антифрикционный композиционный полимерный материал

Формула изобретения

Антифрикционный композиционный полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей политетрафторэтилен и углеродсодержащую добавку, отличающийся тем, что композиция содержит в качестве углеродсодержащей добавки порошок шунгита в количестве 8-12% от массы композиции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства антифрикционных композиционных полимерных материалов (АКПМ) и может быть использовано при изготовлении опорных поверхностей узлов трения скольжения машин и механизмов, работающих как без смазывания, так и при смазывании жидким маслом.

Известен политетрафторэтилен (ПТФЭ) - синтетический полимерный продукт полимеризации тетрафторэтилена, который представляет собой материал, сочетающий хорошие антифрикционные и антикоррозионные свойства. В России этот продукт выпускается под названием фторопласт-4, или фторлон-4 (Ф-4 по ГОСТ 10007-80). Однако Ф-4 обладает повышенным износом и хладотекучестью под нагрузкой, что допускает его использование в качестве АКПМ лишь при малых нагрузках.

Износостойкость Ф-4 можно повысить введением наполнителей. В качестве наполнителей Ф-4 применяют кокс, графит, стекловолокна, угольные волокна, порошки бронзы, меди, свинца и их окислов, а также сочетаний указанных компонентов [1, 2]. Композиции Ф-4 с углеродными волокнами и графитом хотя и обладают наилучшими противоизносными свойствами, однако имеют высокую стоимость, а технология их изготовления более сложна, чем других композиций.

Из материалов на основе Ф-4 наибольшее применение в настоящее время получили материалы с различной концентрацией порошковых углеродных наполнителей, Так, в композиции RU 94011997 А1, С 08 J, 5/16 [3] предлагается материал для угольных вставок троллейбусных токоприемников, содержащий 40-50 мас.% углеродного наполнителя. Столь высокая концентрация в материале углеродсодержащего наполнителя связана с необходимостью передачи высокого напряжения. При этом в качестве наполнителя предлагается использовать коксы, коксовую муку, графиты, углеродные волокна, шунгиты и т.п. В то же время для использования таких композиций в узлах трения высокая концентрация наполнителя не обеспечивает оптимального сочетания антифрикционных и противоизносных свойств.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому материалу является композиция Ф-4К20 [ТУ-6-05-1412-76], содержащая 80% Ф-4 и 20% [4] каменноугольного кокса (здесь и далее указываются массовые проценты). Эта композиция обладает высокой износостойкостью, малой деформируемостью под нагрузкой и малой гигроскопичностью, в связи с чем она является предпочтительней для изготовления опорных поверхностей узлов трения, смазываемых водой. Основным недостатком Ф-4К20 является сравнительно высокий коэффициент трения (напр., при одинаковых контактных давлениях и аналогичных условиях трения по стали - в 2-3 раза выше, чем у Ф-4).

Введением углеродных наполнителей обычно достигают компромисса - теряют в антифрикционных свойствах, но при этом увеличивают износостойкость. Однако увеличение концентрации наполнителя возможно лишь в определенных пределах. Так, введение в Ф-4 свыше 20% наполнителя приводит к резкому уменьшению прочности композита.

Задачей изобретения является получение АКПМ, сочетающего низкий коэффициент трения Ф-4 и высокую износостойкость Ф-4К20 при достаточно низкой стоимости продукта.

Поставленная задача решается путем введения в качестве углеродсодержащей добавки в Ф-4 порошков природных шунгитов в количестве ˜10 мас.%. Шунгиты представляют собой минеральные вещества с плотностью 1,840-1,980 т/м³ . Нами использовались шунгиты Зажогинского месторождения.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА

Способ получения заявляемой композиции аналогичен способу получения материала Ф-4К20 и не требует использования дополнительного оборудования. При этом Ф-4 виде порошка (ГОСТ 10007-80, марка ПН) загружают в охлаждаемый смеситель и перемешивают в течение времени, необходимого для разрушения агломератов и получения однородного по структуре состава, поддерживая температуру не выше 30°С (в нашем случае - в течение 1-2 мин при скорости вращения смесителя 1800 мин ^-1). В полученный состав вводят порошок шунгита в количестве, обеспечивающем получение необходимой концентрации компонентов в материале и повторно перемешивают.

