СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ И ПРОТИВОИЗНОСНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЯХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАР ТРЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F16C33/12 F16C33/14 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости деталей.

Известно, что проблема износостойкости и минимизации коэффициента трения различных элементов пар трения является актуальной на протяжении всех этапов развития машиностроения и приборостроения. Особенно важной является данная проблема для космического машиностроения, вакуумного приборостроения, пневматического инструмента, для производства посуды и литьевых форм в пищевой и медицинской промышленности и для других областей техники, где недопустимо применение жидкой смазки и где механизмы должны работать в широком диапазоне температур.

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости элементов пар трения помимо жидкой смазки применяют различные покрытия. Например, в статье: Гарбара И. И., Киселя А.С., Рябинина Н.А., Сапгира Е.В. "Природа и механизмы действия эпиламов при трении. Влияние эпиламирования на структуру и поверхностную энергию металла", ж. Трение и Износ, N 5, том 11, 1990 г., стр. 792, а также в статье: Потехи В.Л., Рогачева А.В. и Напреева И.С. "Теоретико-экспериментальная оценка оптимальных условий эксплуатации эпиламированных трибосопряжений машин", ж. Трение и Износ, N 6, том 17, 1996 г. приводятся сведения о технологии нанесения антифрикционного покрытия методом эпиламирования. Для эпиламирования поверхности приготавливают раствор перфторполиэфиркислоты в хладоне 113. Процесс эпиламирования может осуществляться:
- окунанием с последующей сушкой на воздухе,
- окунанием с последующим термостатированием при температуре 100-150^oC, в течение 1-1,5 часа,
- кипячением при температуре 47,7^oC в течение 0,5-1 часа с последующей сушкой на воздухе.

Кроме того, в патенте РФ на изобретение N 2061020 от 27.05.96 г. предлагается эпиламирование осуществлять путем введения эфиров перфторполиоксиалкиленкарбоновых кислот в смазочные масла. Во всех указанных способах нанесение эпилама осуществляется непосредственно на ровную поверхность элементов пар трения, что не позволяет увеличивать количество эпилама на единицу площади.

Процесс эпиламирования состоит в прививании молекул эпилама к поверхности, в результате чего образуется равномерная пленка толщиной 3-6 нм. Эта пленка обеспечивает снижение коэффициента трения на 20-25% и благодаря этому повышение износостойкости трущихся пар.

В патенте РФ на изобретение N 2059121, кл. F 16 C 33/14 от 30.03.93 г. с целью повышения износостойкости предложено размещать между трущимися поверхностями элементов пар трения смесь абразивоподобного порошка в составе, мас. %:
Природный серпентин - 0,5-40,0
Сера - 0,1-5,0
Поверхностно-активное вещество - 1,0-40,0
Органическое связующее - Остальное
путем механического перемешивания в органическом связующем и последующей технологической приработкой с помощью дополнительного технологического элемента с большей твердостью.

Действительно, введение между трущимися поверхностями фторорганического соединения в виде молекул эпилама позволяет снизить коэффициент трения на 20-25%.

Действительно также, что смесь абразивоподобного порошка, введенная между трущимися поверхностями, увеличивает износостойкость благодаря высокой твердости и прочности частиц порошка.

Однако указанные способы обладают рядом недостатков:
1. Срок службы указанной выше пленки эпилама ограничен из-за незначительного количества прививаемых молекул на единицу площади поверхности.

2. Данное покрытие не обеспечивает упрочнение приповерхностного слоя элементов пар трения.

3. Введение между трущимися поверхностями смеси абразивоподобного порошка не обеспечивает существенного снижения коэффициента трения.

4. Предложенный в патенте РФ на изобретение N 2059121 способ введения указанной выше смеси является трудоемким, нетехнологичным, трудно дозируемым и трудноконтролируемым по количеству введенной смеси.

5. Предложенный в патенте РФ на изобретение N 2061020 от 27.05.96 г. способ эпиламирования вообще не может быть использован в элементах пар трения без жидкой смазки.

6. Указанные способы не обеспечивают одновременного повышения прочности и износостойкости приповерхностного слоя и снижения коэффициента трения элементов пар.

Задачей предлагаемого способа является:
1) обеспечение дальнейшего понижения коэффициента трения элементов пар трения и сохранение этого свойства в течение длительного времени в отсутствие жидкой смазки,
2) повышение износостойкости и прочности приповерхностного слоя элементов пар,
3) совмещение указанных свойств в одном покрытии,
4) обеспечение высокой технологичности, низкой трудоемкости формирования покрытия, обеспечение возможности точного дозирования компонент покрытия и их контроля.

