WO2024085782A1 - Способ производства конструкционной композитной структуры с полимерной поверхностью - Google Patents
Способ производства конструкционной композитной структуры с полимерной поверхностью Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024085782A1 WO2024085782A1 PCT/RU2022/000373 RU2022000373W WO2024085782A1 WO 2024085782 A1 WO2024085782 A1 WO 2024085782A1 RU 2022000373 W RU2022000373 W RU 2022000373W WO 2024085782 A1 WO2024085782 A1 WO 2024085782A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- metal
- polymer material
- containing base
- elevations
- recesses
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 25
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 48
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 3
- 238000009760 electrical discharge machining Methods 0.000 claims description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 31
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 25
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 239000003831 antifriction material Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 3
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000004815 dispersion polymer Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 229920000891 common polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000009885 systemic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
- B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B7/00—Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
- B32B7/02—Physical, chemical or physicochemical properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
- C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate
Definitions
- the present invention relates to a technology for the production of structures using polymer composite materials for use as a working layer for the rubbing surfaces of machine parts, in particular sliding bearings.
- the main element of such machine parts as sliding bearings are structural parts with an antifriction coating, including liners made of antifriction material located between the shaft and the bearing housing itself.
- Modern materials used for sliding surfaces in friction units of machine parts must provide a low coefficient of friction, high load-bearing capacity, high strength, wear resistance, cavitation resistance, resistance to shock loads, temperature and mechanical fatigue.
- Currently widely used specialized antifriction composite materials based on high-molecular polymer matrices have high indicators of these properties and a number of other parameters, but their widespread use is hampered by insufficiently high thermal conductivity characteristics, which affect the power of heat removal from the friction zone of the bearing, thermal expansion, which affects the dimensions products when changing thermal conditions, strength of structural elements and ease of technological application.
- the known technical solution [1] relates to the field of manufacturing combined structural materials consisting of metals and polymers.
- the technical solution under consideration consists in a method for producing a combined metal-polymer structural material.
- the essence of the known technology is the formation of an integrated combined layer on the surface of the workpiece, while the component located on the surface of the specified workpiece is selected based on the condition of its ability to create thermal radiation, after which the surfaces of the component and the workpiece are combined with the material being joined, creating an area of mutual penetration of materials at the boundary of the joined surfaces , obtained mechanically.
- the features of the solution known from the prior art should be considered the use of a polymer workpiece, the placement of a metal component on it at a given depth, the choice of a component due to the creation of thermal radiation under the influence of an alternating electromagnetic field, as well as the adhesion of the surfaces of the polymer workpiece and the metal workpiece by squeezing and placing them in an alternating electromagnetic field with the creation of a heating zone at the boundary of the joined surfaces to a temperature sufficient to melt the polymer part of the combined layer and its adhesion to the surface of the metal workpiece.
- a well-known technical solution makes it possible to combine polymer and metal blanks into a single product, eliminating thermal deformations and stresses, and also maintaining the geometric stability of the resulting object, which serves as the basis for creating technology for producing combined structural materials with wide potential for industrial use and high technical efficiency. - operational indicators.
- a known method for producing a coating [2] relates to the field of mechanical engineering, and more precisely, to the field of producing antifriction coatings used in sliding bearings, bushings and other metal products and interfaces to reduce friction and wear of the working surfaces of machine components.
- the method for producing a protective composite coating is characterized by the fact that the surface of a metal product is preliminary prepared by mechanical processing, a thermal diffusion layer with open porosity is formed, and an outer layer of an antifriction non-metallic composite is applied.
- the porosity of the thermal diffusion zinc layer is selected to 10%
- the anti-friction non-metallic composite is obtained by mixing a binder based on a polymer dispersion, thinner and fine particles of polytetrafluoroethylene up to 5 microns in size.
- the strength of the coating layers increases, the service life increases, and the cost of servicing friction units decreases, which solves the problem of creating a method for producing durable composite coatings based on metal and polymer materials with high technical and operational parameters.
- the metal workpieces used undergo a preliminary preparation procedure, which consists in the formation of a wavy relief of a certain shape and the necessary parameters, which is ensured by turning or milling with a mechanical cutting tool with adjusted settings to be able to obtain the expected result, while the preparatory procedure described For accuracy, implementation must be carried out “manually”, i.e.
- the limitations of the source technology [2] are associated with the impossibility of its use for other polymer composites, for which it is impossible to mix a binder based on a polymer dispersion, a diluent and fine particles of polytetrafluoroethylene due to high processing and operating temperatures.
- the technical problem of the proposed invention is the creation of a technology for combining polymer and metal-containing material with a wide structural field of application and high technical and operational indicators.
- the technical result of the proposed invention is the implementation of a non-standard and at the same time technologically advanced method of joining dissimilar materials, which is characterized by a simplified production cycle, implying a single complex stage of adhesion of dissimilar layers, with in which there is an increase in the accuracy and strength of the connection, as well as its resistance to mechanical, chemical and temperature influences, as a result of which an integral and destruction-resistant composition is formed with one of the surfaces consisting of a polymer (in particular anti-friction) composite material.
- the method of connecting a polymer material and a metal-containing base to obtain a composite structure for structural elements of mechanisms is characterized by preliminary local preparation of the metal-containing base, which consists in the formation on the contact surface of a set of relief irregularities in the form of chaotically and/or or orderedly distributed with a surface density from 50 to 1000 pcs/mm 2 and having in the profile figured outlines of elevations and depressions with a transverse size from 20 to 100 microns and with the orientation of the walls of most of the mentioned elevations and depressions at an angle of 45-90° to the specified surface contact, followed by control and diagnostic measurements of the geometric parameters of the specified set of relief irregularities, onto which a polymer material is applied in a partially molten state with a thickness of at least 10 microns, the connected section of which penetrates inside the relief irregularities, externally covering them and, due to fluidity, occupies and envelops free volumes of prepared elevations and recesses
- the preparation of the metal-containing base is carried out mechanically, namely, it may include drilling or cutting or electrochemical or electrical discharge machining or electric arc or plasma or gas-plasma or electron beam welding.
- the existing elevations are made in the form of chaotically located craters rising above the contact surface with passages made in their central parts. It is rational when implementing the invention if the recesses are made in the form of interconnected pores and/or holes, at the base of which elevations formed by the frozen material are concentrated.
- the existing depressions and/or elevations of a set of relief irregularities are formed on the contact surface in an orderly manner in the form of successive rows, the distance between which exceeds the width of the base of the largest depression or elevation of the metal-containing base by no more than 1.5 times.
