Композитний антифрикційний матеріал та спосіб його виготовлення

Реферат: Винахід належить до галузі порошкової металургії а саме - до складу композитного антифрикційного матеріалу та способу його виготовлення. Як наповнювач композитного антифрикційного матеріалу використовують мікро- та нановолокна SiC, причому вміст мікро- та нановолокна SiC становить 5-15 мас. %, а політетрафторетилену (ПТФЕ) 4Д - 85-95 мас. % при співвідношенні вмісту мікро- та нановолокон 20:80 мас. %. Композитний антифрикційний матеріал виготовляють шляхом введення суспензії вказаних волокон в етиловому спирті або ацетоні в аналогічну суспензію ПТФЕ, одержану суміш суспензій наносять на підкладку і спікають, перед виготовленням суспензії вказаних волокон їх подрібнюють у кульковому планетарному млині протягом 10-20 хв., далі ці волокна дезінтегрують шляхом електрогідроімпульсної обробки та одержану оброблену суспензію волокон обробляють в UA 108907 C2 (12) UA 108907 C2 ультразвуковій мішалці протягом 5-10 хв., далі готують суміш суспензій вказаних волокон з суспензією ПТФЕ 4Д з одночасний перемішуванням її за допомогою механічної мішалки протягом 5-10 хв. Винахід забезпечує підвищенням триботехнічних характеристик одержаного композиту - зниженням коефіцієнта тертя до 0,11, інтенсивності зношування - до 30 мкм/км та підвищення строку використання виробів (підшипників ковзання) з нього без застосування мастил. UA 108907 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі порошкової металургії, а саме - до виготовлення композитних антифрикційних матеріалів, тобто - матеріалів на основі політетрафторетиленової (ПТФЕ) матриці та волокнистого наповнювача, і може бути використаний в машинобудуванні при виготовленні підшипників ковзання для використання без застосування змазки. Відомий спосіб виготовлення композитного антифрикційного матеріалу на основі ПТФЕ матриці та волокнистого наповнювача, що містить політетрафторетилен та дискретні вуглецеві волокна, згідно з яким з метою підвищення зносостійкості в режимі граничних навантажень спочатку підготовлюють армуючі вуглецеві волокна з вуглецевої тканини шляхом подрібнення її в молотковій дробарці при обертах 3000 об./хв., потім подрібнені волокна протирають через сито з діаметром отвору 1,25 мм, потім волокна подрібнюють в ножовій дробарці МРП-1 при 7000 об./хв., в результаті чого отримують вихідні вуглецеві волокна, довжина яких становить 203500 мкм. Підготовлені вуглецеві волокна (5-50 мас. %) змішують з порошком політетрафторетилену (95-50 мас. %) в мішалці при обертах 5000-22500 об./хв., потім спікають при 360-390 °C. Спечену масу подрібнюють в мішалці при 5000-22500 об./хв., і класифікують за розмірами від 50 до 300 мкм., потім такі дискретні частинки (від 5 до 95 мас. %) змішують з порошкоподібним політетрафторетиленом і проводять спікання. Значення коефіцієнта тертя та інтенсивності зношування виготовленого таким чином композитного матеріалу досягають -7 3 відповідно 0,2 та 2,0-10 мм /Нм. (А.с. СРСР 1723084, MПК C08J 5/16, Опубл. 30.03.92). Недоліками цього способу виготовлення композитного матеріалу є його складність, недостатні значення міцності та зносостійкості. Відомий композитний антифрикційний матеріал, що містить ПТФЕ і наповнювач серпентиніту (серпентиніт являє собою суміш волокнистого хризотилу, пластинчатого антигориту та масивного лізардиту), попередньо механоактивованого в планетарному млині протягом 2 хвилин, співвідношення компонентів (мас. %) наступне: механоактивований серпентиніт 1-5, решта - ПТФЕ. Суміш порошків ПТФЕ та серпентиніту пресують та спікають при 375-380 °C (Патент Російської Федерації № 2 460 742, МПК C08J 5/16, C08L 27/18,C08L 27/12, Опубл. 