ТВЕРДОСМАЗОЧНАЯ ТРИБОКОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ (ТРУЩИХСЯ) ПОВЕРХНОСТЕЙ С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК C10M125/26 F16C33/14 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к твердосмазочным композициям для металлических узлов трения и способу формирования антифрикционного покрытия контактирующих (трущихся) поверхностей с ее использованием, и может быть применено в энергосберегающих технологиях в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

В последние годы появился ряд технических решений (см., например, RU 2001323 C1, опубл. 15.10.1993, RU 2093719C1, опубл. 20.10.1997), согласно которым для формирования антифрикционного покрытия контактирующих (трущихся) поверхностей используют твердосмазочные композиции, содержащие диспергированные минералы, в т.ч. природные гидросиликаты магния - абразивоподобные частицы, необходимые как на этапе приработки, так и в процессе эксплуатации узлов трения.

Размещение твердосмазочной композиции между трущимися поверхностями и последующая ее приработка приводит к образованию на трущихся металлических поверхностях покрытий, существенно уменьшающих коэффициент трения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является твердосмазочная композиция для металлических узлов трения, содержащая связующее и абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния и дополнительно содержащий оксиды металлов, имеющих меньшее, чем железо, сродство к кислороду, а также магнитный твердый раствор этих оксидов со структурой шпинели и/или граната при следующем соотношении компонентов, мас. %: природный гидросиликат магния - 65-95; оксиды металлов - 0,5-10; магнитный твердый раствор - 4,5-25 (см. RU 2127299 С1, 10.03.1999).

В качестве природного гидросиликата магния известная твердосмазочная композиция может содержать антигорит, серпентин, серпентинит, тальк, при массовом соотношении компонентов, %: абразивоподобный компонент - 7; связующее - 93.

Использование известной твердосмазочной композиции обусловливает протекание в зоне трения топохимических реакций, обеспечивающих формирование сервовидной пленки, уменьшающей износ элементов трения.

Ближайшим к заявленному способу формирования антифрикционного покрытия по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих (трущихся) поверхностей, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного, формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим (RU 2160856 С1, 20.12.2000). В качестве формирующего антифрикционное покрытие вещества используют композицию природных минералов, содержащую, мас. %: Mg₃Si₂O₅(OH)₄ - 10-60, MgFe₂О₄ - 10-60, MoS₂ - 1-20, сопутствующие редкоземельные элементы - 0,1-10, Н₂О - не более 5,0.

Известный способ позволяет увеличить механическую прочность антифрикционного покрытия.

Однако, как показали эксперименты авторов предлагаемого изобретения, известные решения не обеспечивают формирование прочносвязанного с поверхностью трения слоя, стало быть задача повышения прочности и долговечности покрытия, ускорения приработки узлов трения и снижения начального износа деталей по-прежнему сохраняет актуальность.

Для решения поставленной задачи предложена твердосмазочная композиция для металлических узлов трения, содержащая связующее и абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, содержащего антигорит и благородный серпентин (офит) с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника к длине, равном 1:25 - 1:40, при следующем соотношении ингредиентов абразивоподобном компоненте, мас.%: антигорит - 10-20, благородный серпентин (офит) - 80-90, и при следующем соотношении компонентов в твердосмазочной композиции, мас.%: абразивоподобный компонент - 0,5-5,0, связующее - остальное.

Предложенный способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих (трущихся) поверхностей заключается в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного, формирующего антифрикционное покрытие вещества, в качестве которого используют абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, содержащий антигорит и офит с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины, равном 1:25-1:40, при следующем соотношении ингредиентов в абразивоподобном компоненте, мас.%: антигорит - 10-20, офит - 80-90, со связующим, при следующем соотношении, мас.%: абразивоподобный компонент - 0,5-5,0, связующее - остальное.

Предлагаемый способ предусматривает использование связующего на любой основе: масла моторного, индустриального топлива, минеральных масел, жидких смесей высококипящих углеводородов, синтетических масел, кремнийорганических жидкостей, эфиров фосфорной, адипицовой и других кислот, солидолов.

Механохимический эффект предлагаемого способа достигается в равной мере на различных связующих благодаря качественному и количественному составу твердосмазочной композиции.

Эмпирическим путем подобрана сравнительно редкая по форме роста и структуре "карандашная" разновидность благородного серпентина (офита), оптимальная с точки зрения кристаллофизики.