Для решения поставленной задачи в способе формирования антифрикционных и противоизносных покрытий на трущихся поверхностях, включающем нанесение пленки эпилама, предварительно на трущиеся поверхности элементов пар трения наносят стекловидную пленку двуокиси кремния из пленкообразующего раствора путем гидролитической поликонденсации полимерных эфиров ортокремниевой кислоты в присутствии органического растворителя и кислого катализатора окунанием в раствор, центрифугированием или пульверизацией и последующей термообработки на воздухе при температуре детали 350-650^oC в течение 1-5 минут.

Кроме того, в пленкообразующий раствор вводят компоненты в виде растворимых соединений (солей, щелочей, кислот) хрома, ванадия, никеля, молибдена, вольфрама, титана, магния, марганца, висмута, циркония, меди, железа, цинка, кобальта, бора, фосфора, кальция, редкоземельных элементов в пропорциях, обеспечивающих содержание окислов данных металлов в количестве от нуля до 25 мас.% каждого и до 50 мас.% суммарно в сформированной пленке.

Кроме того, в пленкообразующий раствор вводят мелкодисперсионный абразивоподобный порошок алмаза, корунда, серы, окислов: алюминия, хрома, кремния, железа, магния со средним диаметром частиц до 1,0 мкм в зависимости от толщины стекловидной пленки с содержанием каждого компонента от нуля до 25 мас.% и суммарным содержанием до 50 мас.% в сформированной пленке. Кроме того, нанесение пленки эпилама производят при воздействии ультразвуковых колебаний.

Кроме того, стекловидную пленку наносят из пленкообразующего раствора на основе гидролизующихся соединений: Ti(OCH₃)₄; Ge(OC₂H₅)₄; Sn(OC₂H₅)₄; Zr(OC₂H₅)₄; Al(ОС₂H₅)₃; Sb(ОС₂H₅)₃; V(OC₄H₉)₃; Th(NO₃)₄; Bi(NO₃)₂; WCl₆ в отдельности или в сочетании с ТЭС или друг с другом.

Введение операции нанесения стекловидной пленки обеспечивает резкое увеличение площади поверхности для эпиламирования, а следовательно, увеличение общего количества нанесенного эпилама и повышение срока службы покрытия.

Введение в пленкообразующий раствор легирующих добавок позволяет увеличить износостойкость элементов пар трения благодаря термокомпрессионной диффузии введенных металлов.

Введение в пленкообразующий раствор мелкодисперсного абразивоподобного порошка обеспечивает повышение твердости и износостойкости поверхности элементов пар трения.

Нанесение пленки эпилама при воздействии ультразвуковых колебаний обеспечивает эффективное внедрение молекул эпилама в поры стекловидной пленки.

Применение гидролизующихся соединений на основе различных металлов позволяет получать стекловидные пленки с различными значениями температурных коэффициентов расширения, соответствующими материалу элементов пар трения.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На поверхностях элементов пар трения предварительно формируется стекловидная пленка двуокиси кремния, содержащая поры со средним диаметром 1-100 нм и поверхностной плотностью 10⁵ - 10¹⁰ см^-2. Пленка формируется по методике, изложенной в книге "Тонкие неорганические пленки в микроэлектронике", Изд. Наука, Ленинград, 1972 г. , (один из авторов этой книги Новиков В.В. является автором предлагаемого способа). Но в этой книге нанесение пленок двуокиси кремния описано для технологических целей при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов. В книге Суйковской Н.В. "Химические методы получения тонких прозрачных пленок". Изд. Химия, 1971 г. также изложена методика нанесения стекловидных пленок двуокиси кремния, но только для целей просветления оптических деталей. В качестве источника двуокиси кремния используется тетраэтиловый эфир ортокремниевой кислоты (ТЭС). Предварительно приготавливается пленкообразующий раствор на основе ТЭС с органическим растворителем, водой и кислым катализатором. Образование пленок двуокиси кремния сопровождается двумя главными процессами: частичным гидролизом и конденсацией молекул мономера с образованием кремнийорганических полимерных эфиров и последующей термической деструкцией (разрушением) полимерных эфиров с выделением двуокиси кремния. Нанесение раствора на детали может осуществляться центрифугированием, пульверизацией или окунанием. Термообработка проводится при температуре детали 350-650^oC в течение 1-5 мин на воздухе. При необходимости может быть нанесено несколько слоев пленки по описанной технологии. Суммарная толщина сформированной пленки может варьироваться от 0,1 до 30 мкм. Поры в стекловидной пленке двуокиси кремния образуются в результате удаления летучих компонентов растворителя и полимерных эфиров. Диаметр пор и их плотность регулируются содержанием растворителя, режимом термообработки и другими технологическими параметрами. В результате формируется высокоразвитая поверхность покрытия со сложной лабиринтной формой. На полученную высокоразвитую поверхность наносят молекулы эпилама, которые заполняют не только наружную поверхность, но и внедряются в поры, увеличивая тем самым в 10-20 раз количество молекул на единицу площади покрытия. При этом прочность сцепления привитых молекул эфира тем выше, чем рельефнее сформированная поверхность пленки. Следовательно, можно ожидать дальнейшее снижение коэффициента трения элементов пар. При этом общая длительность процесса износа покрытия возрастает, т. к. по мере удаления (износа) поверхностных слоев покрытия в работу вступают все новые молекулы эпилама, находящиеся в порах.

