композиционный материал для триботехнических покрытий

Формула изобретения

Композиционный материал для триботехнических покрытий на основе полиамидной матрицы и углеродного наполнителя, отличающийся тем, что он содержит в качестве полиамидной матрицы модифицированный полиамид, представляющий собой порошкообразный продукт криогенного измельчения термомеханически совмещенной смеси полиамида 6 и полиэтилена в соотношении 10:10,1, а в качестве углеродного наполнителя смесь углеродных компонентов графитоподобной и алмазоподобной модификации и углеграфитового волокна в соотношении 1:1:201:1:40 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродный наполнитель 0,11-10,5

Модифицированный полиамид Остальное до 100

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления триботехнических покрытий деталей узлов трения машин и механизмов различного функционального назначения.

В современных конструкциях машин и механизмов широко применяют композиционные материалы, из которых изготавливают различные покрытия, в т.ч. противоизносные и антифрикционные. Такие покрытия разработаны на основе полимерных матриц различного состава и строения - полимерных, полиолефиновых, полиэфирных и т.п. В состав полимерных матриц вводят различные модификаторы - порошки сухих смазок, оксидов, металлов, силикатов и других веществ, которые изменяют прочностные, адгезионные, триботехнические, теплофизические характеристики [1] . Содержание дисперсных наполнителей в полимерной матрице составляет от 1 до 40%, что позволяет в широких пределах регулировать служебные характеристики композиционных материалов. Однако введение большого количества наполнителя затрудняет способность композиционного покрытия формировать однородные малодефектные покрытия на металлах. При малом содержании традиционных наполнителей не обеспечивается требуемый технический эффект.

Известны антифрикционные покрытия на основе полимерных матриц, главным образом полиамидных, в состав которых в качестве функциональной добавки введен порошкообразный полиолефин [2]. При повышении температуры в зоне трения полиолефин, имеющий более низкую температуру плавления, чем полиамид, образует на пятнах фактического контакта пленку расплава, обладающую свойствами смазки. Такие покрытия обеспечивают высокую износостойкость узлов трения, эксплуатируемых как без смазки, так и с внешней смазкой. Однако наличие в составе композиционного материала полиолефина в виде изолированной фазы резко снижает прочность адгезионного соединения с металлическими подложками. Поэтому требуются специальные методы подготовки поверхности металлических деталей для обеспечения необходимого уровня адгезионной прочности покрытий. Это существенно усложняет технологический процесс нанесения покрытий и увеличивает их стоимость.

Прототипом изобретения является композиционный материал на основе полиамида 11, в состав которого введены антифрикционные и противоизносные добавки [2]. Для обеспечения необходимой прочности адгезионного соединения покрытия с металлической подложкой последнюю обрабатывают раствором специального адгезива - праймера на основе олигомера эпоксидной смолы. После термообработки адгезива в диапазоне температур 280-350^oС в течение 5-20 мин формируется подслой, который обеспечивает химическое взаимодействие макромолекулы полиамида и металлической подложки. Недостатком прототипа является:

- отсутствие отечественного производства полиамида 11, что обуславливает необходимостью импорта данного компонента;

- недостаточно высокий уровень адгезии покрытия к модифицированным поверхностям;

- высокая энергоемкость технологического процесса нанесения покрытий и повышенная экологическая опасность, обусловленная применяемыми растворителями и продуктами деструкции праймера в процессе его термообработки;

- низкие триботехнические характеристики покрытий, особенно при трении без внешней смазки.

Задачи, на которые направлено изобретение:

- повышение триботехнических характеристик покрытий на основе полиамидов;

- обеспечение высокого уровня адгезионных характеристик покрытий на немодифицированных металлах.

Поставленные задачи решаются тем, что в качестве матрицы покрытия используют модифицированный полиамид, представляющий собой порошкообразный продукт криогенного измельчения термомеханически совмещенной смеси полиамида 6 и полиэтилена в соотношении 10:10,1, а в качестве углеродного наполнителя - смесь углеродсодержащих компонентов различных модификаций - графитоподобной, алмазоподобной и углеграфитового волокна в соотношении 1:1:201:1:40 при следующем содержании компонентов, мас.%:

Углеродный наполнитель - 0,11 - 10,5

Модифицированный полиамид - Остальное до 100

Составы композиционных материалов для триботехнических покрытий согласно прототипу [1] и изобретению приведены в таблице 1.

В качестве полиамида 11 использовали продукт, поставляемый фирмой ELF ATOCHEM, Франция, под торговой маркой Rilsan. В качестве полиэтилена низкого давления использовали порошкообразный продукт Каплен (Россия).

