Антифрикційний композиційний матеріал

Пропонований винахід відноситься до композиційних полімерних матеріалів, а саме, до композиційного матеріалу (KM), що включає термореактивне зв’язуюче, що містить суміш епоксидних і фенолоформальдегідних олігомерів, і комбінований волокнистий наповнювач, що складається із суміші рубаних поліоксадіазольного, поліамідобензілімидного, аліфатичного поліамідного і вуглецевого волокон, призначеному для робота в якості антифрикіцйного КМ для підшипників ковзання різного призначення. Пропонований KM може бути використаний у машинобудуванні для виготовлення підшипників ковзання, втулок, вкладишів, ущільнювальних кілець і інших виробів, здатних працювати в важконавантажених вузлах в умовах сухого тертя, при підвищених температурах і в агресивних середовищах. Відомий антифрикційний композиційний матеріал [АС СРСР №726136 С08L63/02, C08K7/02 С08К7/06, F16c 33/18 "Прессматериал", авт. Мокиенко Р.Л. і ін., опубл. 05.04.80, бюл. №13], що включає епоксидний діановий олігомер, м-фенілендіамін, суміш р убаних волокон з ароматичного поліаміду чи вуглецевого волокна і волокон з аліфатичного поліаміду, графіт чи дисульфід молібдену. До недоліків відомого винаходу необхідно віднести низькі ударну в'язкість і теплостійкість пластиків у силу низької теплостійкості епоксидної матриці, а також великого вмісту (від 30 до 70%) аліфатичного поліаміду, що має низьку теплостійкість. Відомий антифрикційний KM, що застосовується у конструкції підшипника ковзання прокатного стану [Патент №2042059, Російська Федерація, F16С33/12 "Подшипник скольжения прокатного стана", авт. Киричков А.А. і ін., опубл. 20.08.95, бюл. №23, що містить поліоксадіазольну тканину, термореактивне зв'язуюче, гра фіт. До недоліків відомого винаходу необхідно віднести низьку ударну в'язкість і високий коефіцієнт тертя (0,200,25). Найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, є [Патент №2137790. Російська Федерація 6 С08L61/10, С08К13/00, С08І5/16 "Анти фрикционный композиционный материал", авт. Чукаловский П.А. і ін. опубл. 20.09.99. Бюл. №26], що включає фенольний олігомер, графіт і комбінований волокнистий наповнювач (поліоксадіазольне чи поліпарафенілентерефталамідне чи поліамідобензімідазольне волокна), а також бавовняне волокно, графіт і оксид алюмінію, причому волокна використовуються у виді сітки, тканини чи повсті (прототип). До недоліків прототипу варто віднести низькі фізико-механічні характеристики KM (ударна в'язкість складає 20-27кДж/м 2, а також межа міцності при стиску 54-73МПа). Задачею пропонованого винаходу було створення високоміцного антифрикційного композиційного матеріалу на основі термореактивного зв'язуючого і комбінованого волокнистого наповнювача з високими фізикомеханічними властивостями, теплостійкістю і водостійкістю шляхом застосування зв'язуючого, що одержується спільною конденсацією резольного фенолоформальдегідного і епоксидного олігомерів, при співвідношенні компонентів, що дозволяє підвищити ударну в’язкість, межу міцності при вигині і водостійкості KM, не знижуючи теплостійкості і застосування комбінованого наповнювача у виді суміші рубаних синтетични х волокон: поліоксадіазольного, поліамідобезімідазольного, аліфатичного поліаміду і вуглецевого волокна. Поставлена задача досягається тим, що відомий антифрикційний композиційний матеріал, що включає термореактивне зв'язуюче на основі фенолоформальдегідного олігомеру і комбінований