полимерный антифрикционный композиционный материал

Формула изобретения

Полимерный антифрикционный композиционный материал, состоящий из политетрафторэтилена, дисульфида молибдена, углеродного материала, измельченного в присутствии политетрафторэтилена до длины волокон 0,05-0,50 мм, отличающийся тем, что материал содержит второй углеродный наполнитель в виде порошка скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м² /г, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Политетрафторэтилен	81,5-87
Дисульфид молибдена	1,5-2,0
Скрытокристаллический графит	6,0-10,0
Углеродное волокно	4,0-7,0

Описание изобретения к патенту

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 (Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.), содержащие в качестве компонентов порошки кокса (Ф4К20), дисульфида молибдена (Ф4М15), стекловолокно (Ф4С15), кокс и дисульфид молибдена (Ф4К15М5). Известным материалам присущи недостатки, ограничивающие область их применения и снижающие надежность и долговечность узлов трения машин. Основными недостатками являются недостаточная механическая прочность и износостойкость известных композиционных материалов, предел прочности названных материалов находится в пределах 11-16 МПа.

Известен антифрикционный композиционный материал (А.С. №1812190 МПК C08J 5/16), который содержит, мас.%: политетрафторэтилен 80-82; дисульфид молибдена 1-3; порошок оловянно-свинцовистой бронзы 5-12 и углеродный наполнитель 5-12. Углеродный наполнитель представляет собой углеродное волокно длиной 0,05-0,50 мм, полученное из выдержанного в течение не менее 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка политетрафторэтилена до волокон указанной длины. Предел прочности материала при растяжении 22-24 МПа, скорость изнашивания при трении по стальному контртелу без смазки составляет 0,065-0,068 мг/ч при скорости скольжения 1 м/с, контактном давлении 3 МПа.

Этот материал наиболее близок по своей физической сущности к предлагаемому композиционному материалу, однако этому известному материалу также присущие недостатки, снижающие технический уровень, надежность и долговечность узлов трения и в целом машин, где применяются узлы трения, изготовленные с использованием этого материала. Кроме того, технология подготовки углеродного материала достаточно сложна и малопроизводительна (длительная обработка материала в жидком фреоне и последующая сушка). Также сложна и малопроизводительна технология подготовки порошка бронзы, предусматривающая длительную обработку его в водородной среде с целью восстановления окисленных в воздушной среде частиц бронзы. Обе операции (обработка углеродного материала и обработка порошка бронзы) выполняются с целью повышения активности и увеличения адгезионного взаимодействия компонентов материала, от которого зависят свойства композиционного материала.

Задача изобретения - повышение характеристик механических и износостойкости, а также снижение трудоемкости изготовления композиционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленный композиционный материал включает политетрафторэтилен 81,5-87%, дисульфид молибдена 1,5-2,0%, скрытокристаллический графит 6,0-10,0% с удельной поверхностью 50-75 м²/г и углеродное волокно 4,0-7,0% с длиной волокон 0,05-0,5 мм. При этом углеродное волокно перед измельчением не подвергается длительной обработке в жидком фреоне и последующей сушке, порошок бронзы не входит в состав компонентов, следовательно, исключается обработка порошка в водородной среде. Повышение механических свойств композиционного материала достигается благодаря высокой структурной активности нового компонента - скрытокристаллического графита вследствие большого значения удельной поверхности высокодисперсного порошка графита, выполняющего роль структурно-активного модификатора. Он активно влияет на структурообразующие процессы и способствует формированию аморфно-кристаллической плотноупакованной структуры с повышенными механическими и триботехническими свойствами.

Пример. Для изготовления композиционного материала берут политетрафторэтилен-фторопласт-4 марки ПН в количестве 84 мас.% от массы образца (заготовки), дисульфид молибдена ДМ - 2,0 мас.%, углеродное волокно с длиной волокон 0,05-0,5 - 4,0 мас.% и скрытокристаллический графит - 10 мас.% и смешивают в смесителе с частотой вращения ротора 2800-3000 мин ^-1. Композиционную смесь прессуют в пресс-форме при давлении 90-100 МПа и спекают при температуре 360±5°С с выдержкой при этой температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки заготовки. Нагревание материала до температуры спекания производят со скоростью 1,5-2,0 град/мин, охлаждение от температуры спекания до 327°С - со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до 20°С охлаждают вместе с печью.

Углеродное волокно с указанной длиной волокон получают, например, из карбонизованного углеволокнистого материала марок УРАЛ Т-10 или других марок. Названный материал разрезают на небольшие кусочки, например 3×3 см, и измельчают в мельнице в присутствии порошка фторопласта-4 до получения длины частиц волокна в пределах 0,05...0,5 мм. Измельчение производят, например, в течение 3-9 мин в мельнице с подовыми ножами при частоте вращения 7000 мин^-1.

Оценку степени повышения механических и триботехнических свойств предлагаемого композиционного материала и определение оптимального содержания компонентов производили путем изготовления и испытания образцов известного и предлагаемого материалов по технологии, описанной в примере. В таблице 1 приведены составы четырех композиций предлагаемого материала, состав прототипа и показатели механических (предел прочности) и триботехнических (скорость изнашивания, коэффициент трения) свойств материалов.

Таблица 1
Состав и свойства антифрикционных полимерных композиционных материалов
Композиция	Содержание, масс.%				Предел прочности , МПа	Скорость изнашивания, г/ч·10-4	Коэффициент трения
	У В	СКГ	MoS2	ПТФЭ
1	4	10	2	84	24,7	21,4	0,07
2	5	6	2	87	24,9	19,8	0,09
3	7	10	1,5	81,5	25,5	24,8	0,07
4	5,5	8,5	1,5	84,5	25,8	14,7	0,08
прототип	5	12*	3	80	22,5	36,4	0,12
* указано содержание бронзы.

Приведенные в таблице результаты показывают, что заявляемый полимерный композиционный материал имеет на 10-15% более высокие показатели предела прочности, в 1,5-2,0 раза меньшую скорость изнашивания и на 25-40% меньший коэффициент трения. Таким образом, заявляемый антифрикционный полимерный композиционный материал имеет соответственно более высокую износостойкость в зависимости от конкретного состава композиционного материала. Следовательно, применение заявленного материала для изготовления деталей узлов трения обеспечит повышение долговечности соответствующих узлов трения машин в 1,5-2,0 раза и снижение потерь мощности на трение до 40% при прочих равных условиях.