RU2454439C1

RU2454439C1 - Polymer material for tribotechnical purposes

Info

Publication number: RU2454439C1
Application number: RU2010148625/05A
Authority: RU
Inventors: Айталина Алексеевна Охлопкова (RU); Айталина Алексеевна Охлопкова; Сардана Афанасьевна Слепцова (RU); Сардана Афанасьевна Слепцова; Татьяна Семеновна Стручкова (RU); Татьяна Семеновна Стручкова
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-27
Also published as: RU2010148625A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to polymer wear-resistant material for tribotechnical purposes, used in high load and sliding speed conditions, particularly for making components of heavily loaded friction assemblies of machines and mechanisms. The polymer material contains polytetrafluoroethylene and carbon filler - thermal expanded graphite. Components are in the following ratio, wt %: thermal expanded graphite (TEG) 5.0-15.0, polytetrafluoroethylene (PTFE) - the balance.

EFFECT: use of the invention increases longevity and operating capacity of friction assemblies due to high wear-resistance and low frictional coefficient, determined by the structure of the composite material.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке антифрикционных полимерных композитов, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.The invention relates to the field of polymer materials science, namely to the development of antifriction polymer composites that can be used for the manufacture of sliding bearings and other elements of friction units operated under conditions of increased loads and sliding speeds.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но не могут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения вследствие недостаточной износостойкости, что снижает ресурс их работы.Composite materials are known for the manufacture of sliding bearings, mechanical seals and other elements of friction units based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and inorganic fillers of various chemical nature [Istomin NP, Semenov AP Antifriction properties of composite materials based on fluoroplastics. - M .: Nauka, 1987. - 147 p.]. The materials are known as self-lubricating antifriction with a low coefficient of friction, but cannot be operated under conditions of increased loads and sliding speeds due to insufficient wear resistance, which reduces the resource of their work.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является высоконаполненный композит Ф4К20 на основе ПТФЭ (80 мас.%) и кокса (20 мас.%) (прототип) (Паншин Ю.А. и др. Фторопласты. Л.: Химия, 1978, С.217-219).The closest in technical essence to the claimed material is a highly filled composite F4K20 based on PTFE (80 wt.%) And coke (20 wt.%) (Prototype) (Panshin Yu.A. et al. Fluoroplasts. L .: Chemistry, 1978, S.217-219).

Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется повышенным значением коэффициента трения, что существенно ограничивает области применения.Having high wear resistance, the material is characterized by an increased value of the coefficient of friction, which significantly limits the scope.

Технической задачей изобретения является снижение коэффициента трения композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении высокой износостойкости.An object of the invention is to reduce the coefficient of friction of a composite material based on PTFE while maintaining high wear resistance.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ терморасширенного графита (ТРГ) при следующем соотношении компонентов (мас.%):Achieving a positive effect is provided by the introduction of thermally expanded graphite (TEG) in PTFE with the following ratio of components (wt.%):

Терморасширенный графитThermally expanded graphite 5-155-15 ПолитетрафторэтиленPolytetrafluoroethylene остальное.rest.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) - промышленный продукт, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2170-2190 кг/м³, температурой плавления 327°С.Polytetrafluoroethylene (fluoroplast-4) is an industrial product obtained in accordance with GOST 10007-80, with a crystallinity of 95–98% before sintering, 50–70% after sintering, and a density of 2170-2190 kg / m ³ , melting point 327 ° С .

Терморасширенный графит на 98 мас.% состоит из элементарного углерода, на 2 мас.% из различных минералов [Информационный бюллетень по углеродным материалам (февраль). - М.: ФГУП «НИИграфит», 2003].98% by weight of expanded graphite consists of elemental carbon, 2% by weight of various minerals [Carbon Materials Newsletter (February). - M .: FSUE “NIIgrafit”, 2003].

Технология получения ТРГ заключается в термической обработке графита в муфельной печи при 950°С в течение 2-3 мин и последующем диспергировании на лопастном смесителе со скоростью вращения ротора 3000 об/мин.The technology for producing TWG is to heat the graphite in a muffle furnace at 950 ° C for 2-3 minutes and then disperse it on a paddle mixer with a rotor speed of 3000 rpm.

Полимерный композиционный материал получают путем смешения компонентов в лопастном смесителе с предварительной термообработкой графита.The polymer composite material is obtained by mixing the components in a paddle mixer with preliminary heat treatment of graphite.

