АНТИФРИКЦИОННАЯ ТОНКОДИСПЕРСНАЯ ПОРОШКОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2002 года по МПК C10M125/10 C10M125/10 C10M125/26 C10N30/06 

Заявляемое изобретение относится к области трибологии смазочных материалов и может найти применение для уменьшения износа и восстановления повреждений трущихся поверхностей узлов трения как простых, так и сложных механизмов и агрегатов, автомобильных и железнодорожных транспортных средств, тяжелого машиностроительного и промышленного оборудования (подъемных кранов, горнодобывающих комплексов, насосов газо- и нефтеперегонных установок и др. ).

Проблема уменьшения износа узлов трения, возникшая с появлением первых механических устройств и машин, продолжает оставаться актуальной и в настоящее время, несмотря на появление множества новых смазочных материалов, достижения и научный прогресс в области триботехники и трибологии смазочных материалов. Причина этого - как в сложности процессов взаимодействия трудящихся поверхностей узлов трения в различных условиях эксплуатации с применением разных смазочных материалов и композиций, так и в сложности выявления и учета многочисленных факторов, оказывающих воздействие на процессы трения.

Перспективным направлением в области трибологии смазочных материалов является использование для уменьшения износа узлов трения тонкодисперсных антифрикционных порошковых композиций, вводящихся в узлы трения в составе, как жидких, так и густых смазок. Использование тонкодисперсных порошков повышает однородность распределения компонентов, увеличивая поверхность их контакта.

Известна антифрикционная порошковая композиция (патент РФ 2035636, МПК F 16 C 33/14, опубл. 20.05.95), содержащая, мас.%: 51-60 серпентина, 20-40 талька и 8-10 серы, пиротина, энстатита и фаялита, взятых в равных долях. Как показали эксперименты, выполненные авторами настоящей заявки, эта композиция не обеспечивает высокую прочность и долговечность сцепления формирующейся сервовитной пленки с трущимися металлическими поверхностями узлов трения из-за различия коэффициентов линейного термического расширения данной пленки и материала трущихся поверхностей, а также из-за нестабильности структуры пленки при сравнительно невысоких температурах.

По совокупности существенных отличительных признаков и достигаемому эффекту наиболее близкой к заявляемой композиции является антифрикционная тонкодисперсная композиция по патенту РФ 2127299, МПК С 10 М 125/10, опубл. 10.03.99, принятая в качестве прототипа. Данная композиция содержит, мас.%: 65-95 природного гидросиликата магния (антигорит, серпентин, серпентенит, тальк), 0,5-10,0 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа (МnО₂, ZnO, С₂O₃, Аl₂O₃, CdO, GеО₂) и 4,5-25 твердого раствора этих оксидов со структурой граната и/или шпинели (магнитоактивный компонент). Результаты применения этой композиции в составе жидких и густых смазок в различных узлах трения показали высокую прочность образующейся на трущихся металлических поверхностях сервовитной пленки, обеспечивающей снижение износа и повышение срока службы узлов трения. Недостатком прототипа можно считать относительно большое время формирования сервовитной пленки.

Заявляемое изобретение, являющееся развитием прототипа, решает задачу сокращения времени формирования сервовитной пленки при сохранении высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения.

Эта задача решается тем, что антифрикционная тонкодисперсная порошковая композиция, включающая природный гидросиликат магния, оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и магнитоактивный компонент, в качестве оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа содержит смесь Аl₂O₃, Сr₂О₃, ТiO₂ и ZrO₂, а в качестве магнитоактивного компонента - твердый раствор ферромагнитной керамики с гексогональной структурой при следующем соотношении компонентов, мас.%: 75-92 природного гидросиликата магния, 3-7 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и 5-20 твердого раствора ферромагнитной керамики с гексагональной структурой.

В качестве ферромагнитной керамики с гексагональной структурой композиция может содержать как незамещенные, так и замещенные гексаферриты бария, стронция или бария и стронция, а именно: гексаферрит бария с химической формулой ВаFе₆О₁₉; гексаферрит стронция с химической формулой SrFe₆O₁₉; гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba_1-ySr_yFe₆O₁₉, где 0,1≤у≤0,9; замещенный гексаферрит бария с химической формулой BaFe_6-xMe_xO₁₉, где Me - по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Аl, Сr, Ti, Zr, Mg, Сu, а 0,1≤х≤0,5; замещенный гексаферрит стронция с химической формулой SrFe_6-xMe_xO₁₉, где Me - по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Аl, Сr, Ti, Zr, Mg, Сu, а 0,1≤х≤0,5; замещенный гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba_1-ySr_yFe_6-xMe_xO₁₉, где Me - по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Аl, Сr, Ti, Zr, Mg, Сu, 0,1≤у≤0,9, а 0,1≤х≤0,5.

