СМАЗОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ С ТВЕРДОЙ СМАЗЫВАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ ЭТИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2003 года по МПК C10M169/04 C10M169/04 C10M107/32 C10M107/40 C10M107/50 C10M125/22 C10M125/26 C10N30/12 C10N50/08 

Изобретение относится к смазочным материалам с твердой смазывающей пленкой, а более конкретно - к смазочным материалам с твердой смазывающей пленкой для металлических поверхностей и способу устранения электрохимической коррозии этих поверхностей. Указанные материалы предназначены для применения на ракетных ускорителях и на связанном с ними пусковом устройстве, а также в других областях тяжелого машиностроения.

Как известно, для запуска ракетных ускорителей возникает необходимость нанесения смазочных материалов с твердой смазывающей пленкой для обеспечения возможности неограниченного относительного движения между конструктивными узлами и компонентами в процессе отрыва ракеты от земли при взлете и ее выхода на орбиту. Они также нашли применение на соединителях для обеспечения точного соотношения крутящего момента и растяжения в процессе зажима, а также снятия крутящего момента. Смазочные материалы с твердой смазывающей пленкой, применяемые для этих целей, должны обеспечивать адекватную смазывающую способность в условиях очень высоких нагрузок в течение относительно короткого промежутка времени. Помимо обеспечения смазки в условиях очень высоких нагрузок смазочные материалы с твердой смазывающей пленкой не должны активировать коррозию. Этот фактор особенно важен, поскольку ракетные ускорители и устройства, связанные с их запуском, перед запуском подвергаются коррозионному воздействию в результате взаимодействия с легким и густым морским туманом, так как месторасположение стартового комплекса, как правило, выбирают недалеко от моря. Поскольку после запуска ракетные ускорители, как правило, извлекают из моря, они также подвержены коррозионному воздействию в результате взаимодействия с морской водой.

Для удовлетворения требований смазывающей способности обычно применяют свинцовые и сурьмяные композиции. Хотя графит является эффективным смазывающим компонентом композиций смазочных материалов с твердой смазывающей пленкой, склонность графита образовывать гальванический элемент в присутствии морской воды, приводящая в результате к коррозии металлической поверхности, на которую он был нанесен, сильно ограничивает его применение. Для устранения этой проблемы в некоторых композициях смазочных материалов с твердой смазывающей пленкой вместо графита применяли соединения сурьмы. Соединители с кадмиевым гальваническим покрытием также нашли широкое применение, поскольку кадмиевая поверхность обеспечивает защиту от коррозии и смазку. Однако в тех случаях применения, когда соединители с кадмиевым гальваническим покрытием используют на алюминиевых сплавах, это приводит к возникновению электрохимической коррозии. Хотя в некоторых случаях применения кадмиевые, свинцовые и сурьмяные композиции являются пригодными с технической точки зрения, они очень токсичны для людей и других живых существ. Кроме того, экологически безопасное удаление производных свинца, кадмия и сурьмы представляет основную проблему с точки зрения безопасности и стоимости. Стоимость удаления этих опасных материалов продолжает увеличиваться, а адекватная защита людей при применении или удалении этих материалов приближается к границам возможности их допустимого применения.

В современной практике грунтовочный керамический слой смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, который имеет высокое содержание свинцовых соединений и графита, сначала наносят распылением на конструктивные элементы ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива, а затем отверждают в печи при температуре 1000^oF (537,8^oС). Перед нанесением эта часть должна быть маскирована. Покрытую часть затем маскируют снова и после этого методом распыления наносят верхний силиконовый слой, содержащий свинец. После этого покрытую верхним слоем часть подвергают второй технологической операции отверждения при температуре 500^oF (260^oС). Технологический процесс нанесения и отверждения такой двухслойной композиции очень сложен, дорог, а также опасен. Вследствие высокого содержания свинца грунтовочный керамический слой опасен для здоровья рабочих, выполняющих операцию нанесения смазочного покрытия распылением, тогда как наличие графита вызывает коррозию и точечную коррозию повторно используемого ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива в присутствии морской воды, уменьшая в соответствии с этим срок его службы. Необходимость отверждения при температуре 1000^oF (537,8^oС) требует высоких энергетических затрат и специального нагревательного устройства. Требование нанесения двух слоев и предосторожностей, которые должны быть сделаны, чтобы избежать отравления рабочих, дороги вследствие высокой стоимости материалов и большой трудоемкости. Кроме того, в случае повреждения, например разрушения такого керамического двухслойного смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, его ремонт труден, дорог и неудобен.

Наиболее близким к заявляемому является смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, содержащий связующее, полимерную матрицу и дисульфид молибдена (авт. св. СССР 874748, кл. С 10 М 107/30, 1981 г.), в котором с целью повышения износостойкости материала он дополнительно содержит графит, алюмосиликат, алюминий и медь при следующем содержании компонентов, вес.%:
Дисульфид молибдена - 14-28
Полиэтиленполиамин - 3-6
Графит - 7-14
Алюмосиликат - 5-10
Алюминий - 3-5
Медь - 5-10
Эпоксидная смола - До 100
Однако указанный материал не может обеспечить смазывающую способность для движущихся частей в условиях очень высоких нагрузок и не может быть применен на ракетных ускорителях и на связанном с ними пусковом устройстве.

