КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к композиционному полимерному антифрикционному материалу на основе полиамида, используемому для изготовления изделий различного трибологического назначения, например подшипников скольжения, применяемых в машиностроении, автомобилестроении, химической и в других отраслях машиностроения, а также для изготовления изделий для тормозной системы рельсового пассажирского или грузового транспорта, в том числе вагонов метрополитена, эксплуатирующихся без использования смазки.

Известен композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, содержащий в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном (см. патент РФ №2441787, МПК В61Н 13/34, F16С 33/04, 10.02.2012 г.).

Однако известный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида при своем использовании в изделиях трибологического назначения имеет следующие недостатки:

- недостаточный срок службы из-за высокого суммарного износа в паре трения,

- недостаточная стабильность коэффициента трения (0,66-0,72) при трении по материалу контр-тела из стали 40Х,

- повышенную интенсивность линейного изнашивания при трении по материалу контр-тела из стали 40Х (5×10^-5 мкм/км),

- недостаточным разрушающим напряжением при растяжении (160 МПа).

Задачей изобретения является разработка композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида.

Техническим результатом является повышение срока службы изготовленных из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида изделий различного трибологического назначения за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, повышение стабильности коэффициента трения при трении по материалу контр-тела из стали 40Х, повышение разрушающего напряжения при растяжении, сохранение ударной вязкости по Шарпи на образцах без надреза при одновременном сохранении заданного предела прочности при сжатии, а также низкого коэффициента трения при повышении его стабильности.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, содержащий в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, при этом композиционный полимерный антифрикционный материал дополнительно содержит хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина от 1 до 70 мкм, при этом в качестве полиамида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полиамид 6, или Капролон B, или Эрталон, содержание стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 3,48 до 10,5 мас.%, при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:

При этом в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна. При этом углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута, или рубленого жгута, или рубленой ленты, а стекловолокно используют в виде рубленой нити, при этом длина рубленых жгута или ленты углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна выбрана от 1 мм до 48 мм.

Среди существенных признаков, характеризующих предложенный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, отличительными являются:

- дополнительное содержание в композиционном полимерном антифрикционном материале хаотично расположенных углеродных нанотрубок в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 штук или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70 штук,

- выбор внешнего диаметра углеродных нанотрубок от 0,1 до 100 нм, а их длины от 1 до 70 мкм,

- использование в качестве полиамида основы композиционного полимерного антифрикционного материала полиамида 6, или Ka-пролона B или Эрталона,

- выбор содержания стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала от 3,48 до 10,5 мас.%,

- выбор следующего количественного содержания компонентов, мас.%:

- использование в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала углеродного волокна, полученного из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна,

- использование углеродного волокна композиционного полимерного антифрикционного материала в виде жгута, или рубленого жгута, или рубленой ленты, а также использование стекловолокна в виде рубленой нити,

- выбор длины рубленых жгута или ленты углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна от 1 мм до 48 мм.

Экспериментальные испытания изготовленных из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида изделий различного трибологического назначения в составе пары трения с контр-телом из стали ст.40Х с твердостью 32-38 HRC, показали их высокую эффективность. Было установлено, что повышен срок службы предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида 16-18%, при этом износ слоя скольжения предложенного материала при трении по полированной стальной паре из стали 40Х составил 1×10^-7 - 7×10^-8 мкм/км, сохранена ударная вязкость по Шарпи на образцах без надреза на уровне 45-55,8 кДж/м², сохранен предел прочности при сжатии на уровне 160-180 МПа и одновременном повышении разрушающего напряжения при растяжении до 174-201 МПа. Одновременно установлено, что предложенный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида имеет коэффициент трения при трении по полированной поверхности контр-тела из стали 40Х с твердостью 32-38 HRC в пределах 0,11-0,16, при этом достигнуто повышение стабильности коэффициента трения до 0,89-0,92.

В таблице 1 представлены экспериментальные составы предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, использованного для изготовления изделий различного трибологического назначения, а в таблице 2 показаны штатные характеристики изделий трения.

Исследование ударной вязкости проводилось на маятниковом копре по методу Шарпи на образцах типа 2 без надреза по ГОСТ 4647-80. Исследования характеристик трения (характеристики трибологии) предложенных втулок рычажной тормозной системы рельсового транспорта проводились на машине трения УМТ 2168.

Технология изготовления изделий из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида с рабочими поверхностями скольжения не требует для своего использования специфического технологического оборудования и включает в себя литье под давлением в литьевой машине изделий заданных геометрических форм.

Изготовленные из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида детали трения по сравнению с известным композиционным полимерным антифрикционным материалом-прототипом имеют увеличенный эксплуатационный ресурс за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания рабочего слоя скольжения при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, обладают ударной вязкостью по Шарпи на образцах без надреза на уровне 45-55,8 кДж/м, пределом прочности при сжатии на уровне 160-180 МПа и одновременно повышенным разрушающим напряжением при растяжении до 174-201 МПа. Кроме того, предложенные изделия характеризуются повышенной стабильностью коэффициента трения при трении по материалу контр-тела стали 40Х при одновременном сохранении низкого коэффициента трения и предела прочности при сжатии.