В качестве полиэтилена высокого давления использовали полиэтилен, производимый Новополоцким ПО "Полимир". В качестве свервысокомолекулярного полиэтилена использовали Хостален ГУР (GUR 4120) производства фирмы Вауеr.

Продукт криогенного измельчения на основе полиамида 6 получали следующим образом. Механическую смесь гранул полиамида 6 (Гродненский ПО Химволокно) и полиэтилена подвергали термомеханическому совмещению в экструдере шнекового типа при температурах 240-280^oС с последующей грануляцией. Полученные гранулы подвергали криогенному измельчению в мельнице роторного типа, используя в качестве криогенного агента жидкий азот. Полученную механическую смесь фракций отсеивали до получения продукта с размером частиц 80-100 мкм. В качестве углеграфитового волокна использовали волокно марки "Вискум" производства Светлогорского ПО "Химволокно". Волокно измельчали на мельнице дисмембраторного типа до получения фракции с размером 50-80 мкм. В качестве компонентов углеродного наполнителя использовали промышленный продукт марки УДАГ, выпускаемый ЗАО "Синта". Соотношение алмазоподобной и графитоподобной фракции в продукте УДАГ составляет 1:1. При необходимости в состав УДАГ вводят недостающее количество графитоподобной или алмазоподобной модификации. Дисперсность наночастиц продукта УДАГ составляла 310 нм.

Для получения составов композиционных материалов использовали полимерные порошки с размером частиц не более 100 мкм. Компоненты перемешивали в смесителе барабанного типа до получения однородного состава. Покрытия наносили методом псевдоожиженного слоя из воздушной взвеси композиционного материала. В качестве подложки использовали образцы из стали 60 ПП, предварительно обезжиренные и нагретые до температуры 250-280^oС. Подготовленные образцы помещали в механическую взвесь, в результате чего наблюдалось осаждение частиц композита и их оплавление с формированием покрытия. Полученные образцы исследовали по истечении 24 часов по общепринятым методикам. Триботехнические испытания проводили по схеме "палец-диск" при скорости скольжения 1 м/с и нагрузке 510 МПа. Покрытие наносили на торцовую часть металлического образца из стали 45. Испытания проводили без смазки и со смазкой маслом МС-20, которую подавали в зону трения с помощью фитиля. Адгезионную прочность покрытия оценивали методом отслаивания под углом 180^o.

Триботехнические и прочностные характеристики покрытий, полученных из композиционных материалов по прототипу и заявленным составам, приведены в таблице 2. Как следует из данных таблицы 2, заявленные составы в заявленном соотношении компонентов (составы II -IV, VIII, IX) превосходят прототип по прочностным и триботехническим характеристикам. Превышение заявленного содержания (состав V) не дает дополнительного эффекта, а уменьшение содержания (состав I) приводит к снижению эффекта. Применение вместо продукта криогенного измельчения термомеханической смеси ПЭНД+ПА6 механической смеси ПА11 и ПЭНД (состав VII) или механической смеси ПА6 и ПЭНД (состав VI) приводит к резкому снижению показателей прочностных и адгезионных характеристик. Отсутствие в составе наноразмерных частиц углерода (состав X) и замена их на частицы обычного графита (состав X) снижает прочностные и триботехнические характеристики покрытий на металлах.

Таким образом, заявленные составы в заявленном соотношении компонентов превосходят прототип по комплексу физико-механических, триботехнических и адгезионных характеристик.

Сущность изобретения состоит в следующем. Термомеханическое совмещение полиамида 6 и полиэтилена приводит к образованию сополимерного продукта, который обладает более высокой термодинамической совместимостью по сравнению с механической смесью компонентов в аналогичных соотношениях. Введение в состав полимерной матрицы наночастиц углерода обеспечивает дополнительное взаимодействие макромолекул ПА6 и полиэтилена вследствие ориентирующего действия собственных силовых полей. Ориентация приводит к образованию квазикристаллических структур в аморфной части полимерной матрицы, что увеличивает прочность композиции и адгезионное взаимодействие покрытия с металлической подложкой. Дополнительное введение в композит углеграфитового волокна упрочняет его и повышает триботехнические характеристики как при трении со смазкой, так и без смазки. Высокие показатели адгезионных характеристик присущи заявленным составам не только при нанесении их на модифицированную поверхность металла, но и на необработанную. Это позволяет формировать покрытие за один технологический цикл и резко снижает энергоемкость процесса.

Таким образом, заявленный состав обладает признаком изобретения по критериям технического и технологического эффекта.

Источники информации

1. Довгяло В. А. , Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника, 1992 - 256 с.

2. Designing for Rilsan coatings. - ELF ATOCHEM, Paris, 1999. -P. 18. - прототипв