Все вышеизложенное свидетельствует о том, что существует потребность в смазочном материале с твердой смазывающей пленкой, предназначенного для применения на ракетных ускорителях и на связанном с ними пусковом устройстве, а также в других областях тяжелого машиностроения, где такой смазочный материал может обеспечить смазывающую способность для движущихся частей в условиях очень высоких нагрузок, не активируя в то же самое время коррозию металлической подложки. Кроме того, смазочный материал с твердой смазывающей пленкой должен быть экологически безопасным, будучи относительно не токсичным для людей, просто наноситься, предпочтительно в виде однослойного покрытия, требовать относительно низкой температуры отверждения и быть относительно недорогим в процессе производства и эксплуатации. Кроме того, при повреждении смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, он должен просто ремонтироваться недорогим, безопасным и удобным способом.

В основу изобретения положена задача путем качественного и количественного подбора состава разработать смазочный материал с твердой смазывающей пленкой для металлических поверхностей, позволяющий обеспечить эффективную смазывающую способность для движущихся частей в условиях очень высоких нагрузок, не активируя при этом коррозию металлической подложки, являющийся экологически безопасным, не токсичным для людей, удобным и недорогим в процессе производства и эксплуатации, а также разработать способ, позволяющий устранить электрохимическую коррозию металлических поверхностей.

Задача решена тем, что заявляемый смазочный материал с твердой смазывающей пленкой для металлических поверхностей, включающий полимерную матрицу, содержащую связующее, и дисульфид молибдена, согласно изобретению также содержит соединение бора, выбранное из группы, состоящей из ортоборной кислоты, метаборной кислоты, окиси бора и их смесей при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Соединение бора - 4-13
Дисульфид молибдена - 4-16
Полимерная матрица, содержащая связующее - Остальное
Предпочтительным является смазочный материал, содержащий полимерную матрицу, выбранную из группы, состоящей из метилфенилсилоксана, смолы на основе бифенолэпихлоргидрина, полиимида, фенолоальдегидного полимера и их смесей.

Более предпочтительным является смазочный материал, содержащий полимерную матрицу, выбранную из группы, состоящей из метилфенилсилоксана, смолы на основе бифенолэпихлоргидрина и их смесей. Наиболее предпочтительным является смазочный материал, содержащий полимерную матрицу, состоящую из смеси метилфенилсилоксана и смолы на основе бифенолэпихлоргидрина. При этом целесообразно, чтобы полимерная матрица содержала от 25 до 75 мас.% метилфенилсилоксана или 50 мас.% метилфенилсилоксана и 50 мас.% смолы на основе бифенолэпихлоргидрина.

Предпочтительным является смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, содержащий 4-13 мас.% ортоборной кислоты. Более предпочтительным является смазочный материал, содержащий 5-12 мас.% ортоборной кислоты.

Задача также решена тем, что в способе устранения электрохимической коррозии металлических поверхностей путем нанесения на металлическую поверхность смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, согласно изобретению в качестве смазочного материала с твердой смазывающей пленкой используют заявляемый смазочный материал.

Предпочтительно, чтобы смазочный материал с твердой смазывающей пленкой содержал 4-13 мас.% ортоборной кислоты, а наиболее предпочтительно 5-12 мас. % ортоборной кислоты.

Заявляемый смазочный материал с твердой смазывающей пленкой обеспечивает прочную смазку с низким коэффициентом трения без активации коррозии разнородных материалов за счет смеси ортоборной кислоты или окиси бора и MoS₂. Эпоксидные смолы улучшают несущую способность, тогда как силиконовые смолы улучшают высокотемпературные свойства и коэффициент трения. Эту композицию диспергируют в относительно безвредном органическом растворителе, содержащем растворитель, выбранный из группы, состоящей из этилацетата (CAS#141-78-6), полиметилметакрилатацетата (CAS# 108-65-6), метилэтилкетона (CAS#78-93-3), метилизобутилкетона (CAS#108-10-1) и их смесей, при необходимости разбавляют до соответствующей консистенции, наносят (распылением, окунанием или кистью) в виде однослойного покрытия на металлическую подложку и затем отверждают при температуре приблизительно 450^oF (232,2^oС). В условиях испытаний при высоких нагрузках эта композиция выдерживает более 1000 циклов (соответствующих минимальному требованию) при испытании, проводимом для контроля эффективности смазочных материалов с твердой смазывающей пленкой, и показывает уровень смазывающей способности, сравнимый с уровнем смазывающей способности, применяемой в настоящее время, двухслойной керамической композиции, которая содержит свинец и графит.

