Композиционный материал для узлов трения автомобильных агрегатов

 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для изготовления деталей трения с покрытием, используемых в автомобильных агрегатах. Композиционный материал для узлов трения автомобильных агрегатов содержит углеродный модификатор и полимерное связующее. Углеродный модификатор представляет собой смесь алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода с размером частиц 3-10 нм в соотношении 1: 1-1:10, а полимерное связующее представляет собой порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм, полученный криогенным диспергированием. В материале содержится 0,01-0,1 мас.% углеродного модификатора и порошка полиамида 6 - остальное количество до 100 мас.%. Изобретение позволяет повысить адгезионную прочность покрытия на металлах, упростить технологический процесс нанесения покрытия на металлические детали, уменьшить энергоемкость и экологическую вредность процесса нанесения покрытия на металлическую подложку. 3 табл.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для изготовления деталей трения с покрытием, используемых в автомобильных агрегатах типа карданная передача, амортизатор, тормозная камера и др.

Известны составы композиционных материалов, применяемых для изготовления покрытий, снижающих коэффициент трения и интенсивность изнашивания узлов машин и механизмов (Довгяло В. А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника, 1992. - С. 256). Такие покрытия разработаны на основе различных полимерных матриц, прежде всего полиамидов, полиолефинов, полиацеталей.

В немодифицированном виде большинство полимерных материалов обладает сравнительно низкой адгезией к металлическим подложкам, поэтому в их состав вводят различные функциональные добавки - порошки металлов, оксидов, перекиси, антиоксиданты (Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. - Минск: Наука и техника, 1992. - С. 256). Общим механизмом увеличения адгезионного взаимодействия покрытия на основе полимерной матрицы с металлической подложкой является увеличение количества полярных групп в граничном слое. Однако увеличение количества полярных групп, как правило, карбонильных или карбоксильных, приводит к увеличению скорости термоокислительной деструкции полимерной матрицы, в результате чего покрытие быстро разрушается в процессе эксплуатации.

Разработаны методы повышения адгезионной прочности полимерных покрытий путем функциональной обработки поверхностного слоя металлического контртела. Металлическую заготовку активируют путем механической обработки - пескоструйной, дробеструйной, шлифования и т.п.; наносят специальные слои, обеспечивающие прочное взаимодействие на границе раздела "покрытие - металл". Для нанесения специальных слоев на металлическую подложку используют растворы и расплавы полимерных и олигомерных композитов - эпоксидных, фенолформальдегидных смол, полиамидов и др. (Песецкий С.С. Исследование литьевых адгезионных соединений полиамидов с металлами: Автореф. дис....канд. техн. наук. - Рига, 1980. - С. 16).

Прототипом изобретения является композиционное покрытие на основе полиамида 11, которое наносят на металлические подложки, обработанные специальным клеющим составом (Dеsigning for Rilsan coatings. - ЕLF АТОСНЕМ, Раris, 1999. - Р. 18). Такие покрытия под торговой маркой Rilsan и клеющие составы, выпускаемые под торговой маркой Rilprim, применяются в автомобильных агрегатах, выпускаемых ведущими фирмами мира и в т.ч. Меrsedes Benz, Wabko, Соmаtsu, Fоrd и др.

В состав полиамида 11 (Rilsan) вводят целевые добавки - антиоксиданты, красители, сухие смазки, в качестве которых применяют графит, дисульфид молибдена, алифатические амины. Полиамид 11, применяемый для нанесения покрытий, выпускают в виде порошка с размером частиц 80-10 мкм. Для обеспечения стабильного уровня адгезионной прочности покрытия с подложкой из углеродистых сталей используют подслой ("праймер") Rilprim на основе олигомера эпоксидной смолы. Подслой наносят в виде раствора распылением или окунанием на тщательно очищенную поверхность металлической детали, после чего сушат и термообрабатывают в диапазоне температур 290-340^oС в течение 5-20 минут. На подготовленную таким образом металлическую деталь наносят из псевдоожиженного слоя покрытие Rilsan, которое оплавляется с образованием слоя толщиной 100-500 мкм. После охлаждения покрытия обрабатывают в размер с помощью специальных приспособлений, например протяжек.

Недостатками прототипа являются недостаточная адгезия покрытия к металлическим подложкам без специальной подготовки; необходимость нанесения на поверхность металла специального подслоя ("праймера"), обеспечивающего необходимую адгезионную прочность покрытия и подложки; сложная технология нанесения покрытия, предполагающая большие энергетические затраты; необходимость применения специальных методов очистки окружающей среды в связи с тем, что при нанесении, термообработке подслоя (Rilprim) выделяется большое количество экологически вредных компонентов, находящихся в газообразном состоянии. Кроме того, в Республике Беларусь отсутствует собственное производство полиамида 11, что не позволяет освоить промышленный выпуск порошкообразного компонента, который является основой для покрытия.

