Изобретение относится к области материаловедения, в частности к антифрикционным полимерным композиционным материалам, предназначенным для изготовления деталей смазываемых и несмазываемых узлов трения машин и агрегатов.The invention relates to the field of materials science, in particular to antifriction polymer composite materials intended for the manufacture of parts of lubricated and non-lubricated friction units of machines and assemblies.
Известны антифрикционные полимерные композиционные материалы на основе политетрафторэтилена, например, антифрикционный композиционный материал (А.С. №1812190 МПК C08J 5/16). Он содержит политетрафторэтилен (ПТФЭ), порошки дисульфида молибдена, оловянно-свинцовой бронзы и углеродный наполнитель в виде углеродного волокна с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Углеродные волокна получают из выдержанного в течение 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка ПТФЭ до волокон указанной длины.Known antifriction polymer composite materials based on polytetrafluoroethylene, for example, antifriction composite material (AS No. 1812190 IPC C08J 5/16). It contains polytetrafluoroethylene (PTFE), molybdenum disulphide, tin-lead bronze powders and a carbon filler in the form of a carbon fiber with a fiber length of 0.05-0.5 mm. Carbon fibers are prepared from carbonized carbon fiber material aged 48 hours in liquid freon, dried and ground in the presence of PTFE powder to fibers of the specified length.
Известным композиционным материалам присущи недостатки, ограничивающие область их применения и снижающие надежность и долговечность узлов трения машин. Основным недостатком является недостаточная износостойкость известных композиционных материалов. Кроме того, технология подготовки углеродного материала и порошка бронзы достаточно сложна и малопроизводительна (длительная обработка углеродного материала в жидком фреоне и последующая сушка, длительная обработка порошка бронзы в водородной среде для восстановления окисленных частиц бронзы), но необходима для усиления адгезионного взаимодействия компонентов материала с полимерной матрицей.Known composite materials have inherent disadvantages that limit their scope and reduce the reliability and durability of the friction units of machines. The main disadvantage is the insufficient wear resistance of known composite materials. In addition, the technology for preparing the carbon material and bronze powder is quite complex and inefficient (long-term processing of carbon material in liquid freon and subsequent drying, long-term processing of bronze powder in a hydrogen medium to restore oxidized bronze particles), but it is necessary to enhance the adhesive interaction of the material components with polymer matrix.
Известен также полимерный антифрикционный композиционный материал (Патент на изобретение №2307130 С1), который содержит компоненты в следующем соотношении, масс. %: политетрафторэтилен - 81,5-87,0; дисульфид молибдена - 1,5-2,0; скрытокристаллический графит - 6,0-10,0; углеродное волокно - 4,0-7,0 с длиной волокон 0,05-0,5 мм. Этот материал наиболее близок по своей физической сущности к предлагаемому композиционному материалу, однако этому известному материалу также присущи недостатки, снижающие технический уровень, надежность и долговечность узлов трения и в целом машин, где применяются детали узлов трения, изготовленные с использованием этого материала, поскольку его износостойкость остается недостаточной и не удовлетворяет современным требованиям к надежности и долговечности узлов трения и машин в целом. Кроме того, технология подготовки углеродного волокна и контроля длины волокон достаточно сложна и трудоемка.Also known polymer antifriction composite material (Patent for the invention No. 2307130 C1), which contains components in the following ratio, mass. %: polytetrafluoroethylene - 81.5-87.0; molybdenum disulfide - 1.5-2.0; cryptocrystalline graphite - 6.0-10.0; carbon fiber - 4.0-7.0 with a fiber length of 0.05-0.5 mm. This material is closest in its physical essence to the proposed composite material, however, this known material also has drawbacks that reduce the technical level, reliability and durability of friction units and, in general, machines where parts of friction units made using this material are used, since its wear resistance remains insufficient and does not meet modern requirements for reliability and durability of friction units and machines in general. In addition, the technology of preparing carbon fiber and controlling the length of the fibers is quite complex and time-consuming.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости и снижение трудоемкости изготовления композиционного материала.The technical result of the invention is to increase the wear resistance and reduce the complexity of manufacturing a composite material.
Указанный технический результат достигается тем, что в антифрикционном полимерном композиционном материале, включающем политетрафторэтилен, дисульфид молибдена и два углеродных наполнителя, один из которых представляет собой ультрадисперсный порошок скрытокристаллического графита с удельной поверхностью 50-75 м2/г, согласно заявленному изобретению вторым углеродным наполнителем служат углеродные нанотрубки, причем компоненты взяты в следующем соотношении масс: политетрафторэтилен 86-95%; дисульфид молибдена 1,0-2,3%; скрытокристаллический графит 1,5-6%; углеродные нанотрубки 1,0-3,8%. Данное техническое решение позволяет исключить длительную и трудоемкую операцию подготовки и измельчения углеродного волокна. Повышение износостойкости композиционного материала достигается благодаря чрезвычайно высокой структурно-энергетической активности нового наноразмерного компонента - углеродных нанотрубок (УНТ), выполняющего роль структурно-активного модификатора полимерной матрицы. Он оказывает существенное влияние на адгезионное взаимодействие компонентов, эффективность структурообразующих процессов и способствует формированию аморфно-кристаллической плотноупакованной структуры полимерного нанокомпозита с повышенными триботехническими свойствами.The specified technical result is achieved in that in an antifriction polymer composite material including polytetrafluoroethylene, molybdenum disulfide and two carbon fillers, one of which is an ultrafine cryptocrystalline graphite powder with a specific surface of 50-75 m 2 / g, according to the claimed invention, the second carbon filler serves carbon nanotubes, and the components are taken in the following mass ratio: polytetrafluoroethylene 86-95%; molybdenum disulfide 1.0-2.3%; cryptocrystalline graphite 1.5-6%; carbon nanotubes 1.0-3.8%. This technical solution eliminates the long and laborious operation of preparation and grinding of carbon fiber. An increase in the wear resistance of the composite material is achieved due to the extremely high structural and energy activity of the new nanoscale component — carbon nanotubes (CNTs), which plays the role of a structurally active modifier of the polymer matrix. It has a significant effect on the adhesive interaction of components, the efficiency of structure-forming processes and contributes to the formation of an amorphous-crystalline close-packed structure of a polymer nanocomposite with enhanced tribotechnical properties.