Заявляемый смазочный материал с твердой смазывающей пленкой приемлем с экологической точки зрения при применении только МоS₂ и производных ортоборной кислоты или окиси бора, которые известны как вещества, относительно безобидные для человека. Кроме того, коррозия, возникающая вследствие наличия графита, исключается благодаря полной замене графита ортоборной кислотой, которая обеспечивает смазывающую способность без активации электрохимической коррозии в присутствии морской воды. Поскольку требуется нанесение только одного слоя покрытия, а отверждение осуществляют при температуре 450^oF (232,2^oС), смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает существенную экономию труда и материалов. Поскольку требуется нанесение только однослойного покрытия и отверждение имеет место при относительно низкой температуре, упрощается также ремонт небольших областей смазочного материала с твердой смазывающей пленкой без какого-либо ухудшения его качества.

Для лучшего понимания настоящего изобретения в дальнейшем приводится подробное описание изобретения с ссылкой на чертежи, на которых
Фиг. 1 иллюстрирует основные элементы системы для челночных полетов, на котором показана взаимосвязь ракетного двигателя твердого топлива, ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива и орбитального летательного аппарата для челночных полетов.

Фиг.2 иллюстрирует компоненты ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива.

Фиг. 3 иллюстрирует типовые области нанесения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой на летательный аппарат ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива.

Фиг. 4А - разрез, иллюстрирующий испытание на несущую способность смазки при высоких нагрузках моносферы в блоке, проводимое для определения срока службы до полного износа смазочных материалов с твердой смазывающей пленкой.

Фиг. 4В - вид сверху и вид сбоку испытательного устройства, иллюстрируемого на фиг.4А, на которых показана область, на которую для испытаний наносят образец смазочного материала с твердой смазывающей пленкой.

Фиг. 4С - вид сверху и разрез блока испытательного устройства, иллюстрируемого на фиг.4А, на которых показана область, на которую для испытаний наносят образец смазочного материала с твердой смазывающей пленкой.

На фиг. 1 показаны основные компоненты системы для челночных полетов, а также взаимосвязь ракетного двигателя твердого топлива, ракетного ускорителя с двигателем твердого топлива и орбитального летательного аппарата для челночных полетов. Ракетные ускорители требуют нанесения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой для обеспечения возможности неограниченного относительного движения между конструктивными узлами и компонентами в процессе отрыва от земли при взлете и выходе на орбиту. В ракетном двигателе твердого топлива летательного аппарата для челночных полетов в нескольких местах наносят двухслойное керамическое покрытие высокотемпературного смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, например, на крепежные средства между хвостовым коническим обтекателем ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива и мобильной пусковой платформой; между хвостовыми стойками крепления ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива и внешним баком; между передним сферическим узлом крепления конического обтекателя ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива и внешним баком. На фиг.2 показаны компоненты ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива, а на фиг.3 - типовые области нанесения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой на летательный аппарат ракетного ускорителя с ракетным двигателем твердого топлива.

Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, содержит смесь тонко измельченного соединения бора, выбранного из группы, состоящей из ортоборной кислоты, метаборной кислоты, окиси бора и их смесей, и тонкоизмельченного двусернистого молибдена (МоS₂), диспергированную в органической полимерной матрице, содержащей, как правило, смесь эпоксидной смолы (В-стадии отверждения), имеющей непрореагировавшие функциональные группы, и силиконовый полимер, имеющий непрореагировавшие функциональные группы. Неорганические компоненты смазочного материала - ортоборная кислота, метаборная кислота, окись бора или их смеси и МоS₃ вместе обеспечивают получение прочного материала с низким коэффициентом трения без коррозии разнородных материалов. Эпоксидные смолы улучшают несущую способность, тогда как силиконовые смолы обеспечивают высокотемпературную функциональность и связующее с низким коэффициентом трения. Эту композицию диспергируют в относительно безвредном органическом растворителе, содержащем растворитель, выбранный из группы, состоящей из этилацетата (CAS#141-78-6), полиметилметакрилатацетата (CAS#108-65-6), метилэтилкетона (CAS#78-93-3), метилизобутилкетона (CAS# 108-10-1) и их смесей. При необходимости композицию разбавляют до адекватной консистенции (предпочтительно относительно безвредным растворителем, например, этилацетатом), наносят (распылением, окунанием или кистью) в виде однослойного покрытия на металлическую подложку и затем отверждают при температуре в диапазоне приблизительно 425-500^oF (218,3-260^oС), а предпочтительно при температуре приблизительно 450^oF (232,2^oС). В условиях испытаний при высоких нагрузках эта композиция выдерживает более 1000 циклов (соответствующих минимальному требованию) при испытании, предназначенном для контроля эффективности смазочных материалов с твердой смазывающей пленкой, и показывает уровень смазывающей способности, сравнимый с применяемой в настоящее время двухслойной керамической композицией, которая содержит свинец и графит.

Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, приемлем с экологической точки зрения при применении только MoS₂ и, например, производных ортоборной кислоты или окиси бора, которые известны как вещества относительно безобидные для человека. Кроме того, коррозия, возникающая вследствие наличия графита, исключается благодаря полной замене графита ортоборной кислотой, которая обеспечивает смазывающую способность без возникновения электрохимической коррозии в присутствии морской воды.