Офит - минерал подкласса слоистых гидросиликатов магния Mg₆[Si₄О₁₀] (OН)₈, твердостью 2,5-3. Под действием механических нагрузок при температурах порядка 750^oС его кристаллическая решетка трансформируется (с потерей воды) в оливинообразное состояние Mg₂SiО₄, твердостью 6,5-7.

Авторам удалось с применением кристаллографического анализа установить, что в процессе трения под действием высоких нагрузок и температур в контактных зонах происходит самоактивация равновесного процесса замещения свободных внутрикристаллических связей (в моменты дегидратационных разрывов последних) атомами углерода. После осмысления сущности процесса дегидратации - карбонатизации (ДГК-процесс) удалось вплотную подойти к воссозданию искусственного ДГК-процесса и добиться его более-менее устойчивого течения в условиях, напоминающих реалии современной трибомеханики.

Другими словами, удалось блокировать трибохимический процесс саморазрушения кристаллогидратной структуры офита (мягкого минерала с неявными антифрикционными свойствами) путем активации обратной (восстановительной) карбонатизации. Как следствие, вместо выделения оливина - абразива с примесью свободной воды, в процессе трения происходит синтез новой комплексной структурной разновидности стеклоуглерода с уникальными противоизносными свойствами.

ДГК-устойчивость мелкодисперсной (3÷15 мкм) фракции абразивоподобного компонента на основе природного гидросиликата магния, содержащего антигорит и офит в указанном выше соотношении, получившего условное название геотрибомодификатора (ГТМ), позволила приступить к экспериментальной отработке поверхностной трибомодификации (ПТМ-обработке) подвижных сопряжений при условиях, близких к реальной эксплуатации. Показано, что карбонатизационная фаза ДГК-процесса активируется также органическими загрязнениями типа деструктурированного масла. Заявленная твердосмазочная композиция обеспечивает относительную инвариантность ГТМ к флуктуациям реологических параметров в широком диапазоне давлений, температур, линейных скоростей, а также типов смазочных материалов и химсостава исходных поверхностей трения. Экспериментально доказано, что предварительное насыщение пористой структуры ГТМ маслом (абсорбция) служит естественным катализатором процесса карбонатизации и одновременно ингибитором дегидратации офита. Использование в композиции длинноволокнистых ("карандашных") фракций офита (игольчатая форма микрочастиц при соотношении поперечника к длине порядка 1:25 - 1:40) в сочетании с антигоритом резко снижает локальное давление на поверхность кристаллогидрата в контактной зоне, замедляя процессы дегидратации и вытеснения масла из абсорбента, что по сути и представляет уникальную возможность самоактивации замещения углеродом постепенно освобождающихся кристаллогидратных связей.

Кристаллографический анализ позволил выделить три основных направления развития трибохимических ДГК-процессов:
1. Для твердых (каленых) стальных поверхностей - цементация поверхности и подложки.

2) Для мягких металлов и композитов - SР₃-гибридизация графита с переходом в состояние стеклоуглерода в виде поверхностных наслоений, объем которых может превышать количество изначально внесенного ГТМ на два порядка.

По сути дела внедренные в поверхность ГТМ-частицы играют роль катализатора и одновременно "скелета", тогда как "строительный материал" - связующее - имеется в избытке.

3. При ударном контакте двух поверхностей соизмеримой твердости реализуется третий механизм - образование сверхтвердых карборундовых слоев (кристаллический продукт соединения кремния с углеродом).

Таким образом, воссоздается пара трения, близкая к идеальной: по макрогеометрии (точно подогнанные поверхности), по микрогеометрии(образование регулярной микрокристаллической структуры типа хоновой сетки с притиркой по месту - аналог технологии нанесения сервовидных пленок) и с аномально низким коэффициентом трения: по результатам экспериментальных данных он устойчиво снижается в присутствии ГТМ в 10 - 15 раз. Появляется возможность поддерживать такую пару в оптимальном состоянии сколь-угодно долго (при условии наличия обратной связи в виде мониторинга техсостояния или виброакустической диагностики).

Параллельно происходит интенсивная очистка рабочих поверхностей от органических загрязнений, вовлекаемых в реакции замещения в качестве саморазрушающихся поставщиков атомов углерода.

Потребители ПТМ-технологии получают уникальную возможность безразборной реставрации изношенных деталей и узлов с продлением эксплуатационного ресурса; не менее продуктивно достижение на изношенной технике основных показателей (мощность или производительность; расход топлива, масла или электроэнергии; виброшумовых и температурных характеристик; параметров давления, компрессии, вакуума и пр.), не уступающих соответствующим параметрам нового оборудования.

