ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области композиционных полимерных материалов триботехнического назначения, содержащих наряду с полимерными связующими и целевые добавки, точнее к антифрикционным самосмазывающимся конструкционным термопластичным материалам, используемым в качестве антифрикционных деталей узлов трения, где жидкая смазка либо полностью отсутствует, либо осуществляется в крайне ограниченном количестве.

Наиболее эффективно предлагаемый материал может быть использован для изготовления подшипников скольжения, различных вкладышей, подмазывающих элементов, сепараторов подшипников качения, зубчатых колес и других деталей триботехнического назначения. Подобные изделия предназначаются для широкого промышленного использования и, в первую очередь, в автопромышленности, в прибороэлектропромышленности, в агрегатостроении и других отраслях для обеспечения продолжительной эксплуатации узлов трения при низком, устойчивом коэффициенте трения, минимальной температуре фрикционного нагрева, высокой износостойкости и отсутствии износа контртела.

Известен аналогичный полимерный термопластичный композиционный материал для использования в аналогичных целях, состоящий из полиамида-6, стекловолокна, графита и фторалкана [1].

Недостатком этого материала является наличие в составе большого количества стекловолокна, что хотя и приводит к повышению термофрикционной стабильности, но ухудшает смазывающие свойства композиции, имеет повышенную контактную температуру и не обеспечивает полностью отсутствие износа контртела (табл. 1, пример 16).

Известен и выпускается промышленностью аналогичный материал, который используется в аналогичных целях, состоящий из полиамида-6 и углеродного волокна [2].

Этот материал (табл. 1, пример 1) представляет собой термопластичный углеродопласт, который лишь в редких случаях может быть использован как самосмазывающийся антифрикционный материал сухого трения, поскольку в выбранных условиях испытаний он характеризуется резким возрастанием контактной температуры и коэффициента трения.

Известен полимерный термопластичный композиционный материал, выбранный в качестве прототипа по сходству состава, для использования в различных отраслях промышленности, работающий как антифрикционная самосмазывающаяся пластмасса в узлах сухого трения, состоящий из алифатического полиамида-6 в количестве, мас.ч. 59,5-80,75; углеволокнистого наполнителя 10,5-14,25; полиэтилена высокого давления 5-30 (таблица, пример 15) [3]. Как видно из таблицы, он имеет пониженный коэффициент трения - до 0,45 в выбранных условиях трения.

Недостатком материала по прототипу (таблица, пример 15) при проведении испытаний в соответствующих условиях является высокая (60°С) температура на фрикционном контакте, повышенное значение коэффициента трения (0,45) и резкое ухудшение физико-механических свойств углеродопласта при введении в состав полиэтилена.

Задача данного изобретения состоит в получении полимерной антифрикционной композиции, способной перерабатываться методом литья под давлением для получения конструкционного материала, обладающего высокой износостойкостью, отсутствием износа контртела, низким коэффициентом трения, эффектом самосмазывания наряду с высокими физико-механическими свойствами, что позволяет использовать его в качестве антифрикционных, самосмазывающихся конструкционных деталей разнообразных узлов сухого трения.

Поставленная задача достигается тем, что полимерная композиция для антифрикционного материала на основе полиамида-6 и полиэтилена, содержащая углеродный волокнистый наполнитель отличается тем, что дополнительно содержит фторсодержащую добавку, выбранную из класса фторспиртов и порошкообразный технический углерод при следующем соотношении компонентов (в массовых частях):

Полиамид-6 75-45

Полиэтилен высокого давления 8-17

Углеродное волокно 10-40

Технический углерод 4-8

Фторсодержащая добавка класса фторспиртов 0,08-0,3

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что композиция дополнительно содержит порошкообразный технический углерод и фторсодержащую добавку, выбранную из класса фторспиртов, в качестве термопластичного полимера используют полиамид-6 и полиэтилен высокого давления, в качестве аримирующего наполнителя - углеродное волокно, полученное из полиакрилонитрила либо из гидратцеллюлозы.

Из предлагаемой антифрикционной композиции могут быть получены изделия со стабильными показателями методом литья под давлением, а также другими методами переработки конструкционных термопластов (литьевое, компрессионное прессование, пресс-литье и т.д.).

В качестве связующих термопластов используются:

- полиамид-6 (поли-эксилон-капролактам, -HN(CH₂)₅CO-);

- полиэтилен высокого давления, например, марки 15813.

Вышеуказанные полимеры широко применяются в промышленности.

В качестве армирующего наполнителя используется углеродное волокно, выпускаемое промышленностью из полиакрилонитрила (УКН, УК) и вискозы (УВИС). Волокна получают высокотемпературной обработкой (1300-2200°С) полиакрилонитрильных или гидратцеллюлозных волокон. Углеродные волокна имеют лучшие антифрикционные свойства по сравнению с другими типами неорганических волокон (такими как стекловолокно, базальтовое волокно, борное волокно, металлические волокна). Наряду с этими преимуществами волокна имеют высокие физико-механические показатели (см. таблицу), практически во всех исследованных примерах превосходящие свойства прототипа по пределу прочности при изгибе (σ_изг), модулю упругости (Е_упр.) и ударной вязкости (А).