Затем смесь загружают в пресс-формы и прессуют при давлении 35±5 МПа. Полученное изделие выдерживают 8-12 ч и загружают в печь, нагреваемую со скоростью 40°/ч до 375±5°С. По достижении указанной температуры изделие выдерживают от 2 до 10 ч в зависимости от толщины изделия. Последующее охлаждение проводят в печи до 150°С (3-4 ч), а затем в комнатных условиях.

Испытания показали, что оптимальное содержание шунгита в Ф-4, обеспечивающее наилучшее сочетание антифрикционных и противоизносных свойств, составляет 10±2 мас.%. Испытания показали также, что наиболее перспективными областями применения предлагаемых АКПМ являются узлы трения машин, работающие без смазывания (сухое трение), а также при смазывании индустриальными маслами. Испытания проводились на базовых образцах фторопластов Ф-4 и композитов Ф-4К20 и полученных по указанной выше технологии опытных образцах фторопластов с содержанием шунгита 10 мас.% (материал Ф-4Ш10), 20 мас.% (материал Ф-4Ш20) и 30 мас.% (материал Ф-4Ш30).

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

Испытания проводились на стандартной машине трения 20070-СМТ-1. Образец фторопласта представлял собой плоскую прямоугольного сечения пластину толщиной 3 мм и шириной 12 мм, закрепленную в специальном держателе. Пластина контактировала с роликом из стали марки 18Х2Н4МА (ГОСТ 4543-71), вращающимся с частотой 400 мин^-1, что соответствовало линейной скорости скольжения 1 м/с. Рабочая цилиндрическая поверхность ролика шириной 16 мм, обработанная круглым шлифованием, имела шероховатость R_a=0,65 мкм. Во время испытания со смазыванием использовалась масляная ванна емкостью 300 мл, в которую на 6 мм была погружена рабочая поверхность вращающегося ролика. В качестве смазочного масла применяли индустриальное масло И-40А (И-Г-А-68 по ГОСТ 17479-87).

Испытания проводились при ступенчатом нагружении узла трения последовательно увеличивающимися на 100-200 Н нормальными нагрузками F_N в диапазоне 100-1600 Н. Продолжительность испытания при каждой нагрузке составляла 5 мин. Испытания выполнены по двум схемам, А и В, нагружения узла трения.

По схеме А начальный трибоконтакт между образцом и роликом осуществлялся по линии вдоль образующей цилиндрической рабочей поверхности ролика при нормальной нагрузке F_N =100 Н. Выработанная на первой ступени нагружения канавка использовалась для дальнейших испытаний по схеме А. При последующем ступенчатом повышении нагрузки размеры канавки износа увеличивались. Площадь канавки износа S_k, определенная в конце испытаний при нагрузке F_N (n), рассматривалась как площадь начального трибоконтакта S_н для последующей ступени нагрузки F_N(n+1). Соответственно, начальные Р_н и конечные Р_к давления на трибоконтакте определялись как Р_к=F_N(n)/S_k и Р_н =F_N(n+1)/S_н.

Ступенчатое нагружение каждого образца осуществляли до получения максимально возможного значения конечного давления в трибоконтакте , которое может рассматриваться как максимально допустимое рабочее давление для данного образца при заданных условиях смазывания.

Соответствующая нагрузка - максимальная нагрузка для узла трения - обозначена для принятого варианта испытаний. При испытаниях в условиях сухого трения количество ступеней нагружения ограничивалось значениями , при смазывании маслом - .

Таким образом, испытания по схеме А проводились в условиях интенсивного изнашивания и приработки трибоконтактов различной площади ступенчато увеличивающимися нагрузками.

