RU2307130C1

RU2307130C1 - Polymeric antifrictional composite material

Info

Publication number: RU2307130C1
Application number: RU2006111109/04A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Машков (RU); Юрий Константинович Машков; Олег Алексеевич Мамаев (RU); Олег Алексеевич Мамаев; Зиновий Николаевич Овчар (RU); Зиновий Николаевич Овчар; бликов Владимир Сергеевич З (RU); Владимир Сергеевич Зябликов
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2007-09-27

Abstract

FIELD: chemical industry; production of the polymeric antifrictional composite materials.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the polymeric antifrictional composite materials intended for manufacture of details of the friction assemblies of abrasion of the machines and aggregates. The technical result of the invention is to improve the mechanical characteristics and the wear-resistance properties in combination with the reduction of the labor input of manufacture of the composite material. The invention offers the polymeric antifrictional composite material including (in mass %): olytetrafluoroethylene (81.5-87.0), molybdenum disulfide (1.5-2.0), cryptocrystalline graphite with the specific surface area of 50-75 m² /g (6.0-10.0), the carbonic filler with the filament length of 0.05-0.5 mm (4.0 - 7.0).

EFFECT: the invention ensures the improved mechanical characteristics and the wear-resistance properties in combination with the reduction of the labor input of manufacture of the composite material.

1 cl, 1 tbl, 4 ex

Description

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 (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.Known antifriction polymer composite materials based on polytetrafluoroethylene (Mashkov Yu.K., Poleschenko K.N., Povoroznyuk S.N., Orlov P.V. Friction and modification of tribosystem materials. - M .: Nauka, 2000. - 280 p. ) containing coke powders (Ф4К20), molybdenum disulfide (Ф4М15), fiberglass (Ф4С15), coke and molybdenum disulfide (Ф4К15М5) as components. Known materials inherent disadvantages that limit their scope and reduce the reliability and durability of the friction units of machines. The main disadvantages are insufficient mechanical strength and wear resistance of known composite materials, the tensile strength of these materials is in the range of 11-16 MPa.

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.Known anti-friction composite material (AS No. 1812190 IPC C08J 5/16), which contains, wt.%: Polytetrafluoroethylene 80-82; molybdenum disulfide 1-3; tin-lead bronze powder 5-12 and carbon filler 5-12. The carbon filler is a carbon fiber 0.05-0.50 mm long, obtained from carbonized carbon fiber material aged for at least 48 hours and dried and ground in the presence of polytetrafluoroethylene powder to fibers of the specified length. The tensile strength of the material is 22-24 MPa, the wear rate during friction on a steel counterbody without lubrication is 0.065-0.068 mg / h at a sliding speed of 1 m / s, contact pressure 3 MPa.

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.This material is closest in its physical nature to the proposed composite material, however, this known material also has inherent disadvantages that reduce the technical level, reliability and durability of friction units and, in general, machines where friction units made using this material are used. In addition, the technology for preparing the carbon material is quite complex and inefficient (long-term processing of the material in liquid freon and subsequent drying). The technology of preparing bronze powder is also complex and inefficient, providing for its long-term treatment in a hydrogen medium in order to restore bronze particles oxidized in air. Both operations (processing of carbon material and processing of bronze powder) are performed in order to increase activity and increase the adhesive interaction of the components of the material, on which the properties of the composite material depend.

Задача изобретения - повышение характеристик механических и износостойкости, а также снижение трудоемкости изготовления композиционного материала.The objective of the invention is to increase the characteristics of mechanical and wear resistance, as well as reducing the complexity of manufacturing composite materials.

