Листовой антифрикционный материал для опор скольжения, эксплуатируемых в экстремальных условиях

17.02.2010

Краткое описание продукта. Листовыми антифрикционными материалами (ЛиАМ) на-зываются комбинированные материалы на металлической подложке, на которой формируется антифрикционный рабочий слой толщиной порядка допустимого значения износа. Передо-вым решением в разработке самосмазывающихся материалов является металлокерамический метод создания на стальной подложке пористого бронзового слоя толщиной 0,25—0,30 мм. При этом возможно получить пористый слой бронзы самого разнообразного состава с после-дующей пропиткой его смазочным материалом или полимером. Такие материалы промыш-ленно выпускаются как в России, так и за рубежом, в виде лент. Заполнение пор бронзового слоя композициями на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с различными наполнителями позволяет создавать материалы, способные работать без смазки в широком диапазоне темпе-ратур (от –200 до +280 С) при высоких давлениях (> 100 МПа). Однако при трении без смаз-ки долговечность подшипников из таких материалов значительно снижается при повышении скорости скольжения выше 1-2 м/с из-за развивающейся высокой температуры в зоне трения. Еще один недостаток промышленных аналогов — рост коэффициента трения с течением времени, так как по мере изнашивания площадь, занимаемая бронзовым каркасом в рабочем слое материала, изменяется (увеличивается).
Причиной этих недостатков является большое содержание бронзы в пористом рабочем слое металлофторопластового ЛиАМ, которое для аналогов составляет 70-75 об.%. Столь высокое содержание бронзы зависит от способа получения ленточных материалов, в которых пористый слой бронзы получают свободным насыпанием сферического порошка бронзы на движущуюся ленту и его свободное спекание. В результате можно получить только одну структуру пористого слоя.
Если представить графически поперечный разрез ЛиАМ, пористый слой которого соз-дается припеканием сферического порошка бронзы (рис. 1 А), то даже по рисунку можно убедится в том, что после истирания приработочного слоя фторопластовой композиции над пористым бронзовым слоем и незначительного износа пористого слоя, будет резко возрас-тать площадь контакта бронзы и уменьшаться составляющая полимерной композиции, яв-ляющейся смазкой для металлов при сухом трении.

А Б
Рис. 1. Схема поперечного сечения ЛиАМ. 1- стальная основа, 2 - пористый бронзо-вый слой.

Для сохранения самосмазывающейся способности необходимо технологическое реше-ние получения пористого слоя со структурой, обладающей большим свободным пространст-вом для содержания фторопластовой композиции. При этом, необходимо создавать такую структуру пористого слоя, у которой площадь контакта бронзовых выступов со стальным контр телом приближалась к 10-15 % от общей площади контакта и не изменялась по мере износа рабочего слоя на допустимую глубину.
Если обратиться к схеме поперечного сечения ЛиАМ, то схематично такой слой будет представлять столбчатую структуру, представленную на рисунке 1Б. Получить пористый слой такой структуры посредством известных технологий производства ЛиАМ в виде лент бесконечной длинны довольно сложно. Известен способ нанесения рельефной (сетчатой) по-верхности прокаткой на профильных вальцах уже спеченного пористого слоя. Это приводит к смятию слоя, закрытию пор и, как следствие, ухудшению связи фторопластовой компози-ции с подложкой. Создание рельефа пористого слоя во время припекания порошка к ленте пока не рассматривалось ни в одной работе, возможно из-за неосуществимости процесса при получении ленточных материалов.
Первым решением создания пористого слоя равномерной структуры и большим сво-бодным пространством стала разработка кассетного способа припекания к стальным листам бронзо-латунных сеток [П/т РФ № 1418999, 1993], в больших количествах выпускаемых ра-нее для бумагоделательной промышленности. От промышленных методов он отличается тем, что листовые материалы получают заданных размеров, припекание слоя бронзы и спе-кание фторопластовой композиции осуществляется в плотно сжатом пакете, который может содержать несколько десятков листовых заготовок. Очевидно, что при таком способе припе-кании порошковой бронзы можно получить на стальной подложке любой оттиск.
Исследовательские работы по получению пористого слоя заданной структуры привели к использованию смеси стандартных порошков меди и олова, а оттиск или рисунок пористо-го слоя создается специальной рифленой поверхностью, плотно прижатой к пористому слою во время спекания. В результате получен металлофторопластовый ЛиАМ, имеющий столб-чатую структуру пористого слоя. В зависимости от шага рифленой поверхности, при помощи которого создается рисунок пористого слоя, можно регулировать нагрузочную способность пористого слоя, его теплопроводность и объем свободного пространства.

Рис. 2. Фотографии шлифов поперечного разреза разработанных ЛиАМ с пористым бронзовым слоем, имеющим «столбчатую» структуру. 1 – стальная основа, 2 – шип припеченного слоя бронзы, 3 - фторопластовая композиция.

Технико-экономические преимущества.
Ранее было установлено, что ЛиАМ с сетчатым каркасом в несколько раз превосходит отечественный (ООО «Фторопласт», г. Бугульма) и зарубежный (DU) аналоги. Сравнитель-ные испытания нового ЛиАМ и ЛиАМ с пористым слоем из бронзолатунной сетки при ско-рости скольжения 3 м/с показали, что новый материал имеет значительное отличие по изно-состойкости и параметрам изменения температуры трения.