Испытания по схеме В проводились путем ступенчатого нагружения трибоконтактов, ранее полученных при испытаниях по схеме А после всех ступеней нагружения (F_N от 100 до ). Трибоконтакты в этом случае были достаточно приработаны, вследствие чего их площади менялись незначительно, что позволяет получать зависимости трибологических характеристик от начальных давлений Р_н в приработанных трибоконтактах.

Во время испытаний с точностью до ±1% непрерывно регистрировался момент трения, по значениям которого рассчитывались коэффициенты трения и работа сил трения (энергопотери на трение). На каждой ступени нагрузки определялась ширина канавки износа, по которой рассчитывались площадь трибоконтакта S, объем изношенного материала V и глубина канавки износа h. Основные показатели, характеризующие влияние концентрации добавок фуллереновых саж к фторопластам на их антифрикционные и противоизносные свойства: для испытаний по схеме А - объемный износ V, средние коэффициенты трения f _C за цикл нагружения от 100 до , максимальные конечные давления в трибоконтактах Рк ^M; для испытаний по схеме В - значения средних за испытание коэффициентов трения f_c и линейных интенсивностей изнашивания I_h= h/L, где h - увеличение глубины канавки износа за испытание, L - путь трения.

Зависимости указанных показателей определяются для начальных давлений в трибоконтакте Р_н, по которым оценивается влияние добавок на антифрикционные и противоизносные свойства образцов, испытываемых по схеме В.

По каждому варианту проводилось от 3 до 6 испытаний. Значения трибологических показателей определялись как средние арифметические значения из всех испытаний. При этом относительные среднеквадратические ошибки лежали в пределах 5-10%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Результаты испытаний при сухом трении и смазывании маслом представлены в таблице. Как видно из приведенных данных, в условиях сухого трения работоспособность базового образца фторопласта Ф-4 весьма ограничена низкой несущей способностью (максимальное допустимое давление в трибоконтакте не превышает 2 МПа) и катастрофически большими для этого диапазона давлений интенсивностями изнашивания, на один-два порядка превышающими аналогичные показатели для других испытанных образцов.

С другой стороны, испытания при сухом трении базового образца Ф-4К20 показали возможность его работы при контактных давлениях свыше 9 МПа при существенно меньших, чем для Ф-4 интенсивностях изнашивания. В то же время интенсивности изнашивания и коэффициенты трения для Ф-4К20 являются достаточно высокими. Поэтому получение материалов на основе фторопластов с улучшенными антифрикционными и противоизносными свойствами, работающих в условиях сухого трения, является актуальной задачей. Эта задача может быть решена с помощью добавок шунгитов в Ф-4.

Как видно из таблицы, в условиях сухого трения фторопласты с шунгитами имеют лучшие показатели противоизносных и антифрикционных свойств, чем Ф-4К20, при практически одинаковых допустимых рабочих давлениях. При этом наилучшие показатели наблюдались для материала Ф-4Ш10. Так, в диапазоне давлений до 8 МПа для материала Ф-4Ш10 при одинаковых давлениях значения линейной интенсивности изнашивания I_h в среднем в 3,0-3,5 раза меньше, а коэффициент трения - в 1,2-1,4 раза меньше, чем для Ф-4К20.

При испытаниях в условиях смазывания маслом базовые материалы Ф-4 и Ф-4К20 показали работоспособность вплоть до давлений в трибоконтакте соответственно 11 МПа и 14 МПа. При сравнении конкретных трибологических характеристик этих материалов образцов видно, что I_h для Ф-4 в 3-7 раз больше, но f_C в 1,5-2,5 раза меньше, чем для Ф-4К20.