- prepregs or inert fillers are applied to the recesses of the relief irregularities of the base before connecting with the polymer material to minimize the volume of air cavities.
- a new technological method of combining a polymer material and a metal-containing base is proposed for patenting to obtain a composite structure for structural elements of mechanisms used, in particular, as components of sliding bearings, resulting in an integral metal-polymer structure that has high thermal conductivity, low thermal expansion, structural strength against rupture or displacement of connected parts relative to each other.
- the fundamental feature of the proposed technical solution is the technological simplicity of the solution, which involves the use of a single complex operation of connecting dissimilar layers to each other, and this connection occurs without the use of complex operations to ensure adhesion, for example, the often used application of intermediate layers and their additional processing with multiple cyclic repetition of actions, which creates the prerequisites for a significant simplification of the technological process and leads to a reduction in production time, since there is no need to use specialized equipment and personnel, prepare technological requirements and train personnel; in addition, the absence of an intermediate layer at the adhesion site eliminates the long cycle of surface preparation for mating materials and allows the use of the resulting composite products in chemically active environments without the risk of destruction of the material and reducing the strength of the connection as such.
- the presented technological feature in the form of the use of a single complex operation provides the possibility of connecting a polymer material and a prepared metal-containing base, which undergoes preliminary preparation by mechanical means, without applying intermediate layers, and is characterized as a result of this treatment by the formation on the surface of the future contact of a set of relief irregularities in the form of chaotically and/or or orderedly distributed elevations and depressions with a surface density from 50 to 1000 pcs/mm 2 , with a transverse size from 20 to 100 microns, with their walls oriented at an angle of 45-90° to the contact surface, which allows the application of a polymer composition that penetrates inside relief irregularities, covering them and, due to the molten state, occupying and enveloping the free volumes of elevations and depressions, as a result of which, in the event of an external forceful mechanical impact on the finished composite structure, counterforces arise that prevent the separation or displacement of the fused parts of the composition.
- the applied polymer material must cover in height the entire volume of relief irregularities of the metal-containing pre-treated metal-containing base and have a thickness of at least 10 microns.
- a thickness of at least 10 microns With a given total thickness of the polymer material of 10-500 microns, under normal thermal operating conditions of the resulting assembly unit - for example, as a structural element of a sliding bearing - intensive heat removal from the friction zone through the area of connection of dissimilar materials is achieved, which ensures a low temperature gradient between the friction surface and metal-containing base that conducts heat well, up to several degrees Celsius.
- thermal expansion of the entire composite structure is ensured of less than 5 microns, which is particularly true in bearing structural elements sliding provides thermal expansion that is less than the accuracy of the shaft fit in most plain bearings.
- connection of dissimilar materials proposed in accordance with the invention provides high strength of the connection and creates conditions for obtaining a structural product with a high level of load resistance under normal conditions. and tangential direction in relation to the connection area, which has stable physicochemical properties when exposed to temperature and/or chemically active environments, while the strength of the structural product is directly affected by the specific strength of the material used, and not the adhesive strength of the connection itself.
- a total thickness of the polymer layer in the range of 10-500 microns can compensate for the lower thermal conductivity and higher coefficient of thermal expansion of the polymer mass and provide sufficient heat removal from the friction surface and minimize thermal expansion of the entire composite structure when used in structural elements of sliding bearings .
- the surface of a metal-containing base prepared in this way does not require additional treatment to increase adhesion by other methods, for example, chemical or the application of intermediate layers.
- the proposed process described above for producing a composite structure of a structural type with a working polymer (in particular, anti-friction) surface forms a set of necessary features sufficient to achieve a technical result, which consists in realizing the purpose of implementing a non-standard and at the same time technological method of joining dissimilar materials, for which is characterized by a simplified production cycle, implying a single complex stage of adhesion of dissimilar layers, in which an increase in the accuracy and strength of the connection is observed, as well as its resistance to mechanical, chemical and temperature influences, resulting in the formation of a holistic and fracture-resistant composition with a polymer (in particular antifriction) contact surface, and to solve the existing technical problem of directly creating new non-standard technology for joining polymer and metal, which has a wide structural scope and high production and technical and economic potential.
- FIG. 4a and 46 show particular versions of the prepared contact surface with an example of coating and enveloping relief irregularities located at approximately an angle of 90° to the specified surface;
- fig. 5a and 56 show particular versions of the prepared contact surface with an example of coating and enveloping relief irregularities located at approximately an angle of 50°-80° to the specified surface;
- Figure 8 shows an option for adhesion of materials to a pre-machined base surface.
- FIGS. 1-5a, 56, and figs. 8 indicates the elements and parts that are used in the implementation of the proposed technology for connecting a layer of polymer material and a metal-containing base, namely:
- FIG. 6 shows the following designations for thermophysical calculations for a composite structure, namely:
- T is the temperature of the metal-containing material
- T t - temperature of the external environment in the case of a sliding bearing - temperature of the lubricant (oil, pumped medium);
- T p is the temperature of the outer surface of the polymer material (in the case of a sliding bearing - the layer of bearing material);
- T p is the temperature of the outer surface of the polymer material (in the case of a sliding bearing - the layer of bearing material);
- T p is the temperature of the outer surface of the polymer material (in the case of a sliding bearing - the layer of bearing material);
- T p is the temperature of the outer surface of the polymer material (in the case of a sliding bearing - the layer of bearing material);
- P2 is the heat transfer coefficient at the “polymer material/metal-containing material” boundary
- X is the thermal conductivity coefficient of the polymer material
- FIG. 7 indicates the following designations of tensile force measurement parameters, namely:
- F is the magnitude of the breaking force
- b is the length of the material mating area
- I is the width of the mating area of materials
- Obtaining a working composite structure begins with the preparation of a less fluid material, namely, a metal-containing base (metal-containing material 5), on which a more fluid layer is applied, i.e. polymer material 4.
- the preparation of metal-containing material 5 is carried out by mechanical processing using drilling, cutting, electrochemical, electrical discharge machining, electric arc or plasma or gas-plasma or electron beam welding until relief irregularities are formed on the processed surface in the form of chaotically or orderly distributed and having figured outlines of elevations 1 and depressions 3
- the specified preparation is mainly carried out locally and, as a rule, is characterized by the location of the indicated elevations 1 and depressions 3 at an angle of 45-90° to the contact surface of the metal-containing material 5, which will further ensure strong, reliable adhesion to the infused polymer material 4, the masses of which penetrate.
