АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к антифрикционным полимерным композиционным материалам, предназначенным для изготовления деталей смазываемых и несмазываемых узлов трения машин и агрегатов.

Известны антифрикционные полимерные композиционные материалы на основе политетрафторэтилена, например, антифрикционный композиционный материал (а.с. №1812190, МПК C08J 5/16, опубл. 30.04.1993). Он содержит политетрафторэтилен (ПТФЭ), порошки дисульфида молибдена, оловянно-свинцовой бронзы и углеродный наполнитель в виде углеродного волокна с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Углеродные волокна получают из выдержанного в течение 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка ПТФЭ до волокон указанной длинны.

Известным композиционным материалам присущи недостатки, ограничивающие область их применения и снижающие надежность и долговечность узлов трения машин. Основным недостатком является недостаточная износостойкость известных композиционных материалов. Кроме того, технология подготовки углеродного материала и порошка бронзы достаточно сложны и малопроизводительны (длительная обработка углеродного материала в жидком фреоне и последующая сушка, длительная обработка порошка бронзы в водородной среде для восстановления окисленных частиц бронзы), но необходимы для усиления адгезионного взаимодействия компонентов материала с полимерной матрицей.

Известен также полимерный антифрикционный композиционный материал (патент на изобретение №2307130 C1, МПК G08J 5/16, опубл. 27.09.2007), который содержит компоненты в следующем соотношении, масс.%: политетрафторэтилен - 81,5-87,0; дисульфид молибдена - 1,5-2,0; скрытокристаллический графит - 6,0-10,0; углеродное волокно - 4,0-7,0 с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Этот материал наиболее близок по своей физической сущности к предлагаемому композиционному материалу, однако этому известному материалу также присущи недостатки, снижающие надежность и долговечность узлов трения, изготовленных с использованием этого материала, поскольку его износостойкость остается недостаточно высокой и не удовлетворяет современным требованиям к надежности и долговечности узлов трения и машин в целом. Кроме того, технологии подготовки порошка бронзы и углеродного волокна с контролем длины его волокон достаточно сложны и трудоемки.

Техническим результатом изобретения является - повышение износостойкости, упрощение технологии и снижение трудоемкости изготовления изделий из композиционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в антифрикционном полимерном композиционном материале на основе политетрафторэтилена, содержащем углеродный наполнитель в виде порошка скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м²/г, согласно заявленному изобретению, вторым наполнителем служит нанопорошок двуокиси кремния (ГОСТ 18307-78), причем компоненты взяты в следующем соотношении масс. %: политетрафторэтилен 88-93%; скрытокристаллический графит 6-8%, двуокись кремния 1,0-4,0%.

Данное техническое решение позволяет исключить длительную и трудоемкую операцию подготовки и измельчения порошка бронзы.

Кроме того, упрощение технологии изготовления связано с исключением углеродного волокна из состава композиционного материала, поскольку предварительная подготовка углеродного волокна предусматривает выполнение ряда операций. Для получения углеродного волокна используют карбонизованный углеволокнистый материал (ткань) на гидратцеллюлозной основе. Ткань предварительно выдерживают в жидком фреоне не менее 48 часов, затем разрезают на небольшие кусочки размером не более 30×30 мм и помещают в мельницу для измельчения при частоте вращения ножей не менее 2800^-1 мин. Следовательно, степень упрощения технологии и снижения трудоемкости изготовления изделий из заявленного композиционного материала определяется трудоемкостью выше названных операций, которые отсутствуют в технологии производства изделий из заявленного материала.

Повышение износостойкости композиционного материала достигается благодаря чрезвычайно высокой структурно-энергетической активности нового наноразмерного порошка - компонента двуокиси кремния, выполняющего роль структурно-активного модификатора полимерной матрицы. Он оказывает существенное влияние на адгезионное взаимодействие компонентов, интенсивность образования центров кристаллизации и эффективность структурообразующих процессов, что способствует формированию более плотной аморфно-кристаллической структуры полимерного нанокомпозита с повышенными триботехническими свойствами.

Пример. Для изготовления композиционного материала берут политетрафторэтилен - фторопласт-4 марки ПН в количестве 90 мас. % от массы образца, скрытокристаллический графит - 8 мас. % и двуокиси кремния - 2,0 мас. % и смешивают в смесителе с частотой вращения ротора не менее 7000 мин^-1 в течение 2,0-2,5 мин. Композиционную смесь равномерно засыпают в пресс-форму и прессуют при давлении 90-100 МПа. Отпрессованную заготовку спекают в печи при температуре 360±5°C с выдержкой при названной температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки заготовки. Нагрев заготовок до температуры спекания производят со скоростью 1,5-2,0 град/мин, охлаждение от температуры спекания до 327°C - со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°C до 20-25°C охлаждают вместе с печью.

Оценку характеристик триботехнических свойств предлагаемого композиционного материала и определение оптимального содержания компонентов производили путем изготовления образцов предлагаемого материала по технологии, описанной в примере, и последующего испытания на трибометре. В таблице 1 приведены составы четырех композиций и показатели триботехнических свойств (скорость изнашивания, коэффициент трения) композиционных материалов, полученные при испытании трех образцов каждой композиции.

Приведенные в таблице результаты показывают, что заявленный полимерный композиционный материал имеет среднее значение скорости изнашивания 5,9·10^-4 г/ч и коэффициент трения 0,08.

В то же время прототип имеет средние показатели триботехнических свойств - 20,2·10^-4 г/ч и 0,078 (см. патент на изобретение №2307130). Таким образом, заявленный антифрикционный полимерный композиционный материал имеет меньшую в 3,4 раза среднюю скорость изнашивания при одинаковом с прототипом коэффициенте трения.»

Следовательно, применение заявленного материала, обладающего более высокой износостойкостью, обеспечит повышение надежности и долговечности соответствующих узлов трения машин минимум в 3 раза без увеличения потерь мощности на трение при прочих равных условиях.