Используемые добавки: порошкообразный технический углерод и фторсодержащие спирты также выпускаются промышленностью. Используемый порошкообразный технический углерод выпускается под марками П-234 и П-245 Фторированные спирты химической формулы H(CF₂-CF₂)_nCH₂ОH, где n - 2-4 выпускается АО “Галоген” Пермь по ТУ 301-14-1-89.

Пример

6,2 кг гранулированного полиамида-6 загружают в смеситель типа “пьяная бочка” для перемешивания сыпучих веществ и смешивают с 1,2 кг гранулированного полиэтилена высокого давления, 0,6 кг технического углерода марки П-234 и 0,01 кг фторсодержащей добавки, выбранной из класса фторспиртов с n=4. После перемешивания, при скорости 30 об/мин в течение 0,5 часа, полученная смесь загружается в бункер экструдера. Экструдирование смеси производится в двухшнековом экструдере фирмы “Вернер - Пфляйдерер” типа ZSK-30 при температурах по зонам от 200 до 260°С (температура сопла 260°С). Углеродное волокно типа “УКН”, полученное из полиакрилонитрила, в виде непрерывной нити подается во вторую зону экструдера из расчета 2,0 кг на выбранную массу суммы компонентов. Полученный экструдат гранулируют, а затем перерабатывают методом литья под давлением на стандартных литьевых машинах при температуре 250°С. Получают изделия, представляющие собой стандартные образцы для определения физико-механических и трибологических характеристик (бруски, лопатки, диски).

При определении физико-механических характеристик получены следующие результаты:

- предел прочности при изгибе на универсальной разрывной машине фирмы “Инстрон” - 162 Мпа;

- модуль упругости при изгибе - 7,9 ГПа;

- ударная вязкость по Шарпи на маятниковом копре - 35 кДж/м².

Определение коэффициента трения и контактной температуры проводили с использованием дисков диаметром 50 мм на машине торцевого типа при скорости скольжения 1 м/с и нагрузке 0,1 МПа по контртелу из стали 3Х13. Схема торцевого трения: диск диаметром 50 мм по стальной втулке диаметром 22×12 мм. При 6-часовых испытаниях контактная температура поднимается до 50°С, а коэффициент трения находится в пределах 0,3-0,35.

Таким образом, эффективность предлагаемого изобретения заключается в создании износостойкого, конструкционного, антифрикционного, самосмазывающегося, армированного углеродными волокнами материала на основе полиамида-6 и полиэтилена высокого давления, в котором благодаря использованию порошкообразного технического углерода и добавок класса фторсодержащих спиртов удается обеспечить сочетание высоких трибологических и физико-механических показателей. Ранее, как показано на примере прототипа, подобные свойства оказывались недостижимыми.

В таблице (примеры 1-13) приведены конкретные примеры заявляемой полимерной композиции в зависимости от используемого полимерного связующего сравнительно со свойствами прототипа.

Полученные показатели свойств зависят от всей суммы используемых компонентов. Так, такой показатель, как коэффициент трения, зависит как от количества фторсодержащей добавки, как показывает сравнение примеров 1 и 2, так и от содержания полиэтилена и других компонентов, которое, как показывают примеры 10 и 11, должно быть оптимизировано во избежание значительного повышения коэффициента трения.

Как видно из таблицы, предлагаемый материал заметно превосходит прототип по антифрикционным показателям. Так, коэффициент трения у предлагаемого материала 0,25-0,35, в то время как у прототипа 0,45.

Особенно заметна разница в контактной температуре в предлагаемом материале и прототипе (45 и 60°С соответственно) и в физико-механических характеристиках, где у предлагаемого материала заметное превосходство в модуле упругости и значении предела прочности при изгибе.

При увеличении количества наполнителей выше предельных характеристик материал теряет технологичность, при снижении ухудшаются прочностные свойства материала.

Таким образом, по ряду важных для эксплуатации показателей предлагаемый материал заметно превосходит прототип.

Сочетание в предлагаемом материале высоких трибологических показателей (коэффициент трения, контактная температура, износ) с высокими физико-механическими характеристиками (модуль упругости, прочность при изгибе, ударная вязкость) и хорошей технологичностью (возможностью переработки литьем под давлением) обеспечивает его успешное применение в качестве деталей разнообразных узлов сухого трения для изготовления подшипников скольжения, сепараторов подшипников качения, зубчатых колес, смазывающих и ограничительных деталей и т.д. в различных отраслях техники (автомобилестроение, приборная, агрегатная промышленность, бытовая техника и т.д.).

Литература.

1. А.С. 1427798; (51) С 08 L 77/02, 01.06.88.

2. ТУ 2253-002-18070047-00. Полиамиды углеволокнистые.

3. Патент России 2130470 от 10.11.1997 “Полимерная композиция”.