27.05.2012). Найкращі значення коефіцієнта тертя та масового зношування відповідно становлять 0,18 та 9,2 мг. Недоліком такого композитного антифрикційного матеріалу є недостатня зносостійкість та значний коефіцієнт тертя. Найбільш близьким способом та композитним антифрикційним матеріалом, виготовленим за цим способом, є композитний матеріал, що містить 0, 2, 5, 10 і 15 мас. % одностінних вуглецевих нанотрубок (ОВНТ), решта - ПТФЕ. Матеріал матриці, описаний у найближчому аналогу, був політетрафторетилен з середнім розміром частинок приблизно 30 мкм. Як наповнювач були використані одношарові вуглецеві нанотрубки (ОВНТ), що мають середні значення діаметра і довжини відповідно 2 нм і 5 мкм. Після обробки ОВНТ ультразвуком в ізопропіловому спирті протягом 1 год. (з метою розділення агломератів трубок) вони все ж були скупчені в агломерати. Перед обробкою ОВНТ протирали через сито, з розміром отвору 0,422 мкм, після чого механічно змішували в міксері в середовищі етанолу з скляними намистинками (тіла для розмелювання) на високій швидкості (3000 об./хв) протягом 10 хв., потім вміст контейнера перемішували ультразвуком протягом 30 хв. Після цього гранули видаляли і етанол випарювали. Відповідні маси ОВНТ і ПТФЕ змішували для досягнення 0, 2, 5, 10 і 15 мас. % ОВНТ-ПТФЕ сумішей. Вказані суміші порошків з добавками етанолу механічно змішували при високій швидкості протягом 5 хв, а потім диспергували ультразвуком протягом 10 хв. і сушили протягом ночі при 60 °C в низькому вакуумі. Після диспергування та сушіння порошки пресували при 363 °C. Для кількісного зносу і тертя використовували зворотно-поступальний трибометр (J.R. Vail, D.L. Burris, W.G. Sawyer. Multifunctionality of single-walled carbon nanotubepolytetrafluoroethylene nanocomposites // Wear. - 2009. - Vol.267, Issues 1-4. - P. 619-624). При -5 3 вмісті одностінних вуглецевих нанотрубок 5 мас. % зносостійкість становили 3·10 мм /Нм, а коефіцієнт тертя - 0,19. Недоліком такого композитного антифрикційного матеріалу є недостатня зносостійкість, значний коефіцієнт тертя та збільшення вартості композитного матеріалу за рахунок високої вартості одностінних вуглецевих нанотрубок. Задачею винаходу "Композитний антифрикційний матеріал та спосіб його виготовлення" є розроблення композитного антифрикційного матеріалу та способу його виготовлення, що забезпечує створення композитного матеріалу з підвищеними характеристиками. Задача вирішується тим, що як наповнювач композитного антифрикційного матеріалу, використовують мікро- та нановолокна SiC, причому вміст мікро- та нановолокна SiC становить 5-15 мас. %, а ПТФЕ 4Д - 85-95 мас. %, при співвідношенні мікро- та нановолокон 20:80 мас. %. 1 UA 108907 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 З метою рівномірного розподілення мікро- та нановолокон SiC в матриці, виготовлювали суспензію мікро- та нановолокна SiC, яку змішували з суспензією політетрафторетилену 4Д. Перед виготовленням суспензії мікро- та нановолокон SiC їх подрібнювали в кульовому планетарному млині протягом 10-20 хв. Перед виготовленням суспензії мікро- та нановолокна SiC їх дезінтегрували шляхом електрогідроімпульсної обробки. Суспензію мікро- та нановолокон SiC перед змішуванням з суспензію політетрафторетилену 4Д обробляли в ультразвуковій мішалці протягом 5-10 хвилин. Як рідину для суспензії