Рис. 3. Трибоиспытания разработанных ЛиАМ без смазки (р=2 МПа, V=3 м/с). 1 - ЛиАМ с пористым бронзовым слоем из сетки, 2 – ЛиАМ, представленный на рисунке 3. Контр-тело – Ст45 с диффузионно-борированнная.
Износ рабочего слоя (без учета приработочного слоя) для нового материала за 100 ча-сов испытания при режиме трения р=2 МПа и V=3 м/с без смазки составил менее 15 мкм, температура с обратной стороны вкладыша имела стабильное значения. Трибоиспытания по-казывают, что разработанные материалы при трении без смазки при высоких скоростях скольжения и средних нагрузках значительно превосходят лучшие мировые аналоги. Ориен-тировочный нагрузочно-скоростной фактор pV, характеризующий беспрерывную работу подшипника из разработанного ЛиАМ в течении 1000 часов с допустимым износом 0,2 мм составляет 6-8 МПа∙м/с, что на порядок превышает значение pV фактора, которым обладает английский материал DU, считающийся лучшим в мире
Положительным качеством предлагаемой структуры пористого бронзового слоя являет-ся возможность получения готовых изделий точного размера за счет удаления приработоч-ного слоя и основного слоя с металлическим каркасом на небольшую глубину без ущерба для благоприятной работы будущей опоры скольжения. Для представленного на рисунке 2б образца ЛиАМ объемная составляющая бронзы в рабочем слое на глубину слоя в 0,2 мм бу-дет изменяться от 10-15 до 15-20 %. Появляется возможность притирать подшипники по месту посадки изделия. Сравнительно большой свободный объем пористого слоя позволяет использовать для его заполнения сухие смеси на основе ПТФЭ традиционным методом ком-прессионного прессования. Это позволяет значительно расширить ассортимент металлофто-ропластовых ЛиАМ за счет использования различных наполнителей для составления ПТФЭ композиций, которыми будет заполняться пористый слой ЛиАМ.
Разработанный метод положительно отличается от аналогов простотой и может быть внедрен на любом ремонтном или промышленном предприятии как дополнительный техно-логический процесс производства листовых антифрикционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Области применения. Свертные подшипники, направляющие и другие опоры сколь-жения из разработанного материала способны обеспечить длительную работу узлов трения любой отрасли промышленности. Особенно хотелось бы отметить специальные отрасли промышленности, в которых аппараты или оборудование эксплуатируется в экстремальных условиях (глубокий вакуум, высокие и низкие температуры, химически агрессивные среды и т.п.), где применение металлофторопластовых ЛиАМ порой является практически единст-венным возможным, а также используются подшипники и опоры небольшого размера, для которых производство ЛиАМ заданного (кратного) размера является более приемлемым.
Для узлов трения машин и аппаратов автомобильной промышленности нашей страны сегодня закупается зарубежные свертные подшипники из материала DU. Российский про-мышленный аналог уступает зарубежному материалу. Применение смазки нежелательно для узлов трения машин и аппаратов пищевой, химической, табачной, текстильной промышлен-ностей. Существует проблема перевода на режимы эксплуатации без смазки компрессоров подачи воздуха в шахты угледобывающей промышленности. Легче перечислить узлы тре-ния, где опора скольжения из разработанного ЛиАМ не даст значительного экономического эффекта. Если судить о том, что ленты DU за 40 лет прошлого столетия выпущено столько, что можно покрыть расстояние до Луны и обратно, то такие материалы имеют широкий ми-ровой спрос.
Уровень практической реализации. Опытный образец с переходом к начальной ста-дии производства. Производственный участок освоен непосредственно в научно-исследовательской лаборатории «Химии синтетических и природных полимеров» Байкаль-ского института природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ. Производительность участка со-ставляет до 0,3-1 м2 листовых материалов в день.
Патентная защита.
1. Способ получения комбинированного металлофторопластового материала. П/т РФ № 2277997., B22F. - 2006. Бузник В.М., Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Могнонов Д.М., Рогов В.Е
2. Способ получения биметаллического материала. П/т РФ № 2277998, B22F, B32B. – 2006. Бузник В.М., Корнопольцев В.Н., Корнопольцев Н.В., Могнонов Д.М., Рогов В.Е.
3. Заявка на изобретение способа получения пористого слоя столбчатой структуры заре-гистрирована в ФИПС РФ маем 2009 г.
Коммерческие предложения. Инвестиционный договор для коммерциализации разра-ботки и освоения полномасштабного производства.
Ориентировочная стоимость 1 м2 ЛиАМ, получаемого по разработанному способу в 2-2,5 раза превышает стоимость ленты, получаемую традиционными методами.
Контактная информация. Корнопольцев Василий Николаевич, к.т.н., н.с. Байкальско-го института природопользования СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6. Тел.: 8-90-21-617-642. Факс.: 8(3012)433-442. E-mail: kompo@mail.ru

Байкальский институт природопользования СО РАН -