Использование тонких композитных покрытий с тефлоном является эффективным и широко применяемым способом значительного повышения износостойкости зубьев ремней ГРМ. Разбираем два запатентованных метода внедрения тефлона в резиновую матрицу. Как ведущие производители продлевают ресурс ремней ГРМ.
① Проблема износа и необходимость антифрикционных материалов
В процессе эксплуатации рабочая поверхность зубьев ремня ГРМ подвергается абразивному износу при контакте со шкивами. Для борьбы с этим производители используют антифрикционные материалы. С начала 1990-х годов широкое распространение получил политетрафторэтилен (тефлон, PTFE), обладающий уникальным сочетанием свойств:
- сверхнизкий коэффициент трения (действует как «сухая смазка»);
- высокая износостойкость;
- химическая инертность (стоек к маслам и топливу);
- термостойкость (сохраняет свойства в диапазоне от –70 °C до +260 °C).
Простое насыщение всего объёма HNBR (каучука, из которого изготовлен ремень) мелкодисперсным PTFE неэффективно по нескольким причинам:
- Для проявления антифрикционных свойств требуется высокая концентрация PTFE на контактирующей поверхности (вплоть до превышения содержания каучука).
- Добавление большого количества наполнителя негативно влияет на эластичность ремня.
- PTFE имеет высокую стоимость.
Следовательно, микрочастицами тефлона должен насыщаться только тонкий поверхностный слой рабочей зоны зубьев.
📷 На фото: конструкция рабочего слоя ремня ГРМ. 1 -материал теля ремня; 2 - кордовые шнуры; 3 -тканевое покрытие; 4 - защитный слой с PTFE.
Дополнительная проблема заключается в химической инертности PTFE: его крайне сложно химически связать с другими веществами. В процессе работы частицы, внедрённые в тело ремня, могут выкрашиваться, что приводит к быстрой деградации антифрикционных свойств. Поэтому необходимо надёжно удерживать частицы PTFE на рабочей поверхности.
② Метод компании Contitech: «замуровывание» PTFE в полимерной матрице
Одно из эффективных решений — фиксация частиц PTFE внутри полимерной матрицы на основе изоцианата (–N=C=O). Типовой состав:
- изоцианат — 40 массовых частей;
- антифрикционные добавки (PTFE, графит, полиэтилен, арамидные волокна) — 10–20 массовых частей;
- растворитель для улучшения пропитки — 50 массовых частей;
- технологические добавки.
Смесь изоцианата с растворителем образует жидкую полимерную матрицу, в которой равномерно распределяют частицы PTFE. Раствор наносят на поверхность композита слоем толщиной 30–50 мкм и высушивают. В процессе вулканизации матрица отверждается, превращаясь в прочную трёхмерную уретановую сетку, механически блокирующую частицы PTFE.
Поверхность HNBR легко образует химические связи с уретановой сеткой, благодаря чему композитный слой прочно прикрепляется к эластомерному телу ремня.
Классически рабочая поверхность зубьев покрыта тканью из полиамида (PA). Предварительно обработанная резорцин-формальдегидным латексом (RFL), эта ткань хорошо соединяется с телом ремня на основе HNBR.
Пропитка композитным слоем также хорошо закрепляется на ткани: на начальном этапе покрытие имеет низкую вязкость, глубоко проникает в структуру ткани, а при отверждении образует прочный полимерный слой, «обволакивающий» волокна и создающий мощное механическое закрепление. Изоцианатные группы способны образовывать ковалентные связи с гидроксильными (–OH) и аминогруппами (–NH₂), присутствующими на поверхности синтетических волокон полиэстера или полиамида.
Покрытие плотно «запечатывает» поверхность, предотвращая испарение пластификаторов и проникновение озона, снижая износ и трение, но не ухудшая упругость ремня.
📷 На фото: вид рабочего слоя ремня ГРМ с антифрикционным покрытием производства компании Contitech
При необходимости поверхность покрытия можно флокировать короткими волокнами для уменьшения шума. В состав покрытия также можно вводить наполнители с демпфирующими свойствами (резиновая крошка, графит, полиамидный порошок) или токопроводящую сажу для отвода статического электричества.
③ Метод компании Dayco: мелкодисперсный PTFE в пероксидно-сшитом эластомере
Химический состав поверхностного износостойкого слоя включает всего три компонента:
- PTFE — около 125 массовых частей. Используется фторированный микропорошок Dyneon™ TF 9201Z (производство 3M). Более 50 % частиц имеют средний размер менее 10 мкм, что позволяет получить гомогенное покрытие без агломератов, резко снижающее шум и обеспечивающее равномерный износ. Белый цвет порошка придаёт ремням Dayco характерный белесый оттенок.
- HNBR, модифицированный цинковой солью полиметакриловой кислоты — около 100 массовых частей.
- Органический пероксид (вулканизующий агент) — около 6 массовых частей.
📷 На фото: рабочий слоя ремня ГРМ производства Dayco. Белый цвет фторированного порошка и полное отсутствие добавок придаёт ремням характерный белесый оттенок.
В обычной резинотехнической практике каучук без упрочняющих наполнителей (технического углерода или кремнезёма) имеет низкую прочность на разрыв и быстро истирается. Однако в защитном слое Dayco разрушения не происходит благодаря совокупности факторов, отличающих этот слой от обычной резины:
- слой работает не на растяжение, а на сжатие и сдвиг;
- когезионная прочность (связи между цепями) обеспечена плотной пероксидной сшивкой;
- трение снижено за счёт присутствия PTFE;
- механические напряжения воспринимаются тканью.
Экстремально тонкий слой (30–50 мкм) менее склонен к хрупкому разрушению: даже при возникновении микротрещины она не распространяется благодаря тканевой подложке.
Толщина выбрана из условия эффективной защиты: менее 30 мкм неэффективно, более 50 мкм не даёт пропорционального увеличения срока службы и ведёт к перерасходу материала.
При вулканизации HNBR с пероксидом образуется трёхмерная сетка химических сшивок. Частицы PTFE размером 5–9 мкм равномерно распределяются между молекулярными цепями до начала вулканизации.
В процессе сшивания эластомер «запекается» вокруг каждой частицы, физически запирая её в ячейках сетки. Чтобы вырвать частицу, необходимо разрушить окружающие полимерные цепи. Мелкие частицы обладают большой удельной поверхностью, а на границе раздела «тефлон–резина» действуют силы Ван-дер-Ваальса, обеспечивающие прочную физическую адгезию.
📎 Подробнее о технологии производства зубчатых ремней ГРМ можно прочитать в специальном материале.