Технический результат изобретения состоит:
- в сокращении времени формирования сервовитной пленки с сохранением высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения;
- в уменьшении себестоимости композиции;
- в расширении диапазона рабочих температур композиции.

Достижение указанного технического результата можно объяснить следующим образом.

Присутствие в составе предлагаемой композиции твердого раствора незамещенного либо замещенного гексаферита, являющегося ферромагнитной керамикой и обладающего абразивными свойствами, обеспечивает (как и присутствие в прототипе твердого раствора магнитной шпипели и/или граната) удаление с трущихся металлических поверхностей пленки оксида железа. Это создает условия для прохождения топохимических реакций, протекающих в условиях отсутствия доступа кислорода в масляной среде между оксидами металлов композиции и железом либо другим металлом трущихся поверхностей узла трения. Результатом таких реакций при использовании как известной, так и предлагаемой композиции является прочное соединение компонентов композиции с трущимися металлическими поверхностями.

Однако магнитоактивная составляющая предлагаемой композиции в отличие от известной композиции обладает значительно большей магнитной энергией. Это обстоятельство с большой вероятностью и определяет сокращение времени формирования сервовитной пленки, прочно сцепленной с трущимися поверхностями. Наибольшей магнитной энергией среди гексаферритов, которые могут быть введены в предлагаемую композицию, обладают незамещенные гексаферриты. Замещенные гексаферриты имеют несколько меньшую магнитную энергию, но зато позволяют стабилизировать состав и свойства композиции благодаря тому, что в них присутствуют многие из оксидов металлов, входящих в природный силикат магния, где содержание этих оксидов меняется от партии к партии.

Ускорению формирования прочной сервовитной пленки при использовании замещенных гексаферритов, возможно, способствует присутствие в композиции катионов металлов в виде оксидов и в составе твердого раствора гексаферрита, а также тот факт, что катионы металлов, входящих в состав замещенных гексаферритов, присутствуя в связанном состоянии, замедляют и даже препятствуют окислению масла.

Уменьшение себестоимости предлагаемой композиции определяется, во-первых, тем, что синтез гексаферритов осуществляется при более низкой температуре (1100-1200^oС), чем синтез магнитной керамики со структурой шпинели и граната (1350-1450^oС), и с существенно меньшей выдержкой при температуре синтеза, что позволяет в значительной мере снизить потребление электроэнергии. Во-вторых, синтезированные замещенные гексаферриты имеют меньшую твердость по сравнению с магнитным шпинелями и гранатами, благодаря чему их помол для получения порошка может быть осуществлен с меньшими энергетическими затратами.

И наконец, в-третьих, исходное сырье магнитных шпинелей и гранатов (содержащее окислы германия, кадмия, иттрия, гадолиния) дороже исходного сырьевого материала гексаферритов.

Что касается расширения диапазона рабочих температур предлагаемой композиции в сравнении с известной композицией, то оно определяется более высокой точкой Кюри замещенных гексаферритов (температурой, при которой исчезают магнитные свойства материала). Точка Кюри гексаферритов находится в пределах 440-450^oС, в то время как магнитные шпинели и гранаты имеют точку Кюри, лежащую в интервале 250-300^oС.

Содержание в предлагаемой композиции гидросиликата магния в количестве менее 75 мас.% не обеспечивает формирование на поверхностях трения сервовитной пленки либо требует более длительной приработки для выравнивания микрорельефа. Увеличение содержания этого компонента, являющегося по своей природе абразивом, свыше 92% может вызвать обратный эффект, а именно износ узла трения, либо заклинивание узла трения.

Превышение верхнего предела (7 мас. %) содержания оксидов металлов, имеющих меньшее сродство к кислороду относительно железа, может привести при долговременной эксплуатации узлов трения к образованию в зоне трения нежелательных фаз, уменьшающих долговечность сервовитной пленки. При недостатке содержания этого компонента (менее 3 мас.%) затрудняется протекание топохимических реакций и образование сервовитной пленки.

Верхний предел содержания твердого раствора гексаферрита (20 мас.%) определяется абразивными свойствами этого материала. Превышение этого предела может вызвать ускорение износа узлов трения.

При содержании твердого раствора гексаферрита менее 5 маc.% возврастает время формирования сервовитной пленки.

Ниже приведены примеры получения предлагаемой композиции и ее характеристики в сравнении с известной композицией.