наповнювач, що складається із синтетичного і бавовняного волокон у виді сітки, тканини чи повсті, а також графіт і оксид алюмінію, відповідно до винаходу додатково містить у зв'язуючому епоксидний олігомер, а в комбінованому наповнювачі містить суміш рубаних довжиною 1-10см поліоксадіазольного, поліамідобензімідазольного волокон і додатково місіть рубані поліамідне і вуглецеве волокна і не містить бавовняне волокно і оксид алюмінію при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 1. Фенолоформальдегідний олігомер 15-40 Епоксидний олігомер 10-25 Поліоксадіазольне волокно 3-40 Поліамідобензимидазольне волокно 3-35 Поліамідне волокно 5-15 Вуглецеве волокно 6-23 Графіт 2-10 2. Довжина волокон 1-10см. KM одержують таким способом. Поліоксадіазольне, поліамідобензілімідазольне, поліамідне і вуглецеве волокна у виді ниток ріжуть на відрізки довжиною 1-10см, зміщують з графітом до однорідної маси і просочують розчином зв'язуючого, що представляє собою спирто-ацетоновий розчин епоксифенольного форсополіконденсату. Отриманий пресматеріал сушать до вмісту летких 5-6% і пресують при температурі 170±10°C і тиску пресування 25-35МПа. Приводимо приклади конкретного готування пропонованого винаходу. Приклад 1 KM включає зв'язуюче, що складається з 18мас.% епоксидного, 22% фенолформальдегідного олігомерів і хаотично в ньому розташованого наповнювача, що включає 24мас.% поліоксадіазольного, 5мас.% поліамідобензімідазольного, 12мас.% поліамідного, 16мас.% вуглецевого волокон і 3мас.% графіту. Приклади 2-12 включають зв'язуюче і хаотично розташований у ньому наповнювач відповідно до складів КМ, приведених в таблиці 1. Таблиця 1 Склад пропонованого композиційного матеріалу № зразка Склад зв'язуючого, мас.% Склад KM, мас. % Склад наповнювача ФенолоПоліоксаЕпоксидний формальдегідний діазольне олігомер олігомер волокно 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Прототип* Прототип* 18 15 12 12 22 24 14 14 14 14 14 14 22 25 28 18 33 36 26 26 26 26 26 26 18-43 18-43 24 24 24 28 18 16 19 17 15,5 29 10 3 25-57 Поліамідибензімідазольне волокно 5 5 5 6 3,6 3 5 5 5 10 25 34 25-57 Алі фатичне поліамідне волокно Вуглецеве волокно Графіт 12 12 12 105 6 6 9 9 9 8 11 5 16 16 16 22 14 13 24 22 20,5 10 8 9 3 3 3 3.5 3,4 2 3 7 10 3 6 9 1,5-16 1,5-16 *До складу прототипу входить також, мас. %: бавовняне волокно - 6-42; оксид алюмінію - 0,3-9. Виготовлення підшипників ковзання з запропонованого антифрикційного композиційного матеріалу не вимагає використання специфічного технологічного обладнання, що використовується при одержанні пресволокнитів по періодичному методу, і містить у собі підготовку наповнювача (рубання і змішання), зв'язуючого (готування епоксифенольного форсополіконденсату), сушіння препрегу і наступне пресування виробів. Експериментальні дослідження пропонованого KM y якості антифрикційного KM із підвищеними фізикомеханічними властивостями, високими теплостійкістю і водостійкістю і достатніми антифрикційними властивостями показали, що при вмісті в KM фенолоформальдегідного олігомеру менш 15мас.% і більш 40мас.%, етоксидних олігомерів менш 10мас.% і більш 25мас.%, поліоксадіазольного волокна менш 3% і більш 40мас.%, поліамідобензілімидазольного волокна менш 3% і більш 35мас.%, поліамідного волокна менш 5мас.% і більш 15мас.%, вуглецевого волокна менш 6мас.% і більш 23мас.%, графіту менш 2мас.% і більш 10мас.