Как известно в этой области техники, неорганические материалы могут быть эффективно использованы в качестве смазок для тех случаев применения, в которых смазанные поверхности подвергаются воздействию высоких температур, вакуума, высоких рабочих нагрузок и их комбинаций, а также других факторов, которые делают невозможным применение обычных смазочных масел и консистентных смазок. Такие материалы используют либо отдельно, либо как часть многослойного смазочного материала с твердой смазывающей пленкой. Такие многослойные смазочные материалы с твердой смазывающей пленкой, как правило, обеспечивают комбинацию неорганической смазки или смеси неорганических смазок и связующего в композиции, содержащей керамику или полимерную матрицу. Типовыми неорганическими смазками являются двусернистый молибден (MoS2), трехокись сурьмы (Sb₂O₃) и графит. Неорганические смазки, как правило, являются твердыми телами со слоистой кристаллической решеткой, в которых прочные ковалентные или ионные связи образованы в каждом слое, а каждый слой с другими слоями связан только относительно слабыми силами Вандерваальса. Таким образом, при соответствующем усилии эти твердые тела, имеющие слоистую структуру, скользят относительно друг друга, обеспечивая благодаря этому смазывающую способность по плоскостям скольжения.

Кристаллические ортоборная кислота (В(ОН)₃), метаборная кислота (НОВ=0), окись бора (В₂О₃) и другие бораты, как известно, существуют в твердом состоянии в виде двумерных пластинок (смотри, например, Моллер, Неорганическая химия, опубликованная Джоном Вайли с сыновьями (шестое издание) в апреле 1957 года, страницы 808-811). Эрдемир и др. в своей работе "Трибология природных пленок борной кислоты на карбиде бора" (в Surface and Coatings Technology, 86-87, (1996), 507-510) сообщает, что наличие пленки ортоборной кислоты, образованной в результате гидролиза окиси бора на поверхностях карбида бора, может оказывать влияние на смазывающую способность этих поверхностей. Известно, что ортоборная кислота может преобразовываться в метаборную кислоту и окончательно в окись бора в результате термической дегидратации, а окись бора может быть преобразована в метаборную кислоту и борную кислоту в результате реакции с водой (смотри, например, вышеуказанного Моллера и Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology, опубликованной Джоном Вайли и сыновьями в 1985 году, страницы 176-177).

Благодаря применению ортоборной кислоты, метаборной кислоты, окиси бора или их смеси вместо графита в композиции многослойного смазочного материала с твердой смазывающей пленкой получают композицию смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, которая имеет низкий коэффициент трения и исключает проблемы, связанные с электрохимической коррозией, которая имеет место тогда, когда содержащий графит, смазочный материал с твердой смазывающей пленкой приходит в контактное взаимодействие с разнородными металлами в морской воде или среде соляного тумана. Эффективное количество ортоборной кислоты для получения приблизительно эквивалентной смазывающей способности смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, содержащего сухого графита приблизительно 5-15 мас.%, составляет приблизительно 4-13 мас.% сухой ортоборной кислоты, причем предпочтительное содержание составляет приблизительно 5-12 мас.%. Вместо ортоборной кислоты могут быть использованы метаборная кислота, окись бора или их смесь, причем их содержание вычисляют, принимая во внимание их химическую реакцию с водой до окончательного образования ортоборной кислоты.

Соединения бора и смеси соединений бора, которые могут функционировать как неорганическая смазка в композиции смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, соответствующего настоящему изобретению, содержат соединения бора и кислорода, которые могут существовать в твердом состоянии в виде двумерных пластинок. Как правило, композиция, содержащая смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, содержит тонкоизмельченное твердое соединение бора и кислорода или его гидратированную форму, выбранное из группы, состоящей из ортоборной кислоты (В(ОН)₃), метаборной кислоты (НОВ=O), окиси бора (В₂О₃) и их смесей. Однако в этой композиции могут быть также использованы любые другие соединения бора и кислорода и их гидратированные формы, которые существуют в твердом состоянии в виде двумерных пластинок. В(ОН)₃ и В₂О₃ являются предпочтительными, причем самым предпочтительным соединением является В(ОН)₃.

Твердый смазывающий компонент смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, соответствующего настоящему изобретению, содержит соединение, выбранное из группы, состоящей из ортоборной кислоты (называемой также борной кислотой), метаборной кислоты, окиси бора или их смесей, в количестве, находящемся в диапазоне 4-13 мас.% в соответствии с содержанием ортоборной кислоты в сухой композиции, причем предпочтительное содержание составляет 5-12 мас.%.

Другим компонентом композиции смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, соответствующего настоящему изобретению, является двусернистый молибден (MoS₂). Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, содержит приблизительно 4-16 мас.% двусернистого молибдена (в сухой композиции), причем предпочтительным содержанием является 5-15 мас.%.

Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, дополнительно содержит полимерное связующее, причем полимерное связующее содержит смесь силиконового полимера, имеющего реакционно способные функциональные группы и эпоксидную смолу В-стадии отверждения, имеющую непрореагировавшие функциональные группы для образования цепи и сшивания. На практике в качестве силиконового полимерного компонента полимерного связующего могут быть использованы композиции полимерных силоксанов, например метилфенилсилоксан, диметилсилоксан и их смеси. Силиконовые полимерные композиции, содержащие метилфенилсилоксан, являются предпочтительными, поскольку они имеют более высокий диапазон рабочих температур. Типовые покупные композиции полимеров метилфенилсилоксана включают в себя силиконы SR882M и SR125, поставляемые компанией GE Silicones, Waterford, NY. Такие композиции, например силикон SR882M, являются предпочтительными, поскольку они имеют относительно высокий уровень совместимости с композициями эпоксидной смолы, например, Ероn 828. Однако может быть использована любая другая в общем эквивалентная силиконовая композиция, производимая другими производителями. Как известно в этой области техники, небольшие количества катализатора, например октоата цинка или нафтената цинка, должны быть введены в композицию перед нанесением для активации отверждения силиконового компонента. Количества таких катализаторов находятся в диапазоне 0,15-0,3 мас.% от массы силиконовой смолы.

Эпоксидный компонент полимерного связующего содержит смолу на основе бифенолэпихлоридина. Покупные смолы, пригодные для этой цели, включают в себя, например, Epon Resin 828, 1007, 1009 и Eponol Resin 55 (производства компании Shell Chemical Company); Araldite 6097 и 7097; и Epi-Rez 540C; причем смола Epon 828 является предпочтительной. Однако может быть использована любая другая в общем эквивалентная композиция эпоксидной смолы, произведенная другими производителями. Как известно в этой области техники, эти смолы должны быть сшиты или отверждены с помощью соответствующих отвердителей. Смола Epon 828 может быть отверждена, например, с помощью композиций, содержащих метилендианилин (Shell Catalyst Z), или с помощью любого другого пригодного отвердителя эпоксидной смолы, обычно используемого в этой области техники.

Полимерное связующее может охватывать широкий диапазон композиций, содержащих от приблизительно 90 мас.% силиконового полимера и примерно 10 мас. % эпоксидной смолы до приблизительно 10 мас.% силиконового полимера и примерно 90 мас. % эпоксидной смолы (от сухого полимерного связующего). Высокое содержание силикона обеспечивает возможность получения относительно мягкого и податливого связующего, тогда как высокое содержание эпоксидной смолы дает в результате более твердое и менее податливое связующее. Смеси, состоящие из приблизительно 25 мас. % силикона и примерно 75 мас.% эпоксидной смолы, а также приблизительно 75 мас.% силикона и примерно 25 мас.% эпоксидной смолы дают хорошие полимерные связующие для универсального смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, однако смесь 50 мас.% силиконовой смолы с 50 мас. % эпоксидной смолы предпочтительна для смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, применяемого на ракетных ускорителях, поскольку он обладает наилучшей долговечностью.

Однако в общем случае полимерное связующее может состоять только из силиконовых полимеров или из эпоксидной смолы или других типов полимеров, известных в этой области техники и нашедших применение для связующего смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, например полиимидов и феноло-альдегидных полимеров и их смесей. Тир и композиция связующего и точное количество ортоборной кислоты или окиси бора, а также других составляющих будут зависеть от особенностей применения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой.

Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, может быть приготовлен при использовании обычного устройства, например смесителя, мешалки, мельницы и аналогичного устройства, известного в этой области техники для приготовления композиций пигментных полимерных покрытий, которые диспергируют в органическом растворителе, а также с помощью любого другого средства, известного в этой области техники для смешивания дисперсии силиконового полимера с дисперсией эпоксидной смолы и твердыми пигментами в органическом растворителе. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, предпочтительно получают в среде, имеющей низкую относительную влажность. Предпочтительной является относительная влажность 60-70%. Для предотвращения конденсации влаги температура среды, в которой получают и наносят смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, и температура детали должны быть приблизительно на 5-10^oF (2,6-5,3^oС) выше точки конденсации.

Как правило, композицию силиконового полимера и композицию эпоксидной смолы смешивают в обычном смесительном аппарате и разбавляют растворителем, выбранным из группы, состоящей из этилацетата (CAS#141-78-6), полиметилметакрилатацетата (CAS# 108-65-6), метилэтилкетона (CAS#78-93-3), метилизобутилкетона (CAS# 108-10-1) и их смесей. В процессе осуществления этой технологической операции вводят тонкоизмельченные твердые компоненты и тщательно диспергируют в этой смеси. Предпочтительными растворителями являются этилацетат (CAS#141-78-6) и полиметилметакрилатацетат (CAS#108-65-6). Содержание твердого составляющего в дисперсии смеси смазочного материала с твердой смазывающей пленкой составляет приблизительно 40%. Однако его содержание может быть изменено в зависимости от содержания твердых веществ, используемых для определенной композиции смазочного материала с твердой смазывающей пленкой.