Пример 1. По стандартной технологии (смешивание и помол исходных сырьевых компонентов, спекание шихты при 900^oС, помол и прессование с последующим обжигом брикетов при 1150^oС в течение 2 часов) получали замещенный гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ва_0,5Sr_0,5Fe_5,8Сr_0,2O₁₉. Брикеты измельчали в шаровой мельнице до размера частиц 1-2,5 мкм. Полученный порошок гексаферрита смешивали в аттриторе с порошком антигорита Mg₃(OH)₄(Si₂O₅), являющегося разновидностью природного гидросиликата магния, и добавками оксидов, имеющих меньшее сродство к кислороду относительно железа (Аl₂O₃, Сr₂О₃, ТiO₂, ZrO₂) при следующем соотношении компонентов, мас.%: 86 антигорит, 5 смесь указанных оксидов в равных долях и 9 замещенный гексаферрит бария и стронция. Полученная таким образом порошковая композиция с размером частиц 1-5 мкм была введена в составе трансмиссионного масла ТМЗ-18 (масло 93 мас.%, порошковая композиция - 7 мас.%) в подшипник качения 202. Прочная сервовитная пленка образовалась на трущихся поверхностях подшипников после 48 часов их непрерывной эксплуатации.

Аналогичным способом были изготовлены и испытаны другие порошковые композиции по предлагаемому изобретению (примеры 2-18). Данные составов и результаты испытаний в сравнении с прототипом приведены в табл.1. Из таблицы видно, что предлагаемая композиция имеет преимущество перед известной композицией по времени образования сервовитной пленки.

Наряду с исследованиями времени образования сервовитной пленки в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете на подшипниках 202 было исследовано влияние предлагаемой и известной композиции на долговечность подшипников. Испытания проводились в соответствии с "Методикой форсированных испытаний подшипников качения на долговечность" (ведомственная нормаль М37.006.022-75) на стенде, изготовленном по принципиальной схеме ВНИИПП. Частота вращения составляла 5640 мин, время испытаний - до предельного состояния подшипников. Оценивались средний ресурс, 90% и 50% ресурсы и уровень вибрации. Объем выборки - 14 подшипников в каждой серии испытаний. Результаты испытаний, представленные в табл. 2., позволили сделать следующее заключение.

Введение антифрикционных порошковых композиций по заявляемому изобретению и по патенту РФ 2127299 в масло ТМЗ-18 обеспечивает примерно одинаковый эффект увеличения долговечности подшипников качения в 1,9-2,1 раза по сравнению с работой на чистом масле и снижение уровня вибраций в 2,0-2,1 раза.

Таким образом, предлагаемая антифрикционная порошковая композиция по сравнению с известной композицией обеспечивает сокращение в 1,2-1,5 раза времени образования сервовитной пленки, снижение себестоимости получения и более широкий интервал рабочих температур при сохранении высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения.

Из описания состава предлагаемой композиции, способа ее получения и результатов испытания видно, что заявляемое изобретение может быть осуществлено промышленным способом с использованием стандартных технологий.

Использование: для уменьшения износа и восстановления повреждения различных узлов трения. Сущность: композиция содержит, мас.%: природный гидросиликат магния 75-92, оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа 3-7 и магнитоактивный компонент 5-20. В качестве оксидов металлов содержится смесь Аl₂О₃, Сr₂О₃, TiO₂ и ZrO₂. В качестве магнитоактивного компонента содержится твердый раствор ферромагнитной керамики с гексагональной структурой. Технический результат - сокращение времени формирования сервовитной пленки в 1,2-1,5 раза с сохранением высокой прочности ее сцепления с трущимися поверхностями узлов трения. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Антифрикционная тонкодисперсная порошковая композиция, содержащая природный гидросиликат магния, оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и магнитоактивный компонент, отличающаяся тем, что в качестве оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа она содержит смесь Аl₂О₃, Сr₂О₃, ТiO₂ и ZrO₂, а в качестве магнитоактивного компонента - твердый раствор ферромагнитной керамики с гексагональной структурой при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Природный гидросиликат магния - 75-92
Оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа - 3-7
Твердый раствор ферромагнитной керамики с гексагональной структурой - 5-20
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве твердого раствора ферромагнитной керамики с гексагональной структурой она содержит гексаферрит бария с химической формулой BaFe₆O₁₉, либо гексаферрит стронция с химической формулой SrFе₆О₁₉, либо гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba_1ySr_yFe₆O₁₉, где 0,1≤y≤0,9. 3. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве твердого раствора ферромагнитной керамики с гексагональной структурой она содержит замещенный гексаферрит бария с химической формулой BeFe_6-xMe_xO₁₉, либо замещенный гексаферрит стронция с химической формулой SrFe_6-xMe_xO₁₉, где Me - один либо несколько катионов металлов, выбираемых из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Сu, а 0,1≤х≤0,5. 4. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве твердого раствора ферромагнитной керамики с гексагональной структурой она содержит замещенный гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba_1-ySr_yFe_6-xMe_xO₁₉, где Me - один либо несколько катионов металлов, выбираемых из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Сu, 0,1≤у≤0,9, а 0,1≤х≤0,5.