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.The specified technical result is achieved by the fact that the claimed composite material includes polytetrafluoroethylene 81.5-87%, molybdenum disulfide 1.5-2.0%, cryptocrystalline graphite 6.0-10.0% with a specific surface area of 50-75 m ² / g and carbon fiber 4.0-7.0% with a fiber length of 0.05-0.5 mm. In this case, the carbon fiber is not subjected to long-term processing in liquid freon and subsequent drying before grinding, the bronze powder is not part of the components, therefore, the processing of the powder in a hydrogen medium is excluded. The increase in the mechanical properties of the composite material is achieved due to the high structural activity of the new component - cryptocrystalline graphite due to the large value of the specific surface of the finely dispersed graphite powder, which acts as a structurally active modifier. It actively influences structure-forming processes and contributes to the formation of an amorphous-crystalline close-packed structure with enhanced mechanical and tribological properties.

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.Example. For the manufacture of composite material, polytetrafluoroethylene-fluoroplast-4 PN grades are taken in an amount of 84 wt.% By weight of the sample (preform), DM molybdenum disulfide - 2.0 wt.%, Carbon fiber with a fiber length of 0.05-0.5 - 4 , 0 wt.% And cryptocrystalline graphite - 10 wt.% And mixed in a mixer with a rotor speed of 2800-3000 min ^-1 . The composite mixture is pressed in the mold at a pressure of 90-100 MPa and sintered at a temperature of 360 ± 5 ° C with holding at this temperature at the rate of 8-9 minutes per 1 mm of the wall thickness of the workpiece. The material is 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 ° C along with the stove.

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.Carbon fiber with a specified fiber length is obtained, for example, from carbonized carbon fiber material of the URAL T-10 or other brands. The named material is cut into small pieces, for example 3 × 3 cm, and ground in a mill in the presence of fluoroplast-4 powder to obtain fiber particle lengths in the range of 0.05 ... 0.5 mm. Grinding is carried out, for example, for 3-9 minutes in a mill with hearth knives at a speed of 7000 min ^-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.The degree of increase in the mechanical and tribotechnical properties of the proposed composite material and the determination of the optimum content of the components were evaluated by manufacturing and testing samples of known and proposed materials using the technology described in the example. Table 1 shows the compositions of the four compositions of the proposed material, the composition of the prototype and indicators of mechanical (tensile strength) and tribological (wear rate, coefficient of friction) material properties.

Таблица 1Table 1 Состав и свойства антифрикционных полимерных композиционных материаловComposition and properties of antifriction polymer composite materials КомпозицияComposition Содержание, масс.%Content, wt.% Предел прочности σ, МПаStrength σ, MPa Скорость изнашивания, г/ч·10^-4 Wear rate, g / h · 10 ^-4 Коэффициент тренияCoefficient of friction У ВIn СКГSKG MoS₂ MoS ₂ ПТФЭPTFE 1one 4four 1010 22 8484 24,724.7 21,421,4 0,070,07 22 55 66 22 8787 24,924.9 19,819.8 0,090.09 33 77 1010 1,51,5 81,581.5 25,525.5 24,824.8 0,070,07 4four 5,55.5 8,58.5 1,51,5 84,584.5 25,825.8 14,714.7 0,080.08 прототипprototype 55 12*12* 33 8080 22,522.5 36,436,4 0,120.12 * указано содержание бронзы.* The content of bronze is indicated.

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.The results in the table show that the inventive polymer composite material has 10-15% higher tensile strength, 1.5-2.0 times lower wear rate and 25-40% lower coefficient of friction. Thus, the inventive anti-friction polymer composite material has correspondingly higher wear resistance depending on the specific composition of the composite material. Therefore, the use of the claimed material for the manufacture of parts of friction units will increase the durability of the respective friction units of machines by 1.5-2.0 times and reduce friction power losses by up to 40%, ceteris paribus.

Claims

Polymer antifriction composite material consisting of polytetrafluoroethylene, molybdenum disulfide, carbon material, crushed in the presence of polytetrafluoroethylene to a fiber length of 0.05-0.50 mm, characterized in that the material contains a second carbon filler in the form of cryptocrystalline graphite powder with a specific surface of 50- 75 m ² / g, while the components are taken in the following ratio, wt.%:

Polytetrafluoroethylene 81.5-87 Molybdenum disulfide 1.5-2.0 Cryptocrystalline graphite 6.0-10.0 Carbon fiber 4.0-7.0