- a set of relief irregularities see section of relief irregularities 2
- the resulting and prepared surface with relief irregularities (see section of relief irregularities 2) is subjected to control and diagnostic measurement of the geometric parameters of the resulting set of relief irregularities (see section of relief irregularities 2) by comparative, optical (non-contact) or probe methods.
- an operation can be carried out to minimize the volume of air cavities by applying prepregs or other inert fillers into the recesses of relief irregularities.
- the polymer material 4 is bonded with the resulting set of relief irregularities (see section of the relief irregularities 2), as a result of which a mass of polymer material 4 is applied in a partially molten state by liquid application, thermal pressing or spraying, the connected section of which penetrates inside the set of relief irregularities (see section of relief irregularities 2), completely externally covers the irregularities and, due to plasticity, occupies and envelops all free volumes of elevations 1 with passages and recesses 3, providing a reliable and durable connection area.
- polymer material 4 to a set of relief irregularities (see section of relief irregularities 2) of metal-containing material 5 is carried out with a thickness of at least 10 microns, which is necessary to completely cover the areas of the set of relief irregularities in the form of a chaotic and/or ordered distributed elevations 1 and depressions 3, and these elevations 1 and depressions 3 can be of various shapes and configurations, as a rule, they have a complex structure and shaped outlines with many passages, pores and microcracks and multi-level height differences.
- the given table [1] and Fig. 6 can be used as a model of the thermal distribution in the bearing material layer of a plain bearing that is manufactured according to the invention.
- the temperature of the metal-containing material 5 (base of the bearing shell) T is 50 °C
- the temperature of the lubricant (oil) T m is 150 °C
- the thickness of the polymer bearing material layer (polymer material 4) 5 is in the range from 10 ⁇ m to 2 mm.
- the heat transfer coefficient at the “external environment/polymer material” boundary is 1000 W/(m 2 °K).
- the thermal conductivity coefficient of the polymer material is X - 2 W/(m °K).
- Table 1 shows the calculated heat transfer coefficients of the working layer, k, W/m 2 °K, heat flux density, q, kW/m 2 and temperature of the bearing material layer T p .
- the calculated temperature of the bearing material layer T p - when using a thickness of polymer material from 10 to 500 microns will be 30-49 °C lower than the temperature with a thickness of 2 mm, which are mainly used at present, in this case, the amount of heat flow (q) removed from the friction zone will increase by 60-100%.
- the magnitude of the tensile force (F) of the joined materials is determined by the number and area of contact points between the materials in the tangential projection and the empirical coefficient k, characterizing the quality of adhesion at each point:
- Table [3] shows data on the strength of the connection area 6 with different processing options for the adhesion surfaces (set of relief irregularities) of the metal-containing material 5, measured according to GOST R 57834-2017.
- Table [3] The data obtained on different samples (see table [3]) using various methods of preparing materials show a significant excess of the specified coefficient k for the presented method compared to other methods known from the prior art (for example, Kardashov D.A., Polymer adhesives. Creation and application. - M.: Chemistry, 1983, chapter 5).
- the proposed technology is distinguished by the possibility of carrying out the stage of connecting dissimilar parts in virtually one single production cycle, which significantly simplifies the task and minimizes labor and energy costs, promoting the effective use of the method on an industrial scale in the field of mechanical engineering, ensuring the successful and efficient mass production of antifriction materials with high technical and operational indicators.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии производства композиционных материалов. Способ соединения полимерного материла и металлосодержащего основания с получением композитной структуры включает предварительную локальную подготовку металлосодержащего основания, заключающуюся в образовании на поверхности контакта совокупности рельефных неровностей, хаотично и/или упорядоченно распределенных, с поверхностной плотностью от 50 до 1000 шт/мм2. Эти неровности имеют в профиле фигурные очертания возвышений и углублений с максимальным поперечным размером от 20 до 100 мкм с ориентацией стенок большинства из упомянутых возвышений и углублений под углом 45-90° к указанной поверхности контакта. На рельефные неровности в частично расплавленном состоянии, с толщиной не менее 10 мкм наносится полимерная масса, соединяемый участок, которой проникает внутрь рельефных неровностей, внешне покрывая их, и за счет текучести занимает свободные объемы подготовленных возвышений и углублений. Обеспечивается прочность соединения, а также его устойчивость к механическому, химическому и температурному воздействию, в результате чего формируется устойчивая к разрушению композиция.
Description
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННОЙ КОМПОЗИТНОЙ СТРУКТУРЫ С ПОЛИМЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Предлагаемое изобретение относится к технологии производства конструкций с применением полимерных композиционных материалов для использования в качестве рабочего слоя трущихся поверхностей деталей машин, в частности подшипников скольжения.
В настоящее время основным элементом таких деталей машин, как подшипники скольжения, являются конструктивные части с антифрикционным покрытием, в том числе вкладыши из антифрикционного материала, располагаемые между валом и корпусом самого подшипника.
Современные материалы, используемые для поверхностей скольжения в узлах трения деталей машин должны обеспечивать низкий коэффициент трения, высокую несущую способность, высокую прочность, износостойкость, кавитационную стойкость, устойчивость к ударной нагрузке, температурной и механической усталости. Высокие показатели указанных свойств и ряда других параметров имеют широко применяемые в настоящее время специализированные антифрикционные композиционные материалы на основе высокомолекулярных полимерных матриц, однако их широкое применение сдерживается недостаточно высокими характеристиками теплопроводности, влияющей на мощность отвода тепла из зоны трения подшипника, теплового расширения, влияющего на размеры изделия при изменении теплового режима, прочности конструктивных элементов и простоты технологического применения.
На текущий момент времени не существует универсальных антифрикционных материалов, которые объективно обладали бы высокими показателями всех указанных выше свойств. В этой связи наиболее перспективным направлением развития технологий производства узлов трения механизмов является использование композиционных антифрикционных материалов и совершенствование конструкций из разнородных материалов, сочетающих в себе комплексы свойств применяемых материалов.
В качестве известного опубликованного технического решения целесообразно отметить технологию сплавления полимерных и металлических поверхностей с
получением комбинированного конструкционного материала (см. RU2758702, кл. С23С26/00, публ. 01.11.2021г. [1]).
Известное техническое решение [1] относится к области изготовления комбинированных конструкционных материалов, состоящих из металлов и полимеров.
Рассматриваемое техническое решение заключается в способе получения комбинированного металлополимерного конструкционного материала.
