RU2296139C2 - Antifriction polymer composition - Google Patents

Abstract

FIELD: antifriction polymeric materials.

SUBSTANCE: invention relates to antifriction-destined structural polymeric composite material based on high-molecular weight polyethylene, which material can be used for manufacturing friction unit elements characterized by increased load-carrying capacity (slider bearing bushings, rolling bearing separators) and sealing members of rotation and reciprocation motion couples. Composition contains high-molecular weight polyethylene and inorganic filler. The latter represents synthetic cobalt or copper spinel activated in planetary mill for 1-2 min.

EFFECT: improved deformation-strength characteristics, wear resistance, and load-carrying capacity of materials.

1 tbl, 10 ex

Description

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к антифрикционным полимерным материалам, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.The invention relates to the field of polymer materials science, namely to antifriction polymer materials that can be used for the manufacture of sliding bearings, sealing elements of pairs of rotational and reciprocating movements and other elements of friction units.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. И.Н.Андреева, Е.В.Веселовская, Е.И.Наливайко и др. - Л.: Химия, 1982. - 80 с.]. Однако эти материалы не обладают достаточной износостойкостью и характеризуются низкими прочностными характеристиками.Composite materials are known for the manufacture of sliding bearings, mechanical seals and other elements of friction units based on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and inorganic fillers of various chemical nature [Ultra high molecular weight polyethylene. I.N. Andreeva, E.V. Veselovskaya, E.I. Nalivaiko and others. - L .: Chemistry, 1982. - 80 pp.]. However, these materials do not have sufficient wear resistance and are characterized by low strength characteristics.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является малонаполненный композит на основе высокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ) и ультрадисперсного β-сиалона, дисульфида молибдена (прототип) [патент 2126805 РФ, кл. С 08 J 5/16, С 08 L 27:06, 1999. Антифрикционная композиция / О.А.Адрианова, А.В.Виноградов, В.М.Листков и др. - №5068151/04; Заявл. 14.08.1992; Опубл. 27.02.1999; Бюл.№6].The closest in technical essence to the claimed material is a low-filled composite based on high molecular weight polyethylene (VMPE) and ultrafine β-sialon, molybdenum disulfide (prototype) [patent 2126805 of the Russian Federation, cl. C 08 J 5/16, C 08 L 27:06, 1999. Anti-friction composition / O. A. Adrianova, A. V. Vinogradov, V. M. Listkov and others. - No. 5068151/04; Claim 08/14/1992; Publ. 02/27/1999; Bull. No. 6].

Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется недостаточной прочностью, эластичностью, несущей способностью, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках.Possessing high wear resistance, the material is characterized by insufficient strength, elasticity, bearing ability, as a result of which it can be operated only at low loads.

Технической задачей изобретения является повышение деформационно-прочностных характеристик и несущей способности композиционного материала на основе ВМПЭ при сохранении высокой износостойкости и стабильного коэффициента трения.An object of the invention is to increase the deformation-strength characteristics and bearing capacity of a composite material based on VMPE while maintaining high wear resistance and a stable coefficient of friction.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ВМПЭ активированных в течение 2 мин, синтетических шпинели кобальта или меди при следующем соотношении компонентов (мас.%):Achieving a positive effect is achieved by introducing synthetic cobalt or copper spinels, activated for 2 min, into the VMPE in the following ratio of components (wt.%):

Синтетическая шпинель - 2,0Synthetic Spinel - 2.0

ВМПЭ - остальное.VMPE - the rest.

Высокомолекулярный полиэтилен - промышленный порошкообразный продукт (ТУ 6-05-18-96-80) с Мм 1,0·10⁺⁶-1,5·10⁶, температурой плавления 135°С, плотностью 936 кг/м³.High molecular weight polyethylene is an industrial powdery product (TU 6-05-18-96-80) with Mm 1.0 · 10 ⁺⁶ -1.5 · 10 ⁶ , melting point 135 ° C, density 936 kg / m ³ .