мікро- та нановолокна SiC використовували ацетон або етиловий спирт. Суміш суспензій готували шляхом вливання суспензії мікро- та нановолокна SiC в суспензію ПТФЕ 4Д з одночасним перемішуванням суміші суспензій з допомогою механічної мішалки протягом 5-10 хв. Використання мікро- та нановолокон SiC, як наповнювача композитного антифрикційного матеріалу, в кількості 5-15 мас. % при співвідношенні 20:80 мас. % завдяки високим механічним властивостям карбіду кремнію, суттєво поліпшує зносостійкість і зменшує коефіцієнт тертя композиту в порівнянні з композитним антифрикційним матеріалом - найближчим аналогом. Подрібнення мікро- та нановолокон SiC, дезінтеграція шляхом електрогідроімпульсної обробки та виготовлення їх суспензії в ацетоні або етиловому спирті необхідне для досягнення рівномірного їх розміщення в матриці композиту. Додавання суспензії мікро- та нановолокон SiC до суспензії ПТФЕ одночасним перемішуванням суміші суспензій за допомогою механічної мішалки протягом 5-10 хв. дало змогу отримати рівномірне розміщення мікро- та нановолокон SiC серед частинок ПТФЕ. Нанесення суміші суспензій на підкладку і подальше її спікання на повітрі при кімнатній температурі дає змогу отримувати композитний антифрикційний матеріал з підвищеними характеристиками. Вказані вище обґрунтування створення композитного антифрикційного матеріалу та здійснення способу його виготовлення показують наступні приклади та ілюструють фігури 1-3. Приклад 1. Вихідні мікро- та нановолокон SiC (Фіг. 1) з метою первинного більш однорідного розподілення просіювали через сітку з розміром комірки 0,315 мм. Просіяні мікро- та нановолокна SiC (Фіг. 2) з розрахунку 5 мас. % змішували з етиловим спиртом протягом 5-10 хвилин за допомогою диспергатора УЗД і отримували розчин сірого кольору, який швидко виливали в суспензію фторопласту 4Д. При подальшому механічному перемішуванні суміші суспензій відбувалось її загущення з виділенням етилового спирту та води. Отриману суміш після сушіння подрібнювали до частинок розміром 2-3 мм і з такої шихти пресували та спікали зразки-колодочки для проведення триботехнічних випробувань (Фіг. 3). Приклад 2. Вихідні мікро- та нановолокна SiC з метою первинного більш однорідного розподілення просіювали через сітку з розміром комірки 0,315 мм. Просіяні мікро- та нановолокна SiC з розрахунку 10 мас. % змішували з етиловим спиртом протягом 5-10 хвилин за допомогою УЗД і отримували розчин сірого кольору, який швидко виливали в суспензію фторопласту 4Д. При подальшому механічному перемішуванні суміші суспензій відбувалось її загущення з виділенням етилового спирту та води. Отриману суміш після сушіння подрібнювали до частинок розміром 2-3 мм і з такої шихти пресували та спікали зразки-колодочки для проведення триботехнічних випробувань. Приклад 3. Вихідні мікро- та нановолокна SiC з метою первинного більш однорідного розподілення просіювали через сітку з розміром комірки 0, 315 мм. Просіяні мікро- та нановолокна SiC з розрахунку 15 мас. % змішували з етиловим спиртом протягом 5-10 хвилин за допомогою УЗД і отримували розчин сірого кольору, який швидко виливали в суспензію фторопласту 4Д. При подальшому механічному перемішуванні суміші суспензій відбувалось її загущення з виділенням етилового спирту та води. Отриману суміш після сушіння подрібнювали до частинок розміром 2-3 мм і з такої шихти пресували та спікали зразки-колодочки для проведення триботехнічних випробувань. Триботехнічні випробування зразків проводили на машині тертя М-22М при