Кроме пленкообразующих растворов на основе ТЭС могут быть приготовлены аналогичным образом растворы на основе легко гидролизующихся соединений: Ti(OCH₃)₄; Ge(OC₂H₅)₄; Sn(OC₂H₅)₄; Zr(OC₂H₅)₄; Al(OC₂H₅)₃; Sb(OC₂H₅)₃; V(OC₄H₉)₃; Th(NO₃)₄; Bi(NO₃)₂; WCl₆ и др. Могут быть также применены смеси продуктов гидролиза указанных соединений друг с другом и с ТЭС. Таким образом, открывается возможность выбора разнообразных материалов пленки в зависимости от требуемых физико-механических свойств элементов пар трения, в том числе коэффициента термического расширения.

Для интенсификации внедрения молекул эпилама в поры стекловидной пленки процесс эпиламирования целесообразно проводить при воздействии ультразвуковых колебаний путем погружения деталей в ультразвуковую ванну с кипящим раствором эпилама.

Известно, что в сильнонагруженных сочленениях элементов пар трения в "пятнах" соприкосновения трущихся поверхностей происходит локальный нагрев до температуры в несколько сотен градусов Цельсия (см., например, "Физический энциклопедический словарь", Москва, 1966 г., статья "Трение"). Следовательно, если в стекловидную пленку в процессе ее формирования ввести компоненты, являющиеся источником легирующей примеси для диффузии в приповерхностный слой детали с целью придания противоизносных свойств, то в указанных выше "пятнах" в процессе приработки и эксплуатации будет происходить так называемая термокомпрессионная диффузия. Таким образом, подбирая необходимый набор легирующих элементов, можно повысить прочностные и противоизносные характеристики деталей.

Для достижения указанных целей в пленкообразующий раствор вводят компоненты в виде растворимых соединений (солей, щелочей или кислот) хрома, ванадия, никеля, молибдена, вольфрама, титана, цинка, магния, марганца, висмута, кобальта, меди, железа, циркония, бора, фосфора, кальция, редкоземельных элементов в пропорциях, обеспечивающих содержание окислов данных металлов в количестве от нуля до 25 мас.% каждого и до 50 мас.% суммарно в сформированной многокомпонентной стекловидной пленке. Впервые подобная технология была предложена в авторских свидетельствах СССР N 297705 от 21 августа 1968 г., N 323808 от 27 июля 1970 г., N 791120 от 10 июля 1979 г., N 1074318 от 9 июля 1982 г., N 1267997 от 30 декабря 1984 г., N 275909 от 30 марта 1987 г., а также в книге "Тонкие неорганические пленки в микроэлектронике" Изд. Наука, Ленинград, 1972 г., (один из авторов указанных авторских свидетельств и книги Новиков В.В. является автором предлагаемого способа). Но в этих авторских свидетельствах и в книге нанесение многокомпонентных стекловидных пленок описано для получения источников диффузанта при изготовлении p-n-переходов в полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Технология нанесения и термообработки таких пленок такая же, как и при формировании пленки двуокиси кремния. В структуре пленки будут наблюдаться поры ориентировочно с теми же параметрами, что в пленке двуокиси кремния. Поэтому в сформированную многокомпонентную пленку внедряют молекулы эпилама по описанной выше технологии. Следует отметить, что сформированные на поверхности элементов пар трения стекловидные пленки двуокиси кремния и многокомпонентные стекловидные пленки являются не только средством для крепления молекул эпилама или источником легирующих элементов, но и сами обладают высокой износостойкостью.