Задачей настоящего изобретения является увеличение адгезионной прочности покрытия на металлах, упрощение технологического процесса нанесения покрытия на металлические детали, уменьшение энергоемкости и экологической вредности процесса нанесения покрытия на металлическую подложку.

Поставленная задача решается тем, что в качестве связующего для композиционного покрытия используют полиамид 6, полученный криогенным измельчением, а в качестве углеродного модификатора применяют смесь алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода в соотношении 1:1-1:10 и размером частиц 3-10 нм при содержании в композиционном материале 0,01-0,1 мас.%. Составы композиционных материалов конкретного выполнения приведены в таблице 1.

При получении всех составов использовали порошкообразный полиамид с размером частиц 80-100 мкм. Композицию получали механическим перемешиванием в смесителе барабанного типа с механическим активированием типа МБЛ. Композиционные покрытия наносили на поверхность металлического образца из стали 08кп по единой технологии. Образцы из стали 08кп в виде ленты толщиной 2 мм обезжиривали бензином и зачищали наждачным полотном. Подготовленные образцы нагревали в диапазоне температур 250-300^oС в течение 5 мин и помещали на 5 с в псевдоожиженный слой порошкообразного композиционного материала. Покрытие осаждалось на нагретой поверхности и оплавлялось, формируя гомогенный сплошной слой толщиной 10010 мкм. Свойства полученных покрытий из состава по прототипу и заявленному составу оценивали по одинаковым методикам. Определяли прочность при растяжении, твердость по Бринелю, адгезионную прочность методом отслаивания под углом 180^o, коэффициент трения при эксплуатации со смазкой и без смазки.

Характеристики композиционных покрытий по прототипу и заявляемому составу приведены в таблице 2. Как следует из приведенных данных, заявляемые составы (II-IV, V, VI, VII) превосходят прототип по показателям разрушающего напряжения при растяжении, особенно при повышенных температурах, твердости по Бринелю, адгезионной прочности. Уменьшение содержания углеродного модификатора менее заявленных пределов (состав I) приводит к уменьшению показателей, а их превышение (состав VIII) не обеспечивает достижения дополнительного эффекта. Изменение соотношения алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода (составы IХ, Х) приводит к снижению показателей.

Применение вместо порошка криогенно измельченного ПА6, порошка, полученного традиционной полимеризацией (состав X), приводит к резкому уменьшению показателя адгезионной прочности покрытия с металлом. Таким образом, заявленный состав композиционного материала в заявленном соотношении компонентов превосходит прототип по комплексу физико-механических, адгезионных и триботехнических характеристик.

Сущность изобретения состоит в том, что в процессе криогенного измельчения образующиеся частицы полиамида приобретают повышенную активность вследствие образования долгоживущих радикалов. Данные радикалы являются продуктом разрушения молекулярных связей при охлаждении блочного полимера до криогенных температур, ниже температуры стеклования.

Активность радикалов, образовавшихся при криокрекинге, сохраняется в течение времени, достаточного для проведения технологических операций (10-30 ч). Наличие активных радикалов из полимерных частиц обеспечивает прочную адгезионную связь покрытия с твердой подложкой вследствие протекания физико-химических процессов на границе раздела. Дополнительное введение в состав полимера нанодисперсных частиц углерода различных кристаллических модификаций (графитоподобных и алмазоподобных) обеспечивает ориентацию молекул под действием собственного силового поля и увеличивает прочность композиционного материала, а значит, и адгезионную прочность покрытий на его основе. Таким образом, совместное использование криогенно измельченных частиц полиамида 6 и наночастиц углерода обеспечивает синергический эффект - одновременно увеличение прочности и адгезионной прочности. Замена криогенно измельченного порошка на обычный резко уменьшит этот эффект (составы III, X).

Разработанный композиционный материал обладает высокой адгезионной прочностью не только на специально обработанных подложках, но и на обычных (табл.3).

Таким образом, заявленный состав превосходит прототип по показателям служебных характеристик покрытий, нанесенных как на исходную, так и на модифицированную поверхность.

Предложенный состав может быть использован для приготовления противоизносных и антифрикционных покрытий для автомобильных агрегатов, например для шлицевых соединений карданных передач, направляющих трубных амортизаторов, пружин тормозных камер.

Формула изобретения

Композиционный материал для узлов трения автомобильных агрегатов, содержащий углеродный модификатор и полимерное связующее, отличающийся тем, что он содержит в качестве углеродного модификатора смесь алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода с размером частиц 3-10 нм в соотношении 1:1-1:10, а в качестве полимерного связующего он содержит порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм, полученный криогенным диспергированием, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смесь алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода размером частиц 3-10 нм в соотношении 1:1-1:10 0,01-0,1

Порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3