Антифрикционный композиционный материал

08 5/16 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси(73) Патентообладатель Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси(57) Антифрикционный композиционный материал, содержащий фенольную смолу, оксиды кремния, алюминия, железа и углеродный компонент, отличающийся тем, что он содержит в качестве углеродного компонента высокодисперсную сажу и дополнительно гидроксиды калия, кальция и железа при следующем оотношении компонентов, мас.2 25 - 45 23 15 - 36 23 3-8 КОН 1-4(56) 1. Патент США 4316834, МПК 308 6/06, 1982. 2. Выложенная заявка Японии 53-134 848, МПК 208 5/16, 1978. 3. Выложенная заявка Японии 57-187349, МПК 308 61/06,08 3/34, 1982 (прототип). Изобретение относится к области создания композиционных материалов на основе фенольных полимерных связующих, предназначенных для эксплуатации в узлах трения скольжения в условиях граничной смазки водой, минеральными маслами, многоатомными спиртами и их водными растворами. Известен материал 1 на основе фенолоформальдегидного связующего, содержащий графит и свинцовый порошок. Недостатком данного материала является низкая износостойкость в условиях трения скольжения в присутствии жидкой смазочной среды. Повышенный износ материала обусловлен тем, что в качестве основного наполнителя используется графит, который обладает низкими прочностными характеристиками, что в сочетании с его высокой удельной поверхностью не позволяет обеспечить прочную связь между фенольным связующим и наполнителем. В следствии этого трение полимера в жидких смазочных средах сопровождается разрушением поверхностных слоев материала и высоким износом как полимера, так и металлического контртела. Известен материал 2 для изготовления элементов узлов трения, состоящий из углеродного порошка,фенольной смолы, невулканизированной резины и окиси железа. Недостатком данного материала является повышенный износ в воде и водных растворах многоатомных спиртов, что связано с проникновением низкомолекулярных продуктов смазочной среды в поверхностный слой материала. В следствии чего при трении в условиях граничной смазки водой и водными растворами многоатомных спиртов образуются трещины на поверхности полимера, которые впоследствии приводят к удалению с поверхности композита частиц материала. Наиболее близкой к предлагаемому по составу и достигаемому эффекту является полимерная композиция 3, содержащая (мас.) фенолоформальдегидную смолу, 20-70 коротких неорганических волокон и 5-20 наполнителя в виде сферических частиц . Волокна содержат (мас. ) 52,5 2 22,81,7 А 2 О 3 0,30,5 е 23 0,8 Са 0,4 2 и 0,3 2. Недостатком данного материала является низкая износостойкость материалов сопряжения при смазке водой, минеральным маслом и водными растворами многоатомных спиртов. Кроме этого материал характеризуется повышенным абразивным воздействием на поверхность металлического контртела при трении с жидкостной смазкой. Задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного материала и металлического контртела, а также снижение коэффициента трения при трении в условиях граничной смазки водой, минеральными маслами, многоатомными спиртами и их водными растворами. Поставленная задача решается тем, что композиция, включающая термореактивное полимерное связующее фенольного типа и минеральный наполнитель на основе оксида кремния, оксида алюминия и оксида железа, дополнительно содержит сажу, гидрооксиды железа, калия и кальция при следующем соотношении компонентов, мас.окись кремния 25-45 окись алюминия 15-35 окись железа 3-8 гидроокись кальция 2-4 гидроокись калия 1-4 гидроокись железа 3-7 сажа 0,5-2 фенольная смола остальное. Оксиды металлов (оксид кремния, алюминия, железа) вводятся в композицию в качестве армирующего и конструкционного наполнителя, что снижает пластическую деформацию материала. Это позволяет повысить нагрузочную способность композиционного материала в режиме граничной смазки. В качестве добавок повышающих износостойкость композиционного материала, используются гидроксиды кальция, калия и железа, а также сажа. Данные компоненты являются пассиваторами коррозии, что также позволяет существенно снизить коррозионно-механический и водородный износ контртела. Высокие адсорбционные свойства предлагаемых добавок и наполнителя позволяют создать на поверхности прочный адсорбционный слой смазывающей жидкости и продуктов трибодеструкции, за счет чего предлагаемый материал характеризуется повышенной нагрузочной способностью по сравнению с аналогами и прототипом, обладает более высокими триботехническими свойствами. Авторам неизвестно техническое решение, позволяющее снизить интенсивность изнашивания и коэффициент трения фрикционного сопряжения при трении в условиях граничной смазки водой, минеральными маслами, многоатомными спиртами и их водными растворами. При изучении