Испытания фторопластов с шунгитами при смазывании маслом показали, что материал Ф-4Ш10 превосходит базовые образцы как по несущей способности (до 16 МПа), так и по показателям антифрикционных и противоизносных свойств. Так, по сравнению с Ф-4 материал Ф-4Ш10 при одинаковых контактных давлениях имеет значения f_C в 1,4-1,6 раза меньше, а значения I_h - в 7-10 раз меньше; по сравнению с Ф-4К20 для Ф-4Ш10 значения f_C в 2,5-3,0 раза меньше, значения I_h в 1,5-2,0 раза меньше. Для материалов Ф-4Ш20 и Ф-4Ш30 меньшие значения f_C и I_h наблюдались лишь в диапазоне контактных давлений до 4 МПа.

Таким образом, антифрикционный композиционный полимерный материал, состоящий из Ф-4 и 10 мас.% шунгита (от общей массы композиции), обладает существенно лучшими показателями антифрикционных и противоизносных свойств, чем базовые образцы Ф-4 и Ф-4К20, что позволяет рекомендовать его в качестве АКПМ в узлах трения скольжения по стали, работающих без смазывания или при смазывании индустриальными маслами. Концентрация 10 мас.% шунгита в композиции является оптимальной в пределах±2%.

Следует отметить, что АКПМ на основе Ф-4 с добавками шунгитов не могут быть рекомендованы для работы в узлах трения, смазываемых водой.

Таблица. Трибологические характеристики образцов фторопластов, полученные при испытаниях по схемам А и В при трении скольжения по стали(скорость скольжения 1 м/с) без смазывания и при смазывании маслом И-40А. Р н - начальное давление на трибоконтакте; - максимальная нагрузка на узел трения; - максимальное конечное давление на трибоконтакте; V - объемный износ; fC - средний коэффициент трения; Ih - линейная интенсивность изнашивания.
Схема испытаний	Рн, МПа	Характеристика	Сухое трение					Смазывание маслом И-40А
			Ф-4	Ф-4 Ш10	Ф-4 Ш20	Ф-4 Ш30	Ф-4 К20	Ф-4	Ф-4 Ш10	Ф-4 Ш20	Ф-4 Ш30	Ф-4 К20
А	5-17	, Н	400	1000	1000	1000	1000	1600	1600	1000	1000	1400
		, МПа	2,0	8,5	9,3	10,5	9,7	11,6	16,3	10,5	7,4	14,8
		V, мм3	275	40,5	40,7	21,8	27,8	61,4	24,1	21,6	87,2	25,4
		fС, 10-3	281	219	226	227	207	26	24	46	65	50
В	1	fС·10 -3	345	360	410	440	512	17	10	42	21	46
		Ih·10 -8	68,5	0,5	0,9	1,1	1,6	0,6	0,1	0,6	2,1	0,2
	2	f C·10-3	318	368	460	486	494	18	13	31	37	43
		Ih·10 -8	3,4	-	1,1	-	-	-	0,8	0,7	0,6	1,1
	4	f C·10-3	-	261	348	376	378	19	14	22	72	39
		Ih·10 -8	-	1,3	2,6	3,3	4,7	3,2	0,3	1,3	27,1	0,6
	6	f C·10-3	-	197	252	281	272	20	13	22	78	33
		Ih·10 -8	-	1.6	3,4	3,8	5,3	5,2	0,4	2,2	49,8	0,8
	8	f C·10-3	-	179	210	222	228	21	13	37	-	30
		Ih·10 -8	-	1,9	3,7	4,1	5,9	7,7	0,6	6,4	-	1,1
	10	f C·10-3	-	-	-	180	-	22	15	64	-	43
		Ih·10 -8	-	-	-	4,3	-	10,2	0,7	129	-	1,6
	12	fC·10 -3	-	-	-	-	-	-	16	-	-	61
		I h·10-8	-	-	-	-	-	-	1,0	-	-	2,5
	14	fC·10-3	-	-	-	-	-	-	18	-	-	67
		I h·10-8	-	-	-	-	-	-	1,4	-	-	3,6
	16	fc·10-3	-	-	-	-	-	-	23	-	-	-
		I h·10-8	-	-	-	-	-	-	2,1	-	-	-