Синтетические шпинели меди и кобальта - продукты, полученные путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск). Физические параметры синтетических шпинелей меди и кобальта: размеры частиц - 0,05 - 0,1 мкм; удельная поверхность - 40-50 м²/г [Пат.2078037 РФ, С1 С 01 В 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочно-земельного металла / Е.Г.Аввакумов, Е.Т.Девяткина, Н.В.Косова, Н.Э.Ляхов - №93029074/25; Заявл. 31.05.1993; Опубл. 27.04.1997; Бюл.№-12].Synthetic spinels of copper and cobalt are products obtained by mechanochemical synthesis at the Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS (Novosibirsk). Physical parameters of synthetic spinels of copper and cobalt: particle sizes - 0.05 - 0.1 microns; specific surface - 40-50 m ² / g [Pat. 2078037 RF, C1 С 01 В 33/20, 33/26. A method of producing an aluminosilicate of alkaline earth metal / E.G. Avvakumov, E. T. Devyatkina, N. V. Kosova, N. E. Lyakhov - No. 93029074/25; Claim 05/31/1993; Publ. 04/27/1997; Bull. No.-12].

Для получения композиции в ВМПЭ вводили синтетические шпинели кобальта или меди, подвергнутые механической активации в течение 1-2 мин в планетарной мельнице АГО-2 [Аввакумов Е.Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. - Т.2, №2-3. - С.541-559]. Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и повышения реакционной способности частиц синтетических шпинелей, так как ВМПЭ, как полимерное связующее, характеризуется инертностью, низкой адгезионной способностью, что затрудняет межфазное взаимодействие в композите и, таким образом, сдерживает процессы структурообразования. Помещая расчетную массу полимера и наполнителя в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 180°С.To obtain a composition, synthetic cobalt or copper spinels were introduced into VMPE, subjected to mechanical activation for 1-2 min in the AGO-2 planetary mill [Avvakumov EG Soft mechanochemical synthesis // Chemistry of sustainable development. - 1994. - T.2, No. 2-3. - S.541-559]. The mechanical activation of the filler was carried out in order to obtain a powder with a uniform dispersion and to increase the reactivity of synthetic spinel particles, since VMPE, as a polymer binder, is characterized by inertness, low adhesive ability, which complicates interfacial interaction in the composite and, thus, inhibits the processes of structure formation. By placing the calculated mass of polymer and filler in a high-speed mixer, they were mixed until a homogeneous mass was obtained. Then, preforms of the required shape were made from the composition using cold pressing technology, followed by free sintering at a temperature of 180 ° C.

Введение в ВМПЭ синтетических шпинелей кобальта или меди, механоактивированных в планетарной мельнице в течение 1-2 мин, позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, несущей способностью, стабильным коэффициентом трения и повышенными деформационно-прочностными показателями.Introduction to VMPE of synthetic cobalt or copper spinels mechanically activated in a planetary mill for 1-2 minutes allows one to obtain a composite material with high wear resistance, load-bearing ability, stable friction coefficient and increased deformation and strength characteristics.

Подобные свойства композита заявляемого состава обусловлены влиянием активированного наполнителя на процессы формирования структуры композита, и определяются механической активацией наполнителя в процессе обработки в планетарной мельнице. Механическая активация наполнителя заключается в повышении дисперсности и структурной активности. Введение его в полимер приводит к формированию более упорядоченной структуры композита с плотной упаковкой структурных элементов, что подтверждено результатами электронно-микроскопических исследований.Similar properties of the composite of the claimed composition are due to the influence of the activated filler on the formation processes of the composite structure, and are determined by the mechanical activation of the filler during processing in a planetary mill. The mechanical activation of the filler is to increase the dispersion and structural activity. Its introduction into the polymer leads to the formation of a more ordered structure of the composite with a dense packing of structural elements, which is confirmed by the results of electron microscopic studies.

Пример. 98,0 г ВМПЭ и 2,0 г активированного в течение 1-2 мин порошка синтетического шпинели смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделие при удельном давлении 40 МПа, затем спекают при 180°С в течение 2 ч с выдержкой при температуре 80°С в течение 1 ч. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.Example. 98.0 g of VMPE and 2.0 g of synthetic spinel powder activated for 1-2 minutes are mixed in a paddle mixer until a homogeneous mass is obtained. Then the composition is placed in the mold and the product is pressed at a specific pressure of 40 MPa, then sintered at 180 ° C for 2 hours with exposure at a temperature of 80 ° C for 1 hour. The sintered products are cooled directly in the furnace.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.Other examples of obtaining composite material of the claimed composition are shown in the table.

Методики определения свойств композитаMethods for determining the properties of a composite

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» при скорости перемещения подвижных захватов 50 мм/мин.Physico-mechanical properties of the claimed anti-friction material are determined on standard samples (GOST 11262-80). The tests were carried out on an Instron machine at a moving gripper speed of 50 mm / min.

Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67-6700 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец - втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал. Результаты испытаний представлены в таблице.Tribotechnical parameters are determined on a friction machine SMC-2 according to the "shaft-sleeve" scheme. The load is 67-6700 N, the sliding speed is 0.39 m / s, the friction path is 7 km. The test sample is a sleeve with a diameter of 32-22 mm, a height of 21 mm, the counterbody is a steel shaft. The test results are presented in the table.

Технико-экономическая эффективностьFeasibility

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет повысить деформационно-прочностные характеристики, несущую способность композиционного материала до 6700 Н, при сохранении высокой износостойкости в сочетании со стабильным коэффициентом трения. Как видно из приведенных данных, прочность при разрыве возросла по сравнению с прототипом на 40-44%, эластичность на 20-25%, износостойкость в 3-5 раз. Оптимальное время активации наполнителя - 1-2 мин, содержание механоактивированного наполнителя - 2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение времени активации наполнителя приводит к снижению деформационно - прочностных показателей и износостойкости.The use of the claimed invention, implemented on standard equipment, allows to increase the deformation and strength characteristics, the bearing capacity of the composite material up to 6700 N, while maintaining high wear resistance in combination with a stable coefficient of friction. As can be seen from the above data, the tensile strength increased in comparison with the prototype by 40-44%, elasticity by 20-25%, wear resistance by 3-5 times. The optimal filler activation time is 1-2 minutes, the content of mechanically activated filler is 2.0 wt.%. A further increase in the activation time of the filler leads to a decrease in deformation - strength indicators and wear resistance.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования, в том числе при повышенных нагрузках.The use of the antifriction composition of the claimed composition will increase the service life of products in friction units of machines and equipment, including at high loads.

Таблица примеровTable of examples №No. СоставStructure   Физико-механические характеристикиPhysical and mechanical characteristics Износ (мг) при нагрузке Р (Н)Depreciation (mg) at load P (N)           ВремяTime Предел прочности при разрыве, σ_р, МПаTensile strength at break, σ _p , MPa Относит. удлинение при разрыве, ε_р, %Relates. elongation at break, ε _p ,% 6767 150150 67006700 Коэффициент трения, fCoefficient of friction, f активацииactivation наполнителя,filler минmin   1one ВМПЭWMPE -- 3131 410410 8,08.0 25,025.0 587,0587.0 0,150.15 22 ВМПЭ+CoAl₂O₄ VMPE + CoAl ₂ O ₄ -- 3232 390390 2,72.7 8,18.1 646,0646.0 0,170.17 33 -″-- ″ - 1one 3434 430430 2,32,3 7,07.0 562,0562.0 0,160.16 4four -″-- ″ - 22 3838 460460 1,51,5 4,64.6 482,0482.0 0,130.13 55 -″-- ″ - 33 3636 420420 2,02.0 6,56.5 497,0497.0 0,140.14 66 ВМПЭ+CuAl₂O₄ VMPE + CuAl ₂ O ₄ -- 3333 400400 2,42,4 7,17.1 657,0657.0 0,180.18 77 -″-- ″ - 1one 3535 420420 1,81.8 5,55.5 483,0483.0 0,170.17 88 -″-- ″ - 22 3939 470470 1,21,2 3,73,7 462,0462.0 0,120.12 99 -″-- ″ - 33 3737 390390 1,31.3 3,83.8 467,0467.0 0,130.13 1010 ВМПЭ+β-сиалон (прототип)VMPE + β-sialon (prototype) -- 25-2725-27 350-375350-375 6,06.0 18,018.0 -- 0,150.15

Claims (1)

Антифрикционная композиция, содержащая высокомолекулярный полиэтилен и неорганический наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве неорганического наполнителя содержит синтетическую шпинель кобальта или меди, активированную в планетарной мельнице течение 1-2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:An antifriction composition containing high molecular weight polyethylene and an inorganic filler, characterized in that it contains synthetic cobalt or copper spinel activated in a planetary mill for 1-2 minutes as an inorganic filler, in the following ratio, wt.%: Синтетическая шпинель кобальта или медиSynthetic cobalt or copper spinel 2,02.0 Высокомолекулярный полиэтиленHigh molecular weight polyethylene остальноеrest