Общее улучшение реологии трибомеханических процессов, поддержание гидродинамического режима трения, устранение износа трибомодифицированных контактных зон (т. е. минимизация выноса продуктов износа в смазочный материал) позволяет ставить вопрос о смягчении требований к качеству смазочных материалов и периодичности их замены в ПТМ-обработанных узлах и агрегатах.

Заявленное решение реализуется следующим образом.

Пример
Для приготовления твердосмазочной композиции были использованы следующие компоненты: офит с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины 1:25 ÷ 1:40 в количестве 80 г и 20 г антигорита. Компоненты смешивают в атриторе, контролируют степень помола (3÷15 мкм). Полученную смесь в количестве 50 г подвергают механоактивации со связующим (на основе масла И-8), взятом в количестве 950 г, что соответствует массовому соотношению в твердосмазочной композиции, размещаемой между трущимися поверхностями, %: твердосмазочная композиция - 5, связующее - 95.

Испытания проведены на токарных станках 16К20, компрессорах 202 ВП-10/8У4, автомобилях КамАЗ и ЗиЛ-150. Твердосмазочная композиция в узел трения была введена через штатную систему подачи смазки или методом напыления па поверхности контактных зон с определенной периодичностью и последующей кратковременной обкаткой при минимальных нагрузках и скоростях.

Результаты испытаний по внедрению технологии согласно изобретению свидетельствуют об экономии энергоресурсов: так, на токарных станках, помимо снижения шумов и вибраций расход электроэнергии сокращен на 35-40%; производительность компрессора 202 ВП-10/8У4 увеличилась на 20%; возросло давление на первой ступени, при этом потребление электроэнергии выросло не более чем на 3%; виброакустические характеристики значительно улучшились; отмечено общее снижение уровней шума в разных режимах работы токарных станков 16К20 при уменьшении радиального биения шпинделя с 5 до 0,5 мкм.

В результате обработки двигателя автомобиля ЗиЛ-150 по технологии (согласно изобретению) произошло улучшение всех показателей и одновременное выравнивание их численных значений (при неудовлетворительном исходном состоянии компрессионных колец и клапанов в цилиндрах): компрессия повысилась на 12-17%, компрессор стал накачивать ресивер на 7 мин (26%) быстрее, при этом потребляемый ток в стационарном режиме уменьшился на 36А (11%), температура воздуха после первой ступени снизилась на 7^oС (6%).

Особо следует отметить возможность вибродиагностирования дефектных узлов для последующей замены в случае невозможности использования ПТМ-технологии.

Использование: в машиностроении. Сущность: композиция содержит связующее и абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, содержащего антигорит и благородный серпентин (офит) с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины 1:25-1:40 при следующем соотношении ингредиентов в абразивоподобном компоненте, мас. %: антигорит - 10-20; благородный серпентин (офит) - 80-90 и при следующем соотношении компонентов в композиции, мас. %: абразивоподобный компонент 0,5-5,0; связующее - остальное. Способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих (трущихся) поверхностей заключается в том, что между трущимися поверхностями размещают твердосмазочную композицию, описанную выше. Технический результат - уменьшение поверхностного коэффициента трения, повышение износостойкости узлов трения, а также снижение энергозатрат и улучшение виброшумовых характеристик опорных узлов механизмов и машин. 2 с.п. ф-лы.

1. Твердосмазочная трибокомпозиция, содержащая связующее и абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, включающего антигорит, отличающаяся тем, что абразивоподобный компонент дополнительно содержит благородный серпентин (офит) с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины, 1: 25-1: 40, соответственно, при следующем соотношении ингредиентов в абразивоподобном компоненте, маc. %:
Антигорит - 10 - 20
Благородный серпентин (офит) - 80 - 90
и при следующем соотношении компонентов в твердосмазочной композиции, маc. %:
Абразивоподобный компонент - 0,5 - 5,0
Связующее - Остальное
2. Способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих (трущихся) поверхностей, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим, отличающийся тем, что в качестве формирующего антифрикционное покрытие вещества используют абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, содержащий антигорит и благородный серпентин (офит) с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины 1: 25-1: 40 при следующем соотношении ингредиентов в абразивоподобном компоненте, маc. %:
Антигорит - 10 - 20
Благородный серпентин (офит) - 80 - 90
и массовом соотношении компонентов, %:
Абразивоподобный компонент - 0,5 - 5,0
Связующее - Остальное