RU2319713C1 - Composition polymeric material of tribotechnical designation - Google Patents

Abstract

FIELD: polymers.

SUBSTANCE: invention proposes composition polymeric material of tribotechnical designation based on polytetrafluoroethylene, coke and activated magnesium spinel and can be used in machine and mechanisms heavy-loaded friction units. The composition polymeric material comprises the following components, wt.-%: coke, 13.0-14.5; magnesium spinel activated in planetary mill AGO-2 for 2 min, 0.5-2, and polytetrafluoroethylene, the balance. Using the invention allows enhancing longevity and working ability of friction units based on high abrasion resistance, low friction coefficient that are determined by the composition structure.

EFFECT: improved and valuable properties of material.

1 tbl

Description

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.The invention relates to the field of polymer materials science, and in particular to the development of tribotechnical polymer composites that can be used for the manufacture of sliding bearings and other elements of friction units operating under conditions of increased loads and sliding speeds.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но не могут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения вследствие недостаточной износостойкости, что снижает ресурс их работы.Composite materials are known for the manufacture of sliding bearings, mechanical seals and other elements of friction units based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and inorganic fillers of various chemical nature [Istomin NP, Semenov AP Antifriction properties of composite materials based on fluoroplastics. - M .: Nauka, 1987. - 147 p.]. The materials are known as self-lubricating antifriction with a low coefficient of friction, but cannot be operated under conditions of increased loads and sliding speeds due to insufficient wear resistance, which reduces the resource of their work.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является промышленно выпускаемый композит марки Ф4К20 на основе ПТФЭ (80 мас.%) и кокса (20 мас.%) (прототип) (Паншин Ю.А. и др. Фторопласты. Л.: Химия, 1978, с.217-219).The closest in technical essence to the claimed material is an industrially produced composite brand F4K20 based on PTFE (80 wt.%) And coke (20 wt.%) (Prototype) (Panshin Yu.A. et al. Fluoroplasts. L .: Chemistry, 1978, p. 217-219).

Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется повышенным значением коэффициента трения, что существенно ограничивает области применения.Having high wear resistance, the material is characterized by an increased value of the coefficient of friction, which significantly limits the scope.

Технической задачей изобретения является снижение коэффициента трения композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении высокой износостойкости.An object of the invention is to reduce the coefficient of friction of a composite material based on PTFE while maintaining high wear resistance.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ кокса и активированного наномодификатора - шпинели магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:Achieving a positive effect is provided by introducing coke and an activated nanomodifier — magnesium spinel into PTFE — in the following ratio of components, wt.%:

КоксCoke 13,0-14,513.0-14.5 Шпинель магния (MgAl₂O₄)Magnesium Spinel (MgAl ₂ O ₄ ) 0,5-2,00.5-2.0 Политетрафторэтилен (ПТФЭ)Polytetrafluoroethylene (PTFE) ОстальноеRest

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый, рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2170-2190 кг/м³, Т_пл 327°С.Polytetrafluoroethylene (fluoroplast-4) is an industrial product of GOST 10007-80, which is a white, loose powder with a crystallinity of 95–98% before sintering, 50–70% after sintering and a density of 2170-2190 kg / m ³ , T _pl 327 ° FROM.

Кокс литейный - рассыпчатый порошок углерода черного цвета. Средний размер частиц 10 мкм. Плотность 1730 кг/м³, ГОСТ 3340-80.Foundry coke - black powder of friable carbon. The average particle size is 10 microns. Density 1730 kg / m ³ , GOST 3340-80.

Шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза. Средний размер частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170 - 200 м²/г [Пат.2078037 РФ, С1 С01В 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла. Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т., Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25. Заявл. 31.05.1993. Опубл. 27.04.1997. Бюл.№ 12].Magnesium spinel is a product obtained by mechanochemical synthesis. The average particle size is 80 nm; specific surface area - 170 - 200 m ² / g [Pat. 2078037 RF, C1 СВВ 33/20, 33/26. A method of producing an alkaline earth metal aluminosilicate. Avvakumov E.G., Devyatkina E.T., Kosova N.V., Lyakhov N.Z. - No. 93029074/25. Claim 05/31/1993. Publ. 04/27/1997. Bull. No. 12].