постійній швидкості ковзання 0,5 м/с і змінних навантаженнях. Як контртіла, використовували циліндр із загартованої сталі 45. Для порівняння антифрикційних характеристик в даних умовах був випробуваний фторопласт 4Д без наповнювача. Знос чистого фторопласту при тиску 0,5 та 1,0 МПа складає 700 і 1300 мкм/км. При подальшому збільшенні тиску зношення чистого фторопласту було катастрофічним. Результати триботехнічних випробувань чистого фторопласту 4Д та наповненого 3, 5, 10, 15 мас. % мікро- та нановолокон SiC наведені в таблицях 1 і 2. 2 UA 108907 C2 Таблиця 1 Вплив складу композиту та тиску на коефіцієнт тертя № 1 2 3 4 5 Матеріал, мас. % Фторопласт 4Д (Фт) Фт+3 % SiC Фт+5 % SiC Фт+10 % SiC Фт15 % SіС 0,19 Тиск, МПа 1,0 1,5 Коефіцієнт тертя 0,15 0,15 0,16 0,19 0,21 0,15 0,14 0,15 0,19 0,5 0,11 0,13 0,14 0,15 2,0 0,09 0,11 0,11 0,14 Таблиця 2 Вплив складу композиту та тиску на інтенсивність зношування № 1 2 3 4 5 5 10 15 Матеріал, мас. % Фторопласт 4Д (Фт) Фт+3 % SiC Фт+5 % SiC Фт+10 % SiC Фт15 % SіС 0,5 700 10 0 0 0 Тиск, МПа 1,0 1,5 2,0 Інтенсивність зношування, мкм/км 130 0 15 0 10 30 40 30 50 55 70 55 60 95 Отримані результати свідчать про те, що коефіцієнт тертя та зносостійкість армованих композитів значно залежать від вмісту мікро- та нановолокон SiC. Додавання трьох відсотків мікро- та нановолокон SiC в фторопласт призводить до підвищення зносостійкості композиту в десятки разів. Із збільшенням вмісту нановолокон у фторопластовій матриці до 15 мас. % при заданій швидкості ковзання і тиску 0,5 МПа при сумарному шляху тертя 3-5 км знайти зношування композицій не вдалося (знос заміряли на зразках після кожного кілометра тертя). При вмісті мікро- та нановолокон SiC в кількості 5 мас. % зафіксованого при тисках 0,5-1,0 МПа зношування не спостерігали, а при тисках 1,5 та 2,0 МПа інтенсивность зношування знаходяться в межах 30-50 мкм/км. Вищеописані приклади показують, що даний композитний матеріал та спосіб його виготовлення забезпечують підвищені характеристики композитного антифрикційного матеріалу. Пропонований композитний антифрикційний матеріал може бути успішно використаний для виготовлення підшипників ковзання, що працюють в екстремальних умовах без їх змащування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 1. Композитний антифрикційний матеріал, що містить з політетрафторетиленову матрицю та волокнистий наповнювач, який відрізняється тим, що як наповнювач використані мікро- та нановолокна SiC, причому вміст вказаних волокон в ньому становить 5-15 мас. %, а політетрафторетилену 4Д (ПТФЕ 4Д) - 85-95 мас. % при співвідношенні вмісту мікро- та нановолокон 20:80 мас. %. 2. Спосіб виготовлення композитного антифрикційного матеріалу шляхом введення волокнистого наповнювача в політетрафторетилен, який відрізняється тим, що виготовляють суспензію мікро- та нановолокна SiC в етиловому спирті або ацетоні, яку змішують з суспензією політетрафторетилену, одержану суміш наносять на підкладку і спікають, перед виготовленням суспензії вказаних волокон зазначені волокна подрібнюють у кульковому планетарному млині протягом 10-20 хв., далі ці волокна дезінтегрують шляхом електрогідроімпульсної обробки та одержану вказану суспензію волокон обробляють в ультразвуковій мішалці протягом 5-10 хв., 3 UA 108907 C2 далі готують суміш суспензій мікро-та нановолокон з суспензією ПТФЕ 4Д з одночасним перемішуванням цієї суміші за допомогою механічної мішалки протягом 5-10 хв. 4 UA 108907 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5