В том случае, если для нанесения композиции смазочного материала используют стандартную аппаратуру для нанесения покрытий распылением, композиция смеси смазочного материала с твердой смазывающей пленкой может быть разбавлена 1: 1 по объему соответствующим растворителем, предпочтительно этилацетатом. Если необходимо, то дисперсия смеси смазочного материала с твердой смазывающей пленкой может быть разбавлена до любой адекватной консистенции для нанесения на металлическую подложку однослойного покрытия распылением, окунанием или кистью. После нанесения на металлическую деталь смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, как правило, отверждают в печи на воздухе при атмосферном давлении и 425-500^oF (218,3-260^oС) в течение 60-90 мин. Как известно в этой области техники, для получения оптимальных характеристик поверхность отвержденного смазочного материала с твердой смазывающей пленкой полируют линтом без масла до тех пор, пока матовая поверхность не станет глянцевой.

Для иллюстрации преимущества заявляемого смазочного материала ниже приведены примеры на предпочтительные варианты заявляемого смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, содержащего 5 - 12 мас.% ортоборной кислоты, 5 - 15 мас.% MoS₂, в полимерном связующем, содержащем 50 мас.% силиконового полимера и 50 мас.% эпоксидной смолы. Приготовление заявляемого смазочного материала и нанесение его на металлическую поверхность осуществляют по вышеописанной методике. При этом в композицию перед нанесением для активации отверждения силиконового компонента вводят катализатор, выбранный из октоата цинка и нафтената цинка, в количестве 0,15-0,3 мас.% от массы силиконовой смолы.

ПРИМЕР 1
Этот пример показывает, что коэффициент трения отвержденного однослойного покрытия, содержащего борную кислоту, смазочного материала с твердой смазывающей пленкой меньше, чем коэффициент трения содержащего свинец смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, обычно наносимого на ракетные ускорители, состоящего из керамического грунтовочного слоя, содержащего графит, и верхнего, содержащего силикон, слоя.

Коэффициент трения измеряли в соответствии со стандартной методикой испытаний Американского общества по испытанию материалов, ASTM D2714, описанной в справочнике Annual Book of ASTM Standards, Vol.05.02, "Нефтепродукты и смазочные материалы", ASTM, Philadelphia, PA 1992, который включен в эту заявку ссылкой. Результаты, приведенные в Таблице 1, показывают, что отвержденный однослойный содержащий борную кислоту и MoS₂ смазочный материал с твердой смазывающей пленкой имеет коэффициент трения, который равен или лучше, чем у отвержденной двуслойной композиции, содержащей графит и свинец, на основе керамики/силикона.

ПРИМЕР 2
Этот пример показывает, что композиция содержащего борную кислоту смазочного материала с твердой смазывающей пленкой не активирует коррозию металлической детали с нанесенным на нее смазочным материалом.

Образцы из металлического сплава Inconel 718 (в мас.%: 0,05 С, 19 Сr, 52 Мо, 5 Cb/Nb, 9 Ti, 0,55 Al, 0,005 В, остальное Fe) были покрыты одним слоем содержащего борную кислоту и MoS₂ смазочного материала с твердой смазывающей пленкой и подвергнуты воздействию 5% солевого раствора в течение 2, 7 и 14 дней соответственно. Результаты, приведенные в Таблице 2, по сравнению с типовыми результатами, полученными на образцах из металлического сплава Inconel 718, покрытых двумя слоями содержащего графит и свинец смазочного материала (с твердой смазывающей пленкой) на основе керамики/силикона, показывают, что содержащий борную кислоту смазочный материал с твердой смазывающей пленкой не активирует коррозию.

ПРИМЕР 3
Этот пример показывает, что срок службы до полного износа отвержденного содержащего борную кислоту смазочного материала с твердой смазывающей пленкой больше, чем срок службы до полного износа содержащего свинец смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, обычно наносимого на ракетные ускорители, состоящего из керамического грунтовочного слоя, содержащего графит, и верхнего содержащего силикон слоя.

Срок службы до полного износа измеряли в соответствии со стандартной методикой испытаний Американского общества по испытанию материалов, ASTM D2714, описанной в справочнике Annual Book of ASTM Standards, Vol.05.02, "Нефтепродукты и смазочные материалы", ASTM, Philadelphia, PA 1992, который включен в эту заявку ссылкой. Результаты, приведенные в Таблице 3 показывают, что отвержденный однослойный содержащий борную кислоту и MoSz смазочный материал с твердой смазывающей пленкой имеет срок службы до полного износа, который в 5,7 раза больше, чем у отвержденной двуслойной композиции, содержащей графит и свинец, на основе керамики/силикона.

ПРИМЕР 4А
В этом примере показана несущая способность содержащего борную кислоту смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, полученная в соответствии со стандартной методикой испытаний ASTM D-2625-B (штифт-V-образный блок) Американского общества по испытанию материалов, описанной в справочнике Annual Book of ASTM Standards, Vol.05.02, "Нефтепродукты и смазочные материалы", ASTM, Philadelphia, PA 1992, который включен в эту заявку ссылкой.

Результаты, приведенные в Таблице 4А, показывают, что отвержденный однослойный содержащий борную кислоту и MoS₂ смазочный материал с твердой смазывающей пленкой имеет несущую способность, которая превышает минимально допустимый стандартом уровень для случаев применения на ракетных ускорителях, но немного ниже, чем несущая способность отвержденной двуслойной композиции, содержащей графит и свинец, на основе керамики/силикона.