Для получения композиции в политетрафторэтилен вводили кокс и шпинель магния, подвергнутую механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин [Аввакумов Е.Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. -Т.2, №2-3. - С.541-559].To obtain a composition, coke and magnesium spinel were introduced into polytetrafluoroethylene, subjected to mechanical activation in an AGO-2 planetary mill for 2 min [E. Avvakumov. Soft mechanochemical synthesis // Chemistry of sustainable development. - 1994. -T.2, No. 2-3. - S.541-559].

Введение в композиционный материал нанопорошка шпинели магния обусловлено его активным поведением при трении и изнашивании композита. Известно, что наночастицы шпинели магния образуют на поверхностях трения кластерные структуры, ориентированные по направлению скольжения, что приводит к снижению коэффициента трения [Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Попов С.Н., Авакумов Е.Г. Композиционные материалы на основе полимеров с добавками дисперсных частиц неорганических соединений // Химия в интересах устойчивого развития. - 2004. - С.627-636].The introduction of magnesium spinel nanopowder into the composite material is due to its active behavior during friction and wear of the composite. It is known that magnesium spinel nanoparticles form cluster structures on friction surfaces oriented in the sliding direction, which leads to a decrease in the friction coefficient [Okhlopkova AA, Petrova PN, Popov SN, Avakumov EG Composite materials based on polymers with additives of dispersed particles of inorganic compounds // Chemistry in the interests of sustainable development. - 2004. - S.627-636].

Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и устранения агломерации частиц.The mechanical activation of the filler was carried out in order to obtain a powder uniform in dispersion and to eliminate particle agglomeration.

Предварительная обработка шпинели магния в планетарной мельнице АГО-2 способствовала усреднению дисперсного состава наполнителя, устранению агломерации частиц и повышению их структурной активности. Это привело к образованию более плотной упорядоченной структуры при введении активированной шпинели магния в композит, содержащий 13-15% кокса, и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (таблица). Диспергирование частиц шпинели магния и их структурообразующие свойства зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.Pretreatment of magnesium spinel in the AGO-2 planetary mill averaged the dispersed composition of the filler, eliminated particle agglomeration, and increased their structural activity. This led to the formation of a denser ordered structure upon the introduction of activated magnesium spinel into a composite containing 13-15% coke, and, as a result, to an increase in the tribological characteristics of the material (table). The dispersion of magnesium spinel particles and their structure-forming properties were recorded by electron microscopy and X-ray diffraction analysis.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили кокс и активированную шпинель магния, помещая расчетную массу полимера и наполнителей в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали их в электрической печи при температуре 370±5°С.To obtain a composite material, coke and activated magnesium spinel were introduced into PTFE, placing the calculated mass of polymer and fillers in a high-speed mixer and mixing until a homogeneous mass was obtained. Then, preforms of the required shape were made from the composition by cold pressing and sintered in an electric furnace at a temperature of 370 ± 5 ° C.

Сочетание ПТФЭ, кокса и шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, низким коэффициентом трении, при сохранении прочностных показателей по сравнению с прототипом.The combination of PTFE, coke and magnesium spinel allows to obtain a composite material with high wear resistance, low coefficient of friction, while maintaining strength characteristics compared to the prototype.

Пример. 85 г политетрафторэтилена, 14 г кокса и 1 г активированной шпинели магния смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводили в электрической печи при температуре 370±5°С.Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.Example. 85 g of polytetrafluoroethylene, 14 g of coke and 1 g of activated magnesium spinel were mixed in a paddle mixer until a homogeneous mass was obtained. After mixing, the composition was dried in an oven at a temperature of 100-120 ° C for 1 h. Then the composition was placed in a mold and the product was pressed at a specific pressure of 50 MPa. Sintering was carried out in an electric furnace at a temperature of 370 ± 5 ° C. Sintered products were cooled directly in the furnace.