Для получения композиции в ПТФЭ вводят ТРГ, помещая расчетную массу полимера и наполнителя в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Образцы готовились холодным прессованием в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С.To obtain a composition, PTG is introduced into PTFE, placing the calculated mass of polymer and filler in a high-speed mixer and mixing until a homogeneous mass is obtained. Samples were prepared by cold pressing in a mold at a pressure of 50 MPa, followed by free sintering at a temperature of 370 ± 5 ° C.

Сочетание ПТФЭ и терморасширенного графита позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, низким коэффициентом, при сохранении прочностных показателей по сравнению с прототипом.The combination of PTFE and thermally expanded graphite allows to obtain a composite material with high wear resistance, low coefficient, while maintaining strength characteristics compared to the prototype.

Пример. 85 г политетрафторэтилена, 15 г ТРГ смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию выдерживают в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещают в пресс-форму и проводят прессование изделия при удельном давлении 50 МПа, Спекание проводили в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.Example. 85 g of polytetrafluoroethylene, 15 g of TWG are mixed in a paddle mixer until a homogeneous mass is obtained. After mixing, the composition is kept in a heating cabinet at a temperature of 100-120 ° C for 1 h. Then the composition is placed in a mold and the product is pressed at a specific pressure of 50 MPa. Sintering was carried out in an electric furnace at a temperature of 370 ± 5 ° C. Sintered bodies were cooled directly in the furnace.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.Other examples of obtaining composite material of the claimed composition are shown in the table of examples.

Методики определения свойств композитаMethods for determining the properties of a composite

Прочностные свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» (Англия) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин. Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец-втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью 0,06-0,07 мкм. Результаты испытаний представлены в таблице.The strength properties of the inventive antifriction material are determined on standard samples (GOST 11262-80). The tests were carried out on an Instron machine (England) at a moving gripper speed of 100 mm / min. Tribological parameters are determined on a friction machine SMC-2 according to the "shaft-sleeve" scheme. The load is 67 N, the sliding speed is 0.39 m / s, the friction path is 7 km. The test sample is a sleeve with a diameter of 32-22 mm, a height of 21 mm, a counterbody - a steel shaft with a hardness of 45-50 HRC, a roughness of 0.06-0.07 microns. The test results are presented in the table.

Технико-экономическая эффективностьFeasibility

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет увеличить износостойкость в 1,50-1,75 раза и снизить коэффициент трения материала в 2-5 раза при сохранении прочностных характеристик относительно прототипа Ф4К20. Оптимальное содержание наполнителя составляет 5-15 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.Using the claimed invention, implemented on standard equipment, allows to increase the wear resistance by 1.50-1.75 times and reduce the coefficient of friction of the material by 2-5 times while maintaining the strength characteristics relative to the prototype F4K20. The optimal filler content is 5-15 wt.%. A further increase in the filler content leads to a decrease in strength and tribotechnical characteristics, an increase in the coefficient of friction.

Применение полимерного материала триботехнического назначения заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.The use of polymeric material of tribological purpose of the claimed composition will increase the service life of products in the friction units of machines and equipment.

ТаблицаTable Характеристики полимерного композиционного материала, наполненных терморасширенным графитомCharacteristics of a polymer composite material filled with thermally expanded graphite №№ п/п№№ СоставStructure Содержание компонентов, мас.%The content of components, wt.% Относительное удлинение при разрыве ε_p, %Elongation at break ε _p ,% Прочность при сжатии σ_сж, МПаCompressive strength σ _squ , MPa Интенсивность изнашивания I×10^-6, кг/чWear rate I × 10 ^-6 , kg / h Коэффициент трения fCoefficient of friction f 1.one. ПТФЭ+ТРГPTFE + TRG 9595 222222 2727 0,120.12 0,070,07 55 2.2. ПТФЭ+ТРГPTFE + TRG 9090 121121 2727 0,100.10 0,060.06 1010 3.3. ПТФЭ+ТРГPTFE + TRG 8585 109109 2727 0,080.08 0,050.05 15fifteen 4.four. ПТФЭ+ТРГPTFE + TRG 8080 8585 2626 0,130.13 0,080.08 20twenty 5.5. Ф4К20 (прототип)F4K20 (prototype) 8080 65-12065-120 18eighteen 0,140.14 0,15-0,300.15-0.30 20twenty

Claims

A tribotechnical polymer material containing polytetrafluoroethylene and a carbon filler, characterized in that it contains thermally expanded graphite as a filler, while the ratio of components is, wt.%:
thermally expanded graphite (TEG) 5.0-15.0 polytetrafluoroethylene (PTFE) rest