ПРИМЕР 4В
Этот пример иллюстрирует эксплуатационные характеристики содержащего борную кислоту смазочного материала с твердой смазывающей пленкой в условиях приложения очень высоких нагрузок, которые могут иметь место в случаях применения на ракетных ускорителях и в других случаях применения в тяжелом машиностроении.

Как известно в этой области техники, высокая несущая способность является важной характеристикой смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, применяемого в тяжелом машиностроении. В случае смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, предназначенного для аэрокосмического применения, например в качестве смазки компонентов ракетных ускорителей, срок службы до полного износа должен быть равен или превышать стандартные 1000 циклов под нагрузкой 110000 фунт/кв.дюйм (758450 кПа) в устройстве для испытаний моносферы в блоке, разработанном в Marshall Space Flight Center для моделирования очень высоких нагрузок, прикладываемых к стойке для стендовых испытаний ракеты (фиг.3, 32а, 32b, 32с) и к внешнему баку, закрепленному по месту (фиг. 3, 34а), в течение того периода времени, когда узел ракетный ускоритель - летательный аппарат для челночных полетов (фиг.1, 14) находится на стенде перед и в процессе запуска. Устройство для испытаний при высоких нагрузках иллюстрируется на фиг. 4А, 4В и 4С. Как показано на фиг.4А-4С, полая металлическая моносфера 42, имеющая диаметр 2 дюйма (50,8 мм), удерживается между металлическими вогнутыми блоками 44а и 44b. Технологическая оснастка для колебания моносферы по всей дуге, составляющей приблизительно 6 градусов, присоединена к штанге 41, которая проходит через фланцы 43а и 43b. Это удваивает общее количество перемещений, которые может сделать узел летательного аппарата для челночных полетов в процессе заливки криогенных жидкостей в баки и в процессе запуска. В течение испытаний к блокам 44а и 44b прикладывают нагрузку 110000 фунт/кв.дюйм (758450 кПа). На фиг.4В показан вид сверху 42Т на фланец моносферы 42 и вид сбоку 42S, на котором показана область 45 нанесения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой. Область 45 в общем занимает площадь 0,5 кв.дюймов (322,58 мм²). Вторая область нанесения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой расположена под углом 180 градусов против первой области. На фиг.4С показан вид сверху 44Т блоков 44а и 44b и сечение, сделанное по линии А-А, показанной на виде сверху 44Т. На вогнутую поверхность блоков 44а и 44b нанесен смазочный материал с твердой смазывающей пленкой в зоне 46, расположенной вокруг отверстия 47, показанного на фиг.4С и имеющего диаметр, который равен приблизительно 0,25 дюйма (6,35 мм). Покрытие охватывает площадь, составляющую приблизительно 0,5 кв.дюймов (322,58 мм²) на блок. Моносфера расположена в блоке так, чтобы области на блоке, покрытые смазочным материалом с твердой смазывающей пленкой, перекрывали области, покрытые смазочным материалом с твердой смазывающей пленкой, на моносфере. При проведении испытаний области 45 и 46 на моносфере и блоках, соответственно, покрытые смазочным материалом с твердой смазывающей пленкой, трутся друг о друга. При проведении испытаний без нанесения смазочного материала на моносферу, металлическая поверхность моносферы трется о покрытие смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, нанесенное на блоки 44а и 44b в областях 46. В процессе испытаний сфера качается по общей дуге, составляющей приблизительно 6 градусов, с частотой 0,5 Гц. В точках 45 и 46 контактное напряжение достигает величины, составляющей приблизительно 110000 фунт/кв.дюйм (758450 кПа). Штанга 41 присоединена к динамометрическому элементу. В процессе испытаний динамометрический элемент обеспечивает получение необходимых данных. Момента отказа достигают тогда, когда усилие, требуемое для перемещения штанги 41, измеряемое динамометрическим элементом, равно или превышает 500 фунтов (2225 Н). В момент отказа на контактной поверхности сферы и блока имело место истирание, которое достигало значительной величины. Число циклов до отказа регистрировали. Результаты, приведенные в Таблице 4, показывают, что отвержденный однослойный содержащий борную кислоту и MoS₂ смазочный материал с твердой смазывающей пленкой имеет более высокие эксплуатационные качества, чем отвержденная двуслойная композиция, содержащая графит и свинец, на основе керамики/силикона. Даже при нанесении слоя смазочного материала с твердой смазывающей пленкой только на блок и отсутствии покрытия смазочного материала на сфере получено свыше 1000 циклов (требуемых в соответствии со стандартом) наработки на отказ под нагрузкой 110000 фунт/кв.дюйм (758450 кПа).

ПРИМЕР 5
Этот пример показывает, что приблизительно один уровень смазывающей способности может быть получен при использовании как смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, содержащей 5-12 мас.% графита (сухие ингредиенты), так смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, содержащей 5-12 мас.% ортоборной кислоты (сухие ингредиенты).

