СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2011 года по МПК C23C24/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу формирования покрытия на трущихся поверхностях, и может быть использовано для формирования прочного износостойкого покрытия в узлах трения гидравлических, прецизионных, механических систем, зубчатых и цепных передач, систем с циркуляционной смазкой, применяемых в автомобильной и в других отраслях промышленности.

Известен способ формирования сервовитной пленки на контактируемых и трущихся поверхностях, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь абразивоподобного вещества со связующим; в качестве абразивоподобного порошка используют природный серпентит дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-40 мас.%, RU 2006708 С1.

Этот способ не позволяет получать износостойкую (сервовитную) пленку, отвечающую современным требованиям, предъявляемым к подобного вида изделиям, так как образующая износостойкая пленка достаточно хрупка и характеризуется несплошностью, что приводит в конечном итоге к нестабильным результатам при эксплуатации изделий.

Известен 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. В качестве формирующего антифрикционное покрытие вещества используют композицию природных минералов, содержащую, мас.%: Mg₃Si₂O₅(OH)₄ 10-60, MgFe₂O₄ 10-60, MoS₂ 1-20, сопутствующие редкоземельные элементы 0,1-10, Н₂O - не более 5; предварительную механоактивацию можно проводить с пульсацией давления 0,01 МПа при 100-200°C, RU 2160856 С1.

Недостатком этого способа является то, что композиция, выбранная для формирования антифрикционного покрытия, хотя и позволяет получит более высокие результаты по сравнению с описанным выше способом, однако формирование антифрикционной пленки на трущихся поверхностях происходит медленно. Кроме того, образующаяся на трущихся изделиях антифрикционная пленка обладает таким отрицательным качеством, как хрупкость и несплошность.

Известен способ формирования покрытия на трущихся поверхностях, включающий измельчение исходной смеси минералов, содержащей серпентин в виде смеси хризотил - асбеста, офита, антигорита и лизардита, взятых в мас.%: 1:2,5-4,0:1,5-3,0:2,0-3,5, магниевого концентрата, получаемого при очистке высокоминерализованных термальных вод, характеризующегося содержанием оксидов, мас.%: MgO 80-88; СаО 10-18; Fe₂O₃-Al₂O₃ 0,2-2,2; SiO₂ 1,6-3,5, с добавлением ПАВ в качестве диспергатора, измельчение до дисперсности 1-40 мкм, с последующим добавлением в полученную массу смеси сажи и фуллеренов, состоящей из 90% сажи и 10% фуллерена и нанокристаллического аморфного диоксида кремния, полученного из рисовой шелухи, с размерами частиц 20-100 нм, смешивание с последующей механоактивацией твердосмазочной композиции в количестве 3 г со связующим в количестве 197 г, размещением полученного состава между трущимися поверхностями и его приработкой, при этом размещаемый между трущимися поверхностями состав содержит, мас.%: твердосмазочная композиция 1,5, связующее 98,5, причем твердосмазочная композиция содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:

Смесь сажи с фуллеренами 4,5-5,5 Нанокристаллический аморфный диоксид кремния 6,5-7,5 Магниевый концентрат 25-35 Серпентин 45-65 ПАВ 7,5-11,5,

RU 2357123 С2.

Недостатком данного способа является использование компонентов, являющихся продуктами очистки высокоминерализованных термальных вод, а также продукта, являющегося результатом переработки рисовой шелухи, то есть для реализации заявленного способа необходима реализация двух других способов, что усложняет и удорожает технологию в целом и привязывает ее к конкретной местности, где имеются термальные воды определенного состава и предприятия по очистке определенных сортов риса от шелухи; компоненты, получаемые из термальных вод и рисовой шелухи, не стабильны по составу, что ведет к неопределенности результатов реализации способа по RU 2357123 С2.

Известен также способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей, включающий размещение между трущимися поверхностями смеси технического масла и вещества, формирующего антифрикционное покрытие, содержащего предварительно измельченную композицию природных минералов, содержащую минерал из группы серпентинов, клинохлор и алевролит, причем при приготовлении вещества, формирующего антифрикционное покрытие, применяют модификатор; в качестве минерала из группы серпентинов используют антигорит, в качестве вещества, формирующего антифрикционное покрытие, используют композицию природных минералов, содержащую, мас.%:

Антигорит 40-60 Клинохлор 20-50 Бурый алевролит 10-20,

причем при приготовлении вещества, формирующего антифрикционное покрытие, применяют модификатор, в качестве которого используют природный минерал шунгит в количестве 1-5% от массы указанных природных минералов композиции, RU 2264440 С1.

Данный способ, принятый в качестве прототипа настоящего изобретения, позволяет несколько снизить трение в триботехнических парах, а также частично, в небольшой степени восстанавливать изношенную поверхность.