С целью дальнейшего повышения прочности и износостойкости в предлагаемом способе предусматривается введение в пленкообразующий раствор мелкодисперсного абразивоподобного порошка: алмаза, корунда, серы, окислов: кремния, магния, железа, хрома, алюминия. Средний диаметр частиц до 1,0 мкм, содержание каждого вида порошка от нуля до 25 мас.%, а суммарное содержание порошка в сформированной пленке составляет до 50 мас.%. В отличие от патента РФ на изобретение N 2059121, кл. F 16 C 33/14 от 30.03.93 г., в котором абразивоподобный порошок механически наносится на поверхность элементов пар трения, в предлагаемом способе частицы порошка прочно, на молекулярном уровне закреплены стекловидной связкой. Указанный абразивоподобный порошок при слабых и умеренных нагрузках обеспечивает высокую износостойкость элементов пар трения, а в сильнонагруженных сочленениях, кроме того, является источником легирующей примеси при термокомпрессионной диффузии в пятнах соприкосновения.

Следует также отметить, что многолетний опыт применения стекловидных пленок в технологии микроэлектроники показал возможность точного дозирования и контроля содержания компонент как в пленкообразующем растворе, так и в сформированной стекловидной пленке.

Таким образом, путем предварительного (перед нанесением эпилама) формирования стекловидной пленки, содержащей поры, а также путем введения в эту пленку легирующих компонент и мелкодисперсионного абразивоподобного порошка, а также путем нанесения молекул эпилама при ультразвуковом воздействии, решена задача обеспечения низкого коэффициента трения в течение длительного времени в отсутствие жидкой смазки, повышения износостойкости и прочности приповерхностного слоя элементов пар трения, совмещения указанных свойств в одном слое, обеспечения высокой технологичности и низкой трудоемкости формирования покрытия, точного дозирования и контроля компонент покрытия.

Способ обеспечил:
- сохранение антифрикционных свойств трущихся поверхностей в течение длительного времени;
- повышение износостойкости и сохранение этого свойства в течение длительного времени благодаря термокомпрессионной диффузии легирующих металлов в приповерхностный слой элементов пар трения, а также благодаря прочному закреплению абразивоподобного порошка стекловидной связкой;
- совмещение указанных свойств в одном покрытии;
- повышение технологичности формируемого покрытия и снижение трудоемкости, обеспечение возможности точного дозирования и контроля.

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения, станкостроительной и металлообрабатывающей промышленности. Технический результат - сохранение антифрикционных свойств трущихся поверхностей в течение длительного времени, повышение износостойкости и сохранение этого свойства в течение длительного времени благодаря термокомпрессионнной диффузии легирующих металлов в приповерхностный слой элементов пар трения, а также благодаря прочному закреплению абразивоподобного порошка стекловидной связкой, совмещение указанных свойств в одном покрытии, повышение технологичности формируемого покрытия и снижение трудоемкости, обеспечение возможности точного дозирования и контроля. Для решения поставленной задачи способ формирования антифрикционных и противоизносных покрытий на трущихся поверхностях элементов пар трения включает нанесение слоя эпилама. Предварительно на трущиеся поверхности элементов пар трения наносят стекловидную пленку двуокиси кремния из пленкообразующего раствора полимерных эфиров ортокремниевой кислоты в присутствии органического растворителя, воды и кислого катализатора путем гидролитической поликонденсации и последующей термообработки на воздухе при температуре детали 350-650^oС в течение 1-5 мин. Кроме того, в пленкообразующий раствор вводят компоненты в виде растворимых соединений легирующих металлов. В пленкообразующий раствор вводят мелкодисперсионный абразивный порошок. Нанесение пленки эпилама производят при воздействии ультразвуковых колебаний. Стекловидную пленку наносят из пленкообразующего раствора на основе титана, германия, олова, циркония, алюминия, сурьмы, ванадия, тория, висмута, вольфрама. 4 з.п.ф-лы.

1. Способ формирования антифрикционных и противоизносных покрытий на трущихся поверхностях элементов пар трения, включающий нанесение слоя эпилама из растворов на основе перфторполиоксиалкиленкарбоновых кислот, отличающийся тем, что предварительно на трущиеся поверхности элементов пар трения наносят стекловидную пленку двуокиси кремния из пленкообразующего раствора полимерных эфиров ортокремниевой кислоты в присутствии органического растворителя, воды и кислого катализатора путем гидролитической поликонденсации и последующей термообработки на воздухе при температуре деталей 350 - 650^oC в течение 1 - 5 мин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пленкообразующий раствор вводят компоненты в виде растворимых соединений легирующих металлов для обеспечения термокомпрессионной диффузии в приповерхностный слой элементов пар трения. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в пленкообразующий рраствор вводят мелкодисперсионный абразивоподобный порошок. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что нанесение пленки эпилама производят при воздействии ультразвуковых колебаний. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что стекловидную пленку наносят из пленкообразующего раствора на основе гидролизующихся соединений титана, германия, олова, циркония, алюминия, сурьмы, ванадия, тория, висмута, вольфрама.