Суть известной технологии заключается в образовании на поверхности заготовки интегрированного комбинированного слоя, при этом располагаемый на поверхности указанной заготовки компонент выбирают из условия его способности создавать тепловое излучение, после чего поверхности компонента и заготовки совмещают с соединяемым материалом, создавая на границе соединяемых поверхностей участок взаимного проникновения материалов, полученный механическим путем.
В технологическом аспекте особенностями известного из уровня техники решения следует считать применение полимерной заготовки, размещение на ней металлического компонента на заданной глубине, выбор компонента, обусловленный созданием им теплового излучения под воздействием переменного электромагнитного поля, а также сцепление поверхностей полимерной заготовки и металлической заготовки путем сдавливания и помещения их в переменное электромагнитное поле с созданием на границе соединяемых поверхностей зоны нагрева до температуры, достаточной для плавления полимерной части комбинированного слоя и его адгезии к поверхности металлической заготовки.
Известным техническим решением реализуется возможность соединения полимерной и металлической заготовок в единое изделие, при этом исключаются термические деформации и напряжения, а также сохраняется геометрическая устойчивость получаемого объекта, что служит основой для создания технологии по получению комбинированных конструкционных материалов, обладающих широким потенциалом промышленного использования и высокими технико-эксплуатационными показателями.
Получаемые, согласно известной технологии [1], композитные образцы успешны в качестве промышленного использования, поскольку их инновационное производство обеспечивает условия снижения эксплуатационных затрат и вместе с тем повышение уровня технологичности и конкурентоспособности получаемой продукции, однако, следует учитывать, что указанные образцы продукции в условиях постоянного роста потребительских ожиданий будут нуждаться в периодической модернизации, которая
возможна в процессе перенастройки оборудования и внесения существенных коррективов в технологическую составляющую процесса.
Также следует учитывать, что технологическое улучшение физико-механических параметров антифрикционных поверхностей скольжения подшипниковых механизмов, ввиду специфичности и узкой направленности области техники, потребует привлечения значительных объемов материальных и интеллектуальных ресурсов, неизбежное привлечение которых, вероятно, будет восприниматься в качестве существенного сдерживающего фактора при возникновении производственной необходимости усовершенствования известной технологии [1] сплавления полимерной и металлической структур.
Наиболее близким с точки зрения технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ получения многофункционального композитного покрытия (см. RU2759274, кл. С23С28/00, публ. 1 1.11.2021г. [2]).
Известный способ получения покрытия [2] относится к области машиностроения, а точнее, к области получения антифрикционных покрытий, используемых в подшипниках скольжения, втулках и в других металлических изделиях и сопряжениях, для снижения трения и износа рабочих поверхностей компонентов машин.
В соответствии с известным техническим решением [2], способ получения защитного композитного покрытия характеризуется тем, что проводят предварительную подготовку поверхности металлического изделия механической обработкой, формируют термодиффузионный слой с открытой пористостью, а также наносят внешний слой из антифрикционного неметаллического композита.
Важно, что согласно замыслу технического решения [2], механическая обработка подразумевает использование режущего инструмента и формирование регулярного волнистого рельефа и шероховатости в пределах допуска, пористость термодиффузионного цинкового слоя выбирается до 10%, а антифрикционный неметаллический композит получают путем смешения связующего на основе дисперсии полимера, разбавителя и мелкодисперсных частиц политетрафторэтилена размером до 5 мкм.
В результате реализации известного технического решения увеличивается прочность слоев покрытия, увеличивается срок службы, снижаются затраты на обслуживание узлов трения, что решает задачу по созданию способа получения долговечных композитных покрытий на основе металлических и полимерных материалов, обладающих высокими технико-эксплуатационными параметрами.
Исходя из особенностей известного решения [2] применяемые металлические заготовки проходят процедуру предварительной подготовки, заключающейся в формировании волнистого рельефа определенной формы и необходимых параметров, что обеспечивается точением или фрезерованием механическим режущим инструментом с выверенными настройками для возможности получения ожидаемого результата, при этом, описанная подготовительная процедура для точности реализации должна проходить “в ручном” режиме, т.е. под контролем и непосредственным управлением специалиста-технолога, который обрабатывает в отдельности каждую заготовку и отправляет ее впоследствии на следующие технологические стадии, таким образом, важно отметить “ручное” высокое качество подготовки рельефа поверхности, однако, производиться способны, вследствие этого, лишь небольшие объемы продукции с исключением и практической невозможностью организации крупного серийного производства, способного конкурировать на внутреннем рынке и обеспечивать потребности больших отраслевых предприятий.
Также значимым системным недостатком технологии известной из источника [2] следует отметить необходимость привлечения значительных трудовых и энергетических затрат на производство, подразумевающего использование множества технологических циклов, в том числе “ручных”, которые в совокупности не способны покрывать затраты на изготовление отдельных единиц продукции, что в свою очередь является экономически не рациональным и способно быть оправданным и результативно работать лишь в случаях локального или разового применения в условиях производственной необходимости.
Ограниченность технологии источника [2] связана с невозможностью его применения для других полимерных композитов, для которых невозможно смешение связующего на основе дисперсии полимера, разбавителя и мелкодисперсных частиц политетрафторэтилена ввиду высоких температур обработки и эксплуатации.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание технологии соединения полимерного и металлосодержащего материала с широкой конструкционной областью применения и высокими технико-эксплуатационными показателями.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является реализация нестандартного и вместе с тем технологичного метода соединения разнородных материалов, для которого характерен упрощенный производственный цикл, подразумевающий единую комплексную стадию сцепления разнородных слоев, при
котором наблюдается повышение точности и прочности соединения, а также его устойчивость к механическому, химическому и температурному воздействию, в результате чего формируется целостная и устойчивая к разрушению композиция с одной из поверхностей, состоящей из полимерного (в частности антифрикционного) композиционного материала.
Указанный технический результат и обозначенная техническая проблема достигаются в результате того, что способ соединения полимерного материла и металлосодержащего основания с получением композитной структуры для элементов конструкций механизмов, характеризуется предварительной локальной подготовкой металлосодержащего основания, заключающейся в образовании на поверхности контакта совокупности рельефных неровностей в виде хаотично и/или упорядоченно распределенных с поверхностной плотностью от 50 до 1000 шт/мм2 и имеющих в профиле фигурные очертания возвышений и углублений с поперечным размером от 20 до 100 мкм и с ориентацией стенок большинства из упомянутых возвышений и углублений под углом 45-90° к указанной поверхности контакта, с последующим проведением контрольно-диагностических измерений геометрических параметров указанной совокупности рельефных неровностей, на которые в частично расплавленном состоянии с толщиной не менее 10 мкм наносится полимерный материал, соединяемый участок которого проникает внутрь рельефных неровностей, внешне покрывая их и за счет текучести занимает и обволакивает свободные объемы подготовленных возвышений и углублений, что обеспечивает теплоотвод в месте соединения частей структуры и снижает величину теплового расширения структуры, а в случае внешнего силового механического воздействия обеспечивает возникновение сил противодействия, препятствующих отрыву или смещению сплавленных частей структуры.