Недостатком способа-прототипа является то обстоятельство, что не обеспечивается упрочнение материала трущихся элементов в зоне контакта; в результате в случае частичного нарушения целостности покрытия из-за недостаточной его адгезии с покрываемым элементом происходит местный износ, а также развиваются коррозионные процессы. Кроме того, при формировании покрытия оказывается абразивное воздействие на трущиеся поверхности в зоне формирования покрытия вследствие выраженных абразивных свойств шунгита, что увеличивает износ этих поверхностей в процессе формирования покрытия; кроме того, способ-прототип обеспечивает близкое к максимальному пятно контакта трущихся поверхностей за счет их практически идеальной гладкости, достигаемой после завершения процесса формирования покрытия, вследствие чего смазочные материалы плохо удерживаются между трущимися поверхностями, что увеличивает их износ и может привести к существенным механическим повреждениям трущихся элементов.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение упрочнения материала трущихся элементов в зоне их контакта, снижение абразивного воздействия на трущиеся поверхности в процессе формирования покрытия, а также улучшение удержания смазки (масла) между трущимися поверхностями триботехнических пар после завершения формирования покрытия.

Согласно изобретению в способе формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей, включающем приготовление вещества, формирующего антифрикционное покрытие, в виде предварительно измельченной композиции природных минералов, содержащей минерал из группы серпентинов, клинохлор и алевролит, смешивание упомянутого вещества с техническим маслом и размещение полученной смеси между трущимися поверхностями, приготавливают композицию природных минералов, содержащую в качестве минерала из группы серпентинов -карпинскит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карпинскит 40-60 клинохлор 10-30 алевролит 20-50,

при этом после смешивания вещества, формирующего антифрикционное покрытие, и технического масла в полученную смесь вводят модификатор в виде фуллереновой сажи в количестве 0,3-0,8% от массы композиции природных минералов; используют хромосодержащую форму клинохлора - кочубеит; в смесь технического масла и вещества, формирующего антифрикционное покрытие, добавляют ПАВ в количестве 2-5% от массы композиции природных минералов.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Новизна».

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения обеспечиваются важные новые свойства заявленного объекта.

Вследствие того, что в качестве минерала из группы серпентинов впервые использован серпентин, содержащий никель, а именно карпинскит (karpinskite) - (MgNi)2Si₂O₅(OH)₂, происходит ионное легирование никелем трущихся поверхностей благодаря электрическим и электрохимическим процессам, протекающих при весьма высокой температуре, создающейся в микрообъемах в зоне трения (свыше 1000°С). В результате происходит упрочнение защищаемых поверхностей, а также замедляются процессы коррозии. Использование в качестве модификатора фуллереновой сажи позволяет уменьшить (в сравнении с прототипом, где в качестве модификатора использован сильноабразивный материал - шунгит) абразивное воздействие на триботехнические поверхности, поскольку фуллереновая сажа представляет собой углеродный материал, содержащий фуллерены размером 10-50 нм. Кроме того, фуллерены, содержащиеся в фуллереновой саже, образуют на трущихся поверхностях своего рода каркас, который в процессе работы заполняется нафтеновыми составляющими смазочного материала; таким образом создается особый структурированный слой, надежно удерживающий масляный клин, в том числе в экстремальных условиях работы, при этом сохраняется близкое к максимально возможному пятно контакта в узле трения.

Использование хромосодержащей формы клинохлора - кочубеита обеспечивает дополнительное легирование поверхностей хромом, что дополнительно повышает износостойкость покрываемого материала, а также увеличивает его коррозионностойкость.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные выше новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «Изобретательский уровень».

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Композицию природных минералов, содержащую карпинскит, кочубеит, алевролит, измельчают в молотковой мельнице до фракций 0,01-0,5 мм с последующей электромагнитной флотацией для удаления примесей железа. Полученный очищенный материал смешивают с техническим маслом марки МС-20 в жидкостном кавитационном дезинтеграторе в течение 30 минут, при этом массовое соотношение масла и минеральной композиции составляет (60-70):(0,5-1,0). В смесь технического масла и минеральной композиции может быть добавлено поверхностно-активное вещество (ПАВ) в количестве 2-5% от массы композиции природных минералов для улучшения их дисперсии в масле. Затем смесь отстаивают в течение 12 часов, осадок удаляют, а в образовавшуюся суспензию вводят модификатор - фуллереновую сажу. Дальнейшее смешивание осуществляют в механическом смесителе в течение 15 минут. Полученную смесь отстаивали в течение 6 часов, осадок удаляли, а оставшуюся суспензию для испытаний заливали в механизм с трущимися поверхностями с добавлением чистого моторного масла марки SAE 10W-40 в машину трения модели 2070 СМТ-1 по схеме скольжения подвижного ролика по неподвижному ролику. Ролики изготовлены из серого чугуна марки СЧ 20 ГОСТ 1412-85. Испытания проводились в течение 10 часов. Частота вращения подвижного ролика 300-1000 оборотов в минуту. Скорость скольжения 0,8-1 м/с. Нагрузка на неподвижный ролик - 200-600 Н. Для измерения микротвердости сформированного покрытия применялся микротвердометр «Micromet-11», Buchler, Германия. Для измерения шероховатостей поверхностей роликов до и после формирования покрытия использован комплекс «Профиль», Россия.

Массовое соотношение полученной суспензии и чистого масла составило 10%.

В примере 1 соотношение компонентов композиции природных минералов составляло, мас.