоты, и дополнительно содержит тефлон Т-4-95 (фторполимер) и алкиламинную соль перфторполиоксаалкилкарбоновых кислот при следующем соотношении компонентов (масс.%): органосиликагель (2,0-3,6); тефлон Т-4-95 (1,3-3,0); алкиламинная соль перфторполиоксаалкилкарбоновой кислоты (0,2-0,4); перфторполиэфир ФЭН (до 100) (см. патент РФ на изобретение №2412981, МПК C10M 169/06, С10М 105/54, C10M 147/02, С10М 113/16, С10М 129/26, опубл. 27.02.2011 г.).

Недостатком известной пластичной смазки является применение порошка фторопласта как антифрикционной добавки, имеющей низкую нагрузочную способность, что не позволяет использовать композиции на его основе в тяжелонагруженных узлах трения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является известный способ получения термостойких покрытий на основе фтортеломеров алкилкетонов, включающий нанесение полимерсодержащего компонента на подложку с последующей термообработкой; при этом на подложку различной природы, конфигурации и микроразмеров наносят химически чистый раствор теломера, молекулы которого имеют количество звеньев в цепи n=6-20, а термообработку ведут при температуре 180-200°C до получения качественного, сплошного покрытия с различной термостойкостью в зависимости от длины цепи n теломера (см. патент РФ на изобретение №2381237, МПК C08F 114/26, C08F 2/38, C08F 2/54, C09D 127/18, опубл. 10.02.2010 г.).

Недостатком известного способа является относительно высокая температура нанесения, которая при нанесении покрытия на метастабильные материалы приводит к структурным изменениям поверхностного слоя подложки, что вызывает отслаивание покрытия от подложки.

Основной задачей данного изобретения является получение антифрикционного материала в виде ультрадисперсного порошка имеющего слоистую структуру, например порошка титаната калия, с покрытием на основе фтортеломеров алкилкетонов, которое не отслаивается от подложки (базовый антифрикционный материал), обеспечивает увеличение гидрофобности базового антифрикицонного материала и улучшает его трибологические свойства.

Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является улучшение трибологических свойств за счет снижения и стабилизации значения коэффициента трения порошка антифрикционного материала, используемого в качестве добавки к смазочным материалам.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения антифрикционного материала, который включает нанесение полимерсодержащей композиции на поверхность базового материала из раствора, последующую термообработку и высушивание. Новым является то, что в качестве базового материала используют ультрадисперсный порошок титаната щелочного металла, имеющего слоистую структуру, а в качестве полимерсодержащей композиции - раствор фтортеломеров алкилкетонов; при этом порошок базового материала помещают в раствор теломера и проводят нанесение покрытия на его поверхность в течение интервала времени 10-600 минут под давлением не менее 10 МПа и температуре 45-150°C, а последующее высушивание - при температуре не менее 50°C. При этом в качестве базового материала используют титанат калия.

При использовании антифрикционной добавки порошка материала с покрытием, полученного согласно заявляемому способу, в составе различных смазок, снижение коэффициента трения носит долговременный характер и не сопровождается абразивным действием со стороны ультрадисперсного порошка на протяжении первых нескольких часов работы смазываемого узла трения; что характерно для использования ультрадисперсных порошков титанатов калия, не имеющих покрытия, и соответствует требованиям к притирочным смазкам, но не к смазкам, предназначенным для текущего обслуживания работающих машин и механизмов. Наличие на поверхности частиц титаната щелочного металла покрытия на основе фтортеломеров алкилкетонов обеспечивает низкое значение коэффициента трения в период непосредственно после введения смазки на ее основе в узлы трения машин и механизмов. В дальнейшем, даже при использовании данной смазки в условиях повышенных нагрузок под давлением поверхность ультрадисперсных частиц титаната калия освобождается от покрытия на основе фтортеломеров постепенно. При этом частицы титаната калия не оказывают существенного абразивного эффекта, и процесс суперфинишной обработки трущихся поверхностей значительно растягивается во времени, что приводит к стабильно низкому значению величины коэффициента трения в смазываемом узле.

Кроме того, наличие фторсодержащей пленки на поверхности титаната калия придает ей гидрофобные свойства, снижает поступление влаги в смазочную композицию и обеспечивает антикоррозионный эффект.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На поверхность базового антифрикционного материала, имеющего слоистую структуру, в частности титаната щелочного металла, например - титаната калия, наносят полимерсодержащую композицию; при этом порошок базового материала помещают в раствор фтортеломера алкилкетонов и приготавливают смесь, проводят гомогенизацию образующейся суспензии как механическим, так и ультразвуковым методами. Затем проводят последующую термическую обработку в автоклаве, размещенном в термостате, под давлением не менее 10 МПа, при температуре 45-150°C; при этом экспозицию образца в автоклаве проводят в течение периода времени 10-600 мин, в зависимости от температуры, затем вынимают полученную смесь из автоклава, осуществляют ее гомогенизацию (перемешивание), и последующее высушивание до постоянной массы при температуре не более 50°C.

Нанесение покрытия из раствора упрощает технологию получения пленок на базовом материале, так как раствор может храниться практически неограниченное время в герметично закрываемом сосуде в диапазоне существования жидкой среды растворителя. Важным фактором является и то, что термическая обработка после нанесения раствора по предлагаемому способу составляет 50-150°C вместо 180-200°C, используемого в прототипе.