Является наилучшим вариантом осуществления изобретения, если подготовка металлосодержащего основания выполняется механическим путем, а именно может включать сверление или резание или электрохимическую или электроэрозионную обработку или электродуговую или плазменную или газо-плазменную или электроннолучевую сварку.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения имеющиеся возвышения выполняются в виде подобия хаотично расположенных, возвышающихся над поверхностью контакта кратеров с проходами, проделанными в их центральных частях.
Является рациональным при реализации изобретения если углубления выполнены в виде сообщающихся между собой пор и/или отверстий, у основания которых сосредоточены возвышения, образованные за счет застывшего материала.
Как правило при реализации изобретения имеющиеся углубления и/или возвышения совокупности рельефных неровностей формируют на поверхности контакта упорядоченно в виде последовательных рядов, расстояние между которыми превышает ширину основания крупнейшего углубления или возвышения металлосодержащего основания не более чем в 1,5 раза.
По одному из возможных вариантов осуществления изобретения перед соединением с полимерным материалом для минимизации объема воздушных полостей в углубления рельефных неровностей основания наносятся препреги либо инертные наполнители.
В соответствии с предложенным изобретательским замыслом предлагается к патентованию новый технологичный способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания с получением композитной структуры для элементов конструкций механизмов, используемых, в частности, в качестве компонентов подшипников скольжения, в результате чего получается целостная металло-полимерная конструкция, которая обладает высокой теплопроводностью, низким тепловым расширением, конструкционной прочностью от разрыва или смещения соединенных частей относительно друг друга.
Основополагающей особенностью предлагаемого технического решения является технологическая простота решения, предполагающая использование единой комплексной операции соединения разнородных слоев между собой, причем указанное соединение происходит без использования сложных операций для обеспечения адгезии, например, часто применяемого нанесения промежуточных слоев и их дополнительной обработки с многократным цикличным повторением действий, что создает предпосылки для существенного упрощения технологического процесса и ведет к сокращению времени производства, поскольку нет необходимости в использовании специализированного оборудования и персонала, готовить технологические требования и обучать персонал, кроме того, отсутствие промежуточного слоя в месте сцепления исключает длительный цикл подготовки поверхности для сопряжения материалов и позволяет применять полученные композитные изделия в химически-активных средах без риска разрушения материала и снижения прочности соединения как такового.
Представленная технологическая особенность в виде использования единой комплексной операции обеспечивает возможность соединения полимерного материала и подготовленного металлосодержащего основания, которое проходит предварительную подготовку механическими средствами, без нанесения промежуточных слоев, и характеризуется в результате указанной обработки образованием на поверхности будущего контакта совокупности рельефных неровностей в виде хаотично и/или упорядоченно распределенных возвышений и углублений с поверхностной плотностью от 50 до 1000 шт/мм2, с поперечным размером от 20 до 100 мкм, с ориентацией их стенок под углом 45-90° к поверхности контакта, что позволяет наносить полимерный состав, который проникает внутрь рельефных неровностей, покрывая их и за счет расплавленного состояния занимая и обволакивает свободные объемы возвышений и углублений, в результате чего в случае внешнего силового механического воздействия на готовую композитную структуру обеспечивается возникновение сил противодействия, препятствующих отрыву или смещению сплавленных частей композиции.
В соответствии с авторским замыслом, наносимый полимерный материал должен покрывать по высоте весь объем рельефных неровностей металлосодержащего предварительного обработанного металлосодержащего основания и обладать толщиной не менее 10 мкм. При заданной общей толщине полимерного материала в 10-500 мкм при обычных тепловых режимах работы получаемой сборочной единицы - например, в качестве конструктивного элемента подшипника скольжения - достигается интенсивный теплоотвод из зоны трения через область соединения разнородных материалов, что обеспечивает низкий градиент температуры между поверхностью трения и металлосодержащей основой, которая хорошо проводит тепло, вплоть до нескольких градусов по Цельсию.
Следует также отметить что, при использовании общей толщины полимерного слоя в 10-500 мкм при обычных тепловых режимах работы механизмов от - 50 °C до + 50 °C обеспечивается тепловое расширение всей композитной конструкции менее 5 мкм, что в частности, в элементах конструкции подшипников скольжения обеспечивает тепловое расширение, меньшее чем точность посадки валов в большинстве подшипниках скольжения.
Предлагаемое в соответствии с изобретением соединение разнородных материалов обеспечивает высокую прочность соединения и создает условия для получения конструкционного продукта с высоким уровнем сопротивления нагрузке в нормальном
и тангенциальном направлении по отношению к области соединения, который обладает устойчивыми физико-химическими показателями при воздействии температуры и/или химически-активных сред, при этом на прочность конструкционного продукта непосредственно влияет удельная прочность используемого материала, а не адгезионная прочность самого соединения.
Применение технологически простых методов механической подготовки поверхности основания и термических методов соединения материалов с различными температурами плавления приводит к значительному снижению себестоимости изготовления готовой продукции ввиду уменьшения или отказа от использования расходных материалов, а также ввиду сокращения количества производственных циклов, что, в свою очередь, значительно повышает промышленный потенциал технологии и создает предпочтительные экономические условия для полномасштабного серийного производства образцов продукции.
Следует дополнительно указать, что использование общей толщины полимерного слоя в диапазоне 10-500 мкм способно компенсировать более низкую теплопроводность и более высокий коэффициент теплового расширения полимерной массы и обеспечить достаточный теплоотвод от поверхности трения и минимизировать тепловое расширение всей композитной конструкции при использовании в конструктивных элементах подшипников скольжения. Подготовленная таким образом поверхность металлосодержащего основания не требует дополнительной обработки для увеличения адгезии другими методами, например, химическим или нанесением промежуточных слоев.