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

Методики определения свойств композитаMethods for determining the properties of a composite

Прочностные свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» (Англия) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин. Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец - втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью 0,06-0,07 мкм.The strength properties of the inventive antifriction material are determined on standard samples (GOST 11262-80). The tests were carried out on an Instron machine (England) at a moving gripper speed of 100 mm / min. Tribotechnical parameters are determined on a friction machine SMC-2 according to the "shaft-sleeve" scheme. The load is 67 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, a counterbody - a steel shaft with a hardness of 45-50 HRC, a roughness of 0.06-0.07 microns.

Технико-экономическая эффективностьFeasibility

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет увеличить износостойкость, что видно по уменьшению скорости убывания массы образца I, а также - снизить коэффициент трения f при сохранении прочностных характеристик σ_сж. Как видно из приведенных данных, износостойкость возросла в 30-50 раз, коэффициент трения снизился в 1,5-3,5 раза по сравнению с прототипом при сохранении прочностных показателей. Оптимальное содержание наполнителей: кокс 13,0-14,5 мас.%, шпинель магния - 0,5-2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.The use of the claimed invention, implemented on standard equipment, allows to increase wear resistance, as can be seen from the decrease in the rate of decrease in mass of sample I, and also to reduce the friction coefficient f while maintaining the strength characteristics σ _sr . As can be seen from the above data, the wear resistance increased by 30-50 times, the friction coefficient decreased by 1.5-3.5 times compared with the prototype while maintaining strength characteristics. The optimal content of fillers: coke 13.0-14.5 wt.%, Magnesium spinel - 0.5-2.0 wt.%. A further increase in the filler content leads to a decrease in strength and tribotechnical characteristics, an increase in the coefficient of friction.

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

ТаблицаTable Характеристики ПКМ, наполненных коксом и шпинелью магнияCharacteristics of PCMs filled with coke and magnesium spinel №No. СоставStructure Содержание компонентов, мас.%The content of components, wt.% σ_сж, МПаσ _squ , MPa I×10^-6, кг/чI × 10 ^-6 kg / h ff при 10%at 10% при 25%at 25% 1.one. ПТФЭ +PTFE + 8585 1616 2424 0,150.15 0,180.18   кокс +coke + 14,814.8           шпинель магнияmagnesium spinel 0,20.2         2.2. ПТФЭ +PTFE + 8585 1919 30thirty 0,030,03 0,080.08   кокс +coke + 14,514.5           шпинель магнияmagnesium spinel 0,50.5         3.3. ПТФЭ +PTFE + 8585 1919 2929th 0,050.05 0,100.10   кокс +coke + 14fourteen           шпинель магнияmagnesium spinel 1one         4.four. ПТФЭ +PTFE + 8585 1717 2828 0,080.08 0,130.13   кокс +coke + 1313           шпинель магнияmagnesium spinel 22         5.5. ПТФЭ +PTFE + 8585 1616 2727 0,120.12 0,200.20   кокс +coke + 1212           шпинель магнияmagnesium spinel 33         6.6. ПТФЭ +PTFE + 8585 1616 2626 0,150.15 0,300.30   кокс +coke + 1010           шпинель магнияmagnesium spinel 55         7.7. Ф4К20F4K20 8080 18eighteen 2929th 1,0-1,61.0-1.6 0,15-0,300.15-0.30   (прототип)(prototype) 20twenty        

Claims (1)

Композиционный полимерный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и кокс, отличающийся тем, что материал содержит наномодификатор - шпинель магния, активированную в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:Composite polymer material for tribotechnical purposes, containing polytetrafluoroethylene and coke, characterized in that the material contains a nanomodifier - magnesium spinel activated in the AGO-2 planetary mill for 2 minutes, in the following ratio, wt.%: КоксCoke 13,0-14,513.0-14.5 Шпинель магния (MgAl₂O₄)Magnesium Spinel (MgAl ₂ O ₄ ) 0,5-2,00.5-2.0 ПолитетрафторэтиленPolytetrafluoroethylene ОстальноеRest