Давление, создаваемое в автоклаве при обработке дисперсии базового порошка-субстрата в растворе фтортеломера алкилкетонов должно составлять не менее 10 МПа, при более низких давлениях, наблюдается тенденция отслаивания покрытия от поверхности субстрата на начальных стадиях функционирования узла трения со смазкой на основе синтезируемой антифрикционной добавки.

Ввиду того, что оптимальная толщина пленки, достаточная для улучшения трибологических свойств базового порошка-субстрата, составляет 0,1-0,3 мкм, то время обработки для нанесения покрытия при 150°С составляет всего 10 минут, что очень важно при нанесении пленок на материалы, чувствительные к воздействию высоких температур, а также при нанесении пленок в нестационарных условиях с использованием портативных средств нагрева. При этом увеличение температуры обработки снижает время, необходимое для получения покрытия требуемой оптимальной толщины. При 150°C оно составляет всего 10 минут, а при 50°C - увеличивается до 10 ч (600 минут). По этой причине использование температуры обработки ниже 50°C - нецелесообразно в связи с увеличением необходимого времени обработки до 20-25 ч, что экономически неэффективно. Использование температуры обработки в автоклаве выше 150°C резко снижает адсорбцию фтортеломера алкилкетонов на поверхности базового порошка-субстрата и приводит к формированию неоднородного покрытия на частицах порошка-субстрата. Вследствие этого, режим обработки при Т>150°C - нежелателен, так как приводит к существенном разбросу трибологических свойств синтезируемой антифрикционной добавки в различных партиях продукции, что неприемлемо для коммерческого продукта.

Высушивание полученного порошка с покрытием при температуре ниже 50°C неэффективно, так как не позволяет избавиться от органического растворителя, перешедшего в продукт в ходе обработки из раствора фтортеломера.

Пример. Получение антифрикционной добавки с использованием титанатов калия с покрытием на основе фтортеломеров алкилкетонов.

В качестве основы для получения антифрикционной добавки использовали ультрадисперсный (средний размер частиц 0,56 мкм) порошок рентгеноаморфного титаната калия (ТК), синтезированный при обработке порошка TiO₂ в нитратно-гидроксидном расплаве и имеющий химический состав, соответствующий формуле K₂O·4,2TiO₂. Порошок титаната калия в количестве 5 г заливали раствором фтортеломеров алкилкетона, в качестве которых использовали теломеры тетрафторэтилена, полученные следующим образом: в дегазированный ацетон вводили тетрафторэтилен в количестве 0,5 г на 100 г растворителя и, для протекания реакции теломеризпации, облучали при комнатной температуре потоком гамма-квантов от источника ⁶⁰Co дозой 20 кГр.

Образующуюся суспензию интенсивно перемешивали как механическим, так и ультразвуковым методами и помещали в автоклав, где проводили обработку под давлением 10 МПа в течение 10 мин при температуре 100°C или в течение 60 минут при температуре 150°C.

По завершении обработки полученный продукт вынимали из автоклава и после перемешивания в течение 10 минут высушивали до постоянного веса при температуре 50°C.

В обеих сериях экспериментов привес полимера на порошке ТК составлял 3,7±0,3 масс.%, что в пересчете на удельную поверхность ТК давало значение толщины полимерного покрытия 0,28±0,03 мкм.

Смазочную композицию с использованием добавки титанатов калия с покрытием на основе фтортеломеров алкилкетона получали путем простого механического перемешивания ультрадисперсного порошка модифицированного полититаната калия в базовом масле, в качестве которого использовали синтетические масла марки И-20 и марки М-40 с использованием устройства перемешивания пластичных смазок УППС-1.

Трибологические свойства полученных смазочных композиций изучали на четырехшариковой машине трения МТУ-1М согласно ГОСТ 9490-75. При этом проводилось сопоставление диаметра пятна износа и равновесного значения момента силы трения, достигаемых в течение 1 ч испытаний. Следует отметить, что порошки антифрикционной добавки, имеющие примерно одинаковую толщину полимерного покрытия на поверхности ТК, имели совпадающие в пределах погрешности измерений свойства.

Сравнительные данные по результатам испытаний приведены в таблице 1.

Полученные результаты показывают, что заявляемая антифрикционная добавка на основе покрытого фтортеломерами алкилкетона нанопорошка титаната калия придает более высокие трибологические характеристики смазочным композициям на основе минеральных масел. При этом, в сравнении с действием аналогичных добавок чистого ТК и чистого политетрафторэтилена (ПТЭФ), в течение начального периода работы пары трения (1 ч) снижается и величина коэффициента трения (улучшаются антифрикционные свойства добавки) и величина диаметра пятна износа (улучшаются противоизносные свойства добавки).

Трибологические свойства порошков, полученных при нанесении покрытия под давлением 10 МПа в течение 10 мин при температуре 100°C и в течение 60 минут при температуре 150°C, совпадают в пределах погрешности эксперимента и определяются только толщиной слоя полученного покрытия на основе фтортеломеров алкилкетона, в обоих случаях составлявшего 0,28±0,03 мкм.

Таким образом, формирование фторсодержащей пленки фтортеломеров алкилкетонов на поверхности полититаната согласно заявляемому способу улучшает комплекс трибологических свойств смазочных композиций, в которые вводится полученная добавка.