Таким образом, описанный выше предлагаемый процесс получения композитной структуры конструкционного типа с рабочей полимерной (в частности антифрикционной) поверхностью образует совокупность необходимость признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося в реализации назначения по воплощению нестандартного и вместе с тем технологичного метода соединения разнородных материалов, для которого характерен упрощенный производственный цикл, подразумевающий единую комплексную стадию сцепления разнородных слоев, при котором наблюдается повышение точности и прочности соединения, а также его устойчивость к механическому, химическому и температурному воздействию, в результате чего формируется целостная и устойчивая к разрушению композиция с полимерной ( в частности антифрикционной) контактной поверхностью, и для решения существующей технической проблемы по непосредственному созданию
новой нестандартной технологии соединения полимера и металла, обладающей широкой конструкционной областью применения и высокими производственным и технико-экономическим потенциалом .
На фиг. 1а, 16, 1в представлено изображение подготовленной поверхности контакта металлосодержащего основания;
На фиг. 2, За и 36 представлены варианты расположения отдельных возвышений и углублений относительно поверхности контакта;
На фиг. 4а и 46 представлены частные варианты подготовленной поверхности контакта с примером покрытия и обволакивания рельефных неровностей, расположенных примерно под углом 90° к указанной поверхности;
На фиг. 5а и 56 представлены частные варианты подготовленной поверхности контакта с примером покрытия и обволакивания рельефных неровностей, расположенных примерно под углом 50°-80° к указанной поверхности;
На фиг. 6 представлена схема обозначений для теплофизического расчета слоя полимерного материала;
На фиг. 7 представлена схема при измерении величины усилий на разрыв участка соединения;
На фиг. 8 представлен вариант сцепления материалов с предварительно механически обработанной поверхностью основания.
Предлагаемый способ соединения слоя полимерного материала и металлосодержащего основания поясняется конкретным примером реализации, который, однако, не является единственно возможными, но наглядным образом демонстрирует достижение указанной совокупностью существенных признаков заданного технического результата, а также решение существующей технической проблемы.
Следует отметить, что цель последующего описания предлагаемого изобретения заключается не в его ограничении конкретным вариантом реализации, а наоборот, в охвате всевозможных дополнений, не выходящих за рамки представленной формулы изобретения.
Предлагаемый способ соединения слоя полимерного материала и металлосодержащего основания с получением композитной структуры для элементов конструкций может быть реализован следующим образом.
На представленных фиг. 1-5а, 56, и фиг. 8 указаны элементы и части, которые используются при реализации предлагаемой технологии соединения слоя полимерного материала и металлосодержащего основания, а именно:
1 - возвышения;
2 - участок рельефных неровностей;
3 - углубления;
4 - полимерный материал;
5 - металлосодержащий материал (основание);
6 - область соединения;
6 -- угол расположения стенок углублений относительно рельефных неровностей.
На представленной фиг. 6 указаны следующие обозначения теплофизического расчета для композиционной конструкции, а именно:
То - температура металлосодержащего материала;
Тт- температура внешней среды (в случае подшипника скольжения - температура смазки (масло, перекачиваемая среда);
Тп - температура внешней поверхности полимерного материала (в случае подшипника скольжения - слоя подшипникового материала); сц - коэффициент теплоотдачи на границе “внешняя среда/полимерный материал”;
П2 - коэффициент теплоотдачи на границе “полимерный материала/металлосодержащий материал”;
X - коэффициент теплопроводности полимерного материала;
8 - толщина полимерного материала; q - плотность теплового потока.
На представленной фиг. 7 указаны следующие обозначения параметров измерений усилий на разрыв, а именно:
F -величина силы разрыва; b - длина области сопряжения материалов;
I - ширина области сопряжения материалов;
8 - толщина полимерного материала.
Получение рабочей композитной конструкции, согласно предлагаемому изобретению, начинается с подготовки менее текучего материала, а именно, металлосодержащего основания (металлосодержащий материал 5), на которое наносится более текучий слой, т.е. полимерный материал 4.
Подготовка металлосодержащего материала 5 производится путем механической обработки методами сверления, резания, электрохимической, электроэрозионной обработки, электродуговой или плазменной или газо-плазменной или электроннолучевой сварки до образования на обрабатываемой поверхности рельефных неровностей в виде хаотично или упорядоченно распределенных и имеющих фигурные очертания возвышений 1 и углублений 3. Указанная подготовка, преимущественно проводится локально и, как правило, характеризуется расположением указанных возвышений 1 и углублений 3 под углом 45-90° к поверхности контакта металлосодержащего материала 5, что в дальнейшем позволит обеспечить прочное надежное сцепление с вплавляемым полимерным материалом 4, массы которого проникают внутрь совокупности рельефных неровностей (см. участок рельефных неровностей 2), внешне покрывают неровности и за счет высокой текучести занимают и обволакивают свободные объемы подготовленных возвышений 1 и углублений 3.
После обработки указанной поверхности контакта металлосодержащего материала 5 полученная и подготовленная поверхность с рельефными неровностями (см. участок рельефных неровностей 2) подвергается контрольно-диагностическому измерению геометрических параметров полученной совокупности рельефных неровностей (см. участок рельефных неровностей 2) сравнительным, оптическим (бесконтактным) или щуповым методами. В зависимости от технических требований может проводиться операция по минимизации объема воздушных полостей путем нанесения препрегов либо других инертных наполнителей в углубления рельефных неровностей.
После подготовки рельефных неровностей металлосодержащего материала 5 производится сцепление полимерного материала 4 с полученной совокупностью рельефных неровностей (см. участок рельефных неровностей 2), в результате чего в частично расплавленном состоянии методом жидкого нанесения, термического прессования или напыления наносится масса полимерного материала 4, соединяемый участок которой проникает внутрь совокупности рельефных неровностей (см. участок рельефных неровностей 2), полностью внешне покрывает неровности и за счет пластичности занимает и обволакивает все свободные объемы возвышений 1 с проходами и углублениями 3, обеспечивая надежную и прочную область соединения.
Нанесение полимерного материала 4 на совокупность рельефных неровностей (см. участок рельефных неровностей 2) металлосодержащего материала 5 производится с толщиной не менее 10 мкм, что необходимо для полного покрытия площадей совокупности рельефных неровностей в виде хаотично и/или упорядоченно
распределенных возвышений 1 и углублений 3, причем указанные возвышения 1 и углубления 3 могут быть различной формы и конфигурации, имеют, как правило, сложное строение и фигурные очертания с множеством проходов, пор и микротрещин и разноуровневых перепадов высот.