патентной информации и научно-технической литературы подобное решение не обнаружено. Эффект от использования заявленного технического решения не является следствием уже известных свойств объекта и обнаружен самими авторами. Для определения количественного состава компонентов материала проводились сравнительные фрикционные испытания композиционных материалов, отличающихся содержанием наполнителя и износостойких антифрикционных добавок. Изготовление пресс-материала осуществлялось по следующей технологии. Порошковый наполнитель перемешивался в шаровой мельнице в течение 1 часа, затем пропитывался фенолформальдегидной смолой и сушился в термошкафу при температуре 90-100 С в течении 3 часов. Перед прессованием материал измельчался и просеивался через сито с размером ячеек не более 1 мм. Пресс-материал прессовался при температуре 160 С и давлении 150 МПа, время выдержки под давлением 1,5 мин на 1 мм толщины изделия. Примеры составов композиционных материалов, аналогов и прототипа представлены в табл. 1. Фрикционные испытания проводили по следующей методике. Образцы, приготовленные в виде втулок с наружным диаметром 25 мм и внутренним диаметром 18 мм, испытывались по схеме торцевого трения на машине трения-верчения в среде жидкой смазки (40-го водного раствора этиленгликоля) при скорости скольжения 2,7 м/с и нагрузки 0,6 МПа в течение 180 мин. В качестве контртела использовался чугун марки СЧ 20 тех же размеров, что и композиционные образцы. Коэффициент взаимного перекрытия трущихся поверхностей равнялся 1. В качестве критериев, по которым производили сравнение работоспособности образцов, приняты следующие интенсивность изнашивания композита (ком.) м/м интенсивность изнашивания контртела (к.т.) м/м коэффициент трения . Результаты фрикционных испытаний образцов приведены в табл. 2. Таблица 1 Состав пресс-материалов, подвергающихся сравнительным фрикционным испытаниям, мас. Таблица 2 Результаты сравнительных фрикционных испытаний при смазке 40-ым водным раствором этиленгликоля п/п 10-10 м/м 0-12 м/м 1 3,6 17,0 0,032 2 0,72 8,7 0,029 3 0,54 1,9 0,021 4 1,0 7,3 0,042 5 2,1 10,0 0,032 6 11,0 14,0 0,035 7 2,2 32,0 0,031 8 7,5 22,0 0,036 9 1,4 5,1 0,025 10 2,1 2,9 0,029 11 1,2 5,7 0,026 12 2,6 3,2 0,029 13 1,4 4,5 0,028 14 2,2 6,2 0,030 15 1,9 4,3 0,025 16 0,8 7,4 0,028 аналог 1 1,6 10,0 0,065 аналог 2 2,1 9,0 0,060 прототип 1,9 9,5 0,045 Сравнительные испытания показали, что лучшими фрикционными характеристиками обладает образец 3, который превосходит в 2-3 раза по характеристикам аналоги и прототип. При этом значительно увеличивается износостойкость металлического контртела. Сравнительные испытания, выполненные при смазке водой, этиленгликолем и минеральным маслом, предлагаемого материала, аналогов и прототипа проводились по схеме описанной выше. Результаты сравнительных испытаний приведены в табл. 3. Таблица 3. Как следует из табл. 3 предлагаемый материал по сравнению с известными обладает более высокой износостойкостью и более низким коэффициентом трения в широком диапазоне смазочных сред, что достигается за счет введения в композиционный материал добавок с высокой адсорбционной способностью, обеспечивающих образование прочного адсорбционного слоя смазывающей жидкости на поверхности образца в процессе трения. Так, при трении в воде износостойкость предлагаемого композиционного материала в 4 раза выше износостойкости прототипа. Кроме этого, значительно снижается износ металлического контртела. При трении в масле, этиленгликоле и водном растворе этиленгликоля износ предлагаемого композиционного материала и металлического контртела меньше чем у аналогов и прототипа более чем в 2 раза. Для определения предельных нагрузок возможного применения разработанного материала, работающего в режиме граничной смазки по схеме торцевого трения втулка-втулка, проводились испытания в широком диапазоне нагрузок от 0,25 МПа до катастрофического износа при смазке водой, маслом, этиленгликолем и водным раствором этиленгликоля. По результатам испытаний установлено, что существенного изменения интенсивности износа не наблюдается при трении в воде до 3,5 МПа, в этиленгликоле до 13 МПа, в масле до 6 МПа и в водном растворе этиленгликоля до 11 МПа. Фрикционные испытания позволяют утверждать, что предлагаемый композиционный материал может быть использован в качестве конструктивных элементов скольжения в оборудовании, работающих в условиях граничной смазки водой, минеральными маслами, многоатомными спиртами и их водными растворами. Использование разработанного композиционного материала позволит заменить в узлах трения материалы из цветных металлов и сплавов, а также дорогостоящих антифрикционных полимерных материалов типа полигетероариленов. оставитель А.Ф. Фильченкова Редактор Т.А. Лущаковская Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.