Пример. Для изготовления композиционного материала берут политетрафторэтилен - фторопласт-4 марки ПН в количестве 90 мас.% от массы образца, дисульфид молибдена 1,5 мас.%, скрытокристаллический графит - 6 мас.% и углеродные нанотрубки - 2,5 мас.% и смешивают в смесителе с частотой вращения ротора не менее 7000 мин-1 в течение 2,0-2,5 мин. Композиционную смесь равномерно засыпают в пресс-форму и прессуют при давлении 90-100 МПа. Отпрессованную заготовку спекают в печи при температуре 360±5°С с выдержкой при названной температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки заготовки. Нагрев заготовок 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 20-25°С охлаждают вместе с печью.Example. For the manufacture of composite material take polytetrafluoroethylene - fluoroplast-4 grade PN in the amount of 90 wt.% From the mass of the sample, molybdenum disulfide 1.5 wt.%, Cryptocrystalline graphite - 6 wt.% And carbon nanotubes - 2.5 wt.% And mixed in a mixer with a rotor speed of at least 7000 min -1 for 2.0-2.5 minutes The composite mixture is evenly poured into the mold and pressed at a pressure of 90-100 MPa. The pressed billet is sintered in a furnace at a temperature of 360 ± 5 ° С with holding at the indicated temperature at the rate of 8–9 min per 1 mm of the billet wall thickness. Billets are heated to sintering temperature at a speed of 1.5-2.0 deg / min, cooling from sintering temperature to 327 ° C at a speed of 0.3-0.4 deg / min and from 327 ° C to 20-25 ° C is cooled with the oven.
Оценку степени повышения триботехнических свойств предлагаемого композиционного материала и определение оптимального содержания компонентов производили путем изготовления образцов предлагаемого материала по технологии, описанной в примере, и последующего испытания. В таблице 1 приведены составы четырех композиций и показатели триботехнических свойств (скорость изнашивания, коэффициент трения) материалов.The degree of increase in the tribotechnical properties of the proposed composite material was estimated and the optimal content of the components was determined by making samples of the proposed material according to the technology described in the example, and subsequent testing. Table 1 shows the compositions of the four compositions and indicators of tribological properties (wear rate, coefficient of friction) of materials.
Таблица 1Table 1
Состав композиционных материаловComposition of Composite Materials
Свойства материаловMaterial Properties
КомпозицияComposition
Содержание, масс.%Content, wt.%
Скорость изнашивания, г/ч·10-4 Wear rate, g / h · 10 -4
Коэффициент тренияCoefficient of friction
ПТФЭPTFE
СКГSKG
MoS2 MoS 2
УНТCNT
1one
90,090.0
66
1,51,5
2,52,5
10,210,2
0,090.09
22
94,294.2
1,51,5
1,21,2
3,13,1
11,411,4
0,080.08
33
91,791.7
4,54,5
1,91.9
1,91.9
8,28.2
0,070,07
4four
9191
33
2,32,3
3,73,7
13,413,4
0,080.08
Приведенные в таблице результаты показывают, что заявленный полимерный композиционный материал имеет среднее значение скорости изнашивания 10,8·10-4 г/ч и коэффициент трения 0,08. В то же время прототип имеет средние показатели триботехнических свойств - 20,2·10-4 г/ч и 0,078 (см. Патент на изобретение №2307130). Таким образом, заявленный антифрикционный полимерный композиционный материал имеет меньшую в 1,9 раза среднюю скорость изнашивания при почти одинаковом с прототипом коэффициенте трения.The results shown in the table show that the claimed polymer composite material has an average value of the wear rate of 10.8 · 10 -4 g / h and a friction coefficient of 0.08. At the same time, the prototype has average tribological properties - 20.2 · 10 -4 g / h and 0.078 (see Patent for the invention No. 2307130). Thus, the claimed anti-friction polymer composite material has a 1.9 times lower average wear rate at almost the same friction coefficient as the prototype.
Следовательно, применение заявленного материала, обладающего более высокой износостойкостью, обеспечит повышение надежности и долговечности соответствующих узлов трения машин в 1,9 раза без увеличения потерь мощности на трение при прочих равных условиях.Therefore, the use of the claimed material with higher wear resistance will provide an increase in reliability and durability of the respective friction units of machines by 1.9 times without increasing friction power losses, all other things being equal.