В ситуации уменьшения толщины (в пределах 10-500 мкм) полимерного материала 4, который обеспечивает полное накрытие рельефных неровностей (см. участок рельефных неровностей 2) и имеет низкую теплопроводность, градиент температуры между внешней поверхностью полимерного материала 4 и проводящим тепло металлосодержащим материалом 5 можно сократить до значений нескольких градусов. В приведенной ниже таблице [1] представлено сравнение теоретически рассчитанных градиентов температуры для полимерного материала 4 разной толщины при следующих параметрах, обозначенных на фиг. 6. таблица [1]
Приведенную таблицу [1] и фиг. 6 можно использовать в качестве модели теплового распределения в слое подшипникового материала подшипника скольжения, который изготовлен согласно изобретению.
Температура металлосодержащего материала 5 (основа вкладыша подшипника) То составляет 50 °C, температура смазки (масла) Тм составляет 150 °C, толщина слоя подшипникового материала из полимера (полимерный материал 4) 5 находится в пределах от 10 мкм до 2 мм.
Коэффициент теплоотдачи на границе “внешняя среда/полимерный материал” си - 1000 Вт/(м2 °К).
Большая площадь соединения материалов на границе “полимерный материал 4/металлосодержащий материал 5” - обеспечивает значительно более высокий коэффициент теплоотдачи аг, чем ai на границе “внешняя среда/полимерный материал”, т.е. аг» ai = 1000 Вт/(м2 °К), влиянием которого в расчетах можно пренебречь.
Коэффициент теплопроводности полимерного материала - X - 2 Вт/(м °К).
В таблице 1 приведены рассчитанные коэффициенты теплопередачи рабочего слоя, к, Вт/м2 °К, плотность теплового потока, q, кВт/м2 и температура слоя подшипникового материала Тп.
В результате теоретического сравнения установлено, что рассчитанная температура слоя подшипникового материала Тп - при применении толщины полимерного материала от 10 до 500 мкм будет на 30-49 °C ниже, чем температура при толщине от 2 мм, которые в основном применяются в настоящее время, при этом величина теплового потока (q), отводимого от зоны трения, увеличится на 60-100%.
Высокие коэффициенты теплового расширения полимерных материалов по сравнению с металлами приводят к возникновению конструктивных недостатков получаемых комбинированных слоев. Предлагаемый метод устраняет данный недостаток.
Используя ту же модель теплового распределения в рабочем слое подшипника скольжения, описанную выше, при средней величине коэффициентов линейного расширения полимерных композиционных материалов, лежащих в диапазоне а=10ч-100 10'6/°С, увеличение геометрических размеров слоя подшипникового материала при перепаде температур в 100 °C указано ниже в таблице [2], при этом параметр То -температура металлосодержащего материала 5, параметр Тм- температура смазки (масла), параметр 8 - толщина слоя подшипникового материала, а ai, аг - минимальный и максимальный коэффициент линейного расширения применяемых распространённых полимерных материалов. таблица [2]
Согласно теоретически рассчитанным данным, указанным в таблице [2], установлено, что при использовании посадок валов в подшипниках скольжения с точностью допусков более 0,01 мм, применение массы полимерного материала 4 с толщиной 10-500 мкм практически исключает влияние расширения материалов от температуры на точность посадки валов в большинстве подшипниках скольжения.
За счет преимущественной ориентации возвышений 1 и углублений 3 под углом 45-90° относительно поверхности контакта металлосодержащего материал 5, в случае приложения механического воздействия по отношению к композитной структуре в направлении, перпендикулярном поверхности (отрыв) на полимерный материал 4 в области соединения 6 действует вертикальная проекция силы реакции основы, препятствующая отрыву, а при приложении сил в тангенциальном направлении (сдвиг) возникает проекция силы реакции основы уже в тангенциальном направлении, что препятствует смещению соединенных частей полученной композитной структуры. При этом экспериментальным путем установлено, что предпочтительные результаты достигаются с при плотности возвышений 1 и углублений 3 от 50 до 1000 шт/мм2 (таблица [3]) с поперечным размером от 20 до 100 мкм.
Тангенциальное значение прочности соединения частей композитной структуры определяется как отношение величины силы разрыва F, отнесенной к площади соприкосновения S=b*l участка металлосодержащего материала 5 и полимерного материала 4 толщины 8 (см. фиг. 7).
При прочих равных условиях, величина силы разрыва (F) соединённых материалов определяется количеством и площадью мест контакта материалов в тангенциальной проекции и эмпирическим коэффициентом к, характеризующим качество адгезии в каждой точке:
F = k Тер s, где s - общая площадь мест контакта материалов в тангенциальной проекции;
Тер - предел прочности материала рабочего слоя (полимерный материал 4) на изгиб.
В таблице [3] приведены данные о прочности области соединения 6 при отличающихся вариантах обработки поверхностей сцепления (совокупности рельефных неровностей) металлосодержащего материала 5, измеренные по ГОСТ Р 57834-2017. таблица [3]
Полученные данные на разных образцах (см. таб. [3]) с применением различных методов подготовки материалов, показывают существенное превышение указанного коэффициента к для представленного метода по сравнению с другими способами известными из уровня техники, (напр. Кардашов Д.А., Полимерные клеи. Создание и применение. - М.: Химия, 1983, глава 5). Предлагаемая технология отличается возможностью проведения этапа соединения разнородных частей фактически за один единый производственный цикл, что значительно упрощает задачу и минимизирует трудовые и энергетические затраты, способствуя к эффективному использованию метода в промышленных масштабах в сфере машиностроения, обеспечивая успешное и эффективное серийное производство антифрикционных материалов, обладающих высокими технико-эксплуатационными показателями.
Claims
1. Способ соединения полимерного материла и металлосодержащего основания с получением композитной структуры для элементов конструкций механизмов, характеризующийся предварительной локальной подготовкой металлосодержащего основания, заключающейся в образовании на поверхности контакта совокупности рельефных неровностей в виде хаотично и/или упорядоченно распределенных с поверхностной плотностью от 50 до 1000 шт/мм2 и имеющих в профиле фигурные очертания возвышений и углублений с поперечным размером от 20 до 100 мкм и с ориентацией стенок большинства из упомянутых возвышений и углублений под углом 45-90° к указанной поверхности контакта, с последующим проведением контрольнодиагностических измерений геометрических параметров указанной совокупности рельефных неровностей, на которые в частично расплавленном состоянии с толщиной не менее 10 мкм наносится полимерный материал, соединяемый участок которого проникает внутрь рельефных неровностей, внешне покрывая их и за счет текучести занимает и обволакивает свободные объемы подготовленных возвышений и углублений, что обеспечивает теплоотвод в месте соединения частей структуры и снижает величину теплового расширения структуры, а в случае внешнего силового механического воздействия обеспечивает возникновение сил противодействия, препятствующих отрыву или смещению сплавленных частей структуры.
2. Способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания по п. 1, отличающийся тем, что подготовка металлосодержащего основания выполняется механическим путем.
3. Способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания по п.2, отличающийся тем, что механический путь подразумевает сверление или резание или электрохимическую или электроэрозионную обработку или электродуговую или плазменную или газо-плазменную или электронно-лучевую сварку.
4. Способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания по п.1 , отличающийся тем, что возвышения выполняются в виде подобия хаотично расположенных, возвышающихся над поверхностью контакта кратеров с проходами, проделанными в их центральных частях.
5. Способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания по п.1, отличающийся тем, что углубления выполнены в виде сообщающихся между
собой пор и/или отверстий, у основания которых сосредоточены возвышения, образованные за счет застывшего материала.
6. Способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания по п.1, отличающийся тем, что углубления и/или возвышения совокупности рельефных неровностей формируют на поверхности контакта упорядоченно в виде последовательных рядов, расстояние между которыми превышает ширину основания крупнейшего углубления или возвышения металлосодержащего основания не более чем в 1,5 раза.
7. Способ соединения полимерного материала и металлосодержащего основания по п.1, отличающийся тем, что перед соединением с полимерным материалом для минимизации объема воздушных полостей в углубления рельефных неровностей основания наносятся препреги либо инертные наполнители.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022127110A RU2783637C1 (ru) | 2022-10-19 | Способ производства конструкционной композитной структуры с полимерной поверхностью | |
| RU2022127110 | 2022-10-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024085782A1 true WO2024085782A1 (ru) | 2024-04-25 |
Family
ID=90738027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2022/000373 WO2024085782A1 (ru) | 2022-10-19 | 2022-12-15 | Способ производства конструкционной композитной структуры с полимерной поверхностью |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2024085782A1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2112375B1 (ru) * | 1970-11-02 | 1974-03-29 | Gen Electric | |
| EP0962674A2 (de) * | 1998-06-02 | 1999-12-08 | Federal-Mogul Wiesbaden GmbH | Gleitlager und Verfahren zu seiner Herstellung |
| RU2258859C2 (ru) * | 2001-04-11 | 2005-08-20 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Резьбовое соединение для стальных труб (варианты) |
| RU2758702C1 (ru) * | 2021-01-28 | 2021-11-01 | Николай Юрьевич Овчаренко | Способ сплавления полимерных и металлических поверхностей с получением комбинированного конструкционного материала многопрофильного применения |
| RU2759274C1 (ru) | 2020-08-25 | 2021-11-11 | Евгения Александровна Ершова | Способ получения многофункционального композитного покрытия |
-
2022
- 2022-12-15 WO PCT/RU2022/000373 patent/WO2024085782A1/ru active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2112375B1 (ru) * | 1970-11-02 | 1974-03-29 | Gen Electric | |
| EP0962674A2 (de) * | 1998-06-02 | 1999-12-08 | Federal-Mogul Wiesbaden GmbH | Gleitlager und Verfahren zu seiner Herstellung |
| RU2258859C2 (ru) * | 2001-04-11 | 2005-08-20 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Резьбовое соединение для стальных труб (варианты) |
| RU2759274C1 (ru) | 2020-08-25 | 2021-11-11 | Евгения Александровна Ершова | Способ получения многофункционального композитного покрытия |
| RU2758702C1 (ru) * | 2021-01-28 | 2021-11-01 | Николай Юрьевич Овчаренко | Способ сплавления полимерных и металлических поверхностей с получением комбинированного конструкционного материала многопрофильного применения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Czelusniak et al. | Materials used for sinking EDM electrodes: a review | |
| Sharma et al. | Effect of wire diameter on surface integrity of wire electrical discharge machined Inconel 706 for gas turbine application | |
| US20240052862A1 (en) | System and process for joining dissimilar materials and solid-state interlocking joint with intermetallic interface formed thereby | |
| US9269525B2 (en) | Process for producing a high-temperature-resistant composite body | |
| EP2005343B1 (en) | Edm wire | |
| JP5571430B2 (ja) | 摺動部材およびその製造方法 | |
| JP2003532543A (ja) | 高耐摩耗性工具を使用する摩擦撹拌接合 | |
| Imran et al. | Assessment of machining performance using the wear map approach in micro-drilling | |
| Hasanabadi et al. | Interfacial microstructure and mechanical properties of tungsten carbide brazed joints using Ag-Cu-Zn+ Ni/Mn filler alloy | |
| Czelusniak et al. | RETRACTED ARTICLE: Development and application of copper–nickel zirconium diboride as EDM electrodes manufactured by selective laser sintering | |
| KR101425330B1 (ko) | 접합체 | |
| Tijo et al. | Hard and wear resistance TiC-composite coating on AISI 1020 steel using powder metallurgy tool by electro-discharge coating process | |
| Pasha et al. | Influence of process and tool parameters on friction stir welding–over view | |
| Karthikeyan et al. | Dry sliding wear behavior optimization of stir cast LM6/ZrO2 composites by response surface methodology analysis | |
| WO2024085782A1 (ru) | Способ производства конструкционной композитной структуры с полимерной поверхностью | |
| Förster et al. | Micro-ECM for production of microsystems with a high aspect ratio | |
| KR20080023249A (ko) | 작업편과 마이크로 구조 구성요소의 결합 방법 | |
| Li et al. | Thermal properties of diamond/Cu composites enhanced by TiC plating with molten salts containing fluoride and electroless-plated Cu on diamond particles | |
| Yadav et al. | Investigation of machining characteristics during micro-hole fabrication in CFRP composite by ECDM process | |
| Ravindranath et al. | Optimization of Al/B4C and Al/B4C/Gr MMC drilling using Taguchi approach | |
| RU2783637C1 (ru) | Способ производства конструкционной композитной структуры с полимерной поверхностью | |
| Mofidi Tabatabaei et al. | Friction stir forming for mechanical interlocking of insulated copper wire and Zn-22Al superplastic alloy | |
| Hu et al. | Plasma electrolytic oxidation of Ti-6Al-4V alloy and its influence on the machinability during micro-milling | |
| KR20120112840A (ko) | 열간 가공 공구의 제조 방법 | |
| JP2002276662A (ja) | 軸受およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22962884 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2022962884 Country of ref document: EP |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2022962884 Country of ref document: EP Effective date: 20240909 |