Был приготовлен смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, содержащий 5-12 мас.% графита, и смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, содержащий 5-15 мас.% MoS₂ в полимерном связующем, содержащем 50 мас.% силиконового полимера и 50 мас.% эпоксидной смолы (сухие ингредиенты). Коэффициент трения измеряли в соответствии с процедурой, описанной в Примере 1. Как следует из Таблицы 5, коэффициент трения смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, соответствующего настоящему изобретению, меньше, чем у смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, содержащей графит.

Аналогичные результаты получают при введении в состав заявляемого смазочного материала всех заявляемых соединений бора. Из сказанного выше очевидно, что борная кислота и соединения, родственные борной кислоте, могут быть эффективно использованы в качестве неорганических смазывающих компонентов в смазочных материалах с твердой смазывающей пленкой и что содержащий борную кислоту смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает более высокое качество смазки при более высоких уровнях нагрузки, обычных для ракетных ускорителей и других случаев аэрокосмического применения, но характеризуется отсутствием активации электрохимической коррозии или воздействия на рабочих и окружающую среду токсичными материалами, например соединениями свинца. Кроме того, применение таких смазочных материалов обеспечивает возможность существенного уменьшения трудоемкости (вследствие необходимости нанесения только одного слоя покрытия) и экономии энергии вследствие существенного уменьшения температуры отверждения до приблизительно 450^oF (232,2^oС) по сравнению с температурой 1000^oF (537,8^oС), обычно используемой для двухслойной керамической композиции. При применении смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, содержащего борную кислоту, уменьшаются трудоемкость, расходы на удаление опасных отходов и расходы на защиту людей от вредного воздействия токсичных ингредиентов смазочного материала. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой, соответствующий настоящему изобретению, может быть применен не только в аэрокосмической области. Например, он может быть использован для смазки элементов тяжелого машиностроения, например двигателей, наземного несущего оборудования, автоматических станков, механизмов, применяемых в энергетических установках, металлических соединителях всех видов и в любых других элементах, работающих при очень высоких нагрузках, и в тех случаях, где проблемой является электрохимическая коррозия и где существует необходимость устранения вредного влияния токсичных тяжелых металлов на здоровье людей и состояние окружающей среды.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано со ссылкой на его некоторые предпочтительные варианты осуществления, возможны и другие варианты осуществления. По этой причине сущность и объем прилагаемой формулы изобретения не должен ограничиваться описанием предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенным в этой заявке.

Смазочный материал предназначен для применения в ракетных ускорителях и в связанном с ними пусковом устройстве, а также в других областях тяжелого машиностроения. Смазочный материал включает полимерную матрицу, содержащую связующее, дисульфид молибдена и соединение бора, выбранное из группы, состоящей из ортоборной кислоты, метаборной кислоты, окиси бора и их смесей. Определенное соотношение компонентов смазочного материала ингибирует коррозию металлической подложки. Заявляемый способ устранения электрохимической коррозии металлических поверхностей заключается в том, что на металлическую поверхность наносят заявляемый смазочный материал с твердой смазывающей пленкой. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 6 табл., 6 ил.

1. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой для металлических поверхностей, включающий полимерную матрицу, содержащую связующее, и дисульфид молибдена, отличающийся тем, что он дополнительно содержит соединение бора, выбранное из группы, состоящей из ортоборной кислоты, метаборной кислоты, окиси бора и их смесей, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Соединение бора - 4-13
Дисульфид молибдена - 4-16
Полимерная матрица, содержащая связующее - Остальное
2. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по п. 1, отличающийся тем, что полимерная матрица выбрана из группы, состоящей из метилфенилсилоксана, смолы на основе бисфенолэпихлоргидрина, полиимида, фенолоальдегидного полимера и их смесей. 3. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по п. 2, отличающийся тем, что полимерная матрица выбрана из группы, состоящей из метилфенилсилоксана, смолы на основе бисфенолэпихлоргидрина и их смесей. 4. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по п. 3, отличающийся тем, что полимерная матрица содержит смесь метилфенилсилоксана и смолы на основе бисфенилэпихлоргидрина. 5. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по п. 4, отличающийся тем, что полимерная матрица содержит 25-75 мас. % метилфенилсилоксана. 6. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по п. 4, отличающийся тем, что полимерная матрица содержит 50 мас. % метилфенилсилоксана и 50 мас. % смолы на основе бисфенолэпихлоргидрина. 7. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по любому из пп. 1, 5 и 6, отличающийся тем, что он содержит 4-13 мас. % ортоборной кислоты. 8. Смазочный материал с твердой смазывающей пленкой по п. 7, отличающийся тем, что он содержит 5-12 мас. % ортоборной кислоты. 9. Способ устранения электрохимической коррозии металлических поверхностей путем нанесения на металлическую поверхность смазочного материала с твердой смазывающей пленкой, отличающийся тем, что в качестве смазочного материала с твердой смазывающей пленкой используют смазочный материал по пп. 1-8. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что смазочный материал с твердой смазывающей пленкой содержит 4-13 мас. % ортоборной кислоты. 11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что смазочный материал с твердой смазывающей пленкой содержит 5-12 мас. % ортоборной кислоты.