% не вдається досягти поставленої задачі. Застосування аліфатичного поліаміду в якості наповнювача, дозволяє одержати KM, що має високі значення ударної в'язкості (120кДж/м 2) і межі міцності при стиску (90 МПа), але досить низькі значення межі міцності при вигині (78МПа) і теплостійкості за Мартенсом (53°С). Однак, введення його у відносно невеликій кількості (до 15мас.% у композиції) у комбінований наповнювач, що представляє суміш більш високомодульних ароматичних поліамідних волокон і вуглецевого волокна, приводить до несподіваного підвищення фізико-механічних і теплофізичних властивостей пропонованого KM. У таблиці 2 представлені результати дослідження впливу поліамідного волокна в складі комбінованого наповнювача на властивості пропонованого KM. Введення поліамідного волокна в комбінований наповнювач на основі суміші поліоксадіазольного, поліамідобензімідазольного і вуглецевого волокон дає підвищення ударної в'язкості на 19%, меж міцності при вигині на 18%, стиску - на 17% при зниженні теплостійкості тільки на 0,5%. Таблиця 2 Вплив поліамідного волокна в складі комбінованого наповнювана на властивості KM Склад наповнювала, мас.% № зразка 1 2 Поліоксадіазольне волокно 12 12 Полі-амідоПоліВуглебензімідаамідне цеве Графіт зольне волокно волокно волокно 30 0 15 3 25 10 10 3 Ударна в'язкість, кДж Межа міцності, МПа, при м2 статичному вигині 228 247 239 282 Теплостійкість за Мартенстиску сом, °С 123 144 180 179 Коефіцієнт тертя 0,15 0,15 Такий ефект можна пояснити здатністю аліфатичного поліаміду рівномірно розподіляючись в обсязі усього KM, знижувати внутрішні напруження, що неминуче виникають при високотемпературному формуванні структури складної системи KM Дослідження фізико-механічних властивостей KM проводили відповідно до ДСТ для пластмас: ударна в'язкість по Шарпі - ДСТ 4647-80, межа міцності при вигині - ДСТ 4648-81, межа міцності при стиску - ДСТ 4651-82, водопоглинання - ДСТ 4650.80. Дослідження з визначення коефіцієнта тертя проводилися на машині СМЦ-2 (ТУ 25.06.813) при швидкості ковзання 0,3м/с, тиску 2,5МПа. Представлені в таблиці 3 дані показують, що пропонований антифрикційний KM має в порівнянні з матеріалом прототипу в залежності від складу зв'язуючого і наповнювана підвищенні ударну в'язкість у 3-9 разів, межу міцності при стиску в 1,3-2 рази, теплостійкість на 10-30°C, водопоглинення знизилося в 1,5-3 рази, коефіцієнт тертя залишається на рівні прототипу. Таблиця 3 Фізико-механічні, теплофізичні, трибологічні властивості, водостійкість пропонованого композиційного матеріалу № зразка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Прототип Прототип Ударна в'язкість, кДж м2 82 84 93 80 80 85 96 104 134 136 210 235 20-26 20,27 Межа міцності, МПа, при Статичному вигині Стисненні Теплостійкість за Мартенсом, °С Коефіцієнт тертя Водопоглинання, % 158 160 165 172 196 182 210 164 161 210 280 358 120 120 92 107 108 104 105 95 93 93 92 116 123 152 54-73 55-72 164 169 161 167 160 160 166 165 167 168 187 190 150 160 0,14 0,14 014 0,14 0,15 018 0,14 0,14 0,12 0,15 016 0,15 0,09-0,15 0,10-0,14 0,18 0,19 0,19 0,18 0,19 0,18 0,19 0,19 0,18 0,19 0,19 0,19 03-0,6 03-0,6 З пропонованого антафрикційного KM виготовлялися промислові зразки (деталі), що пройшли випробування в умовах працюючого обладнання металургійних заводів. Отримано рекомендації до впровадження пропонованого KM замість базових деталей, виготовлених із бронзи і текстоліту, оскільки, по зносостійкості він перевершує бронзу в 1,5-2,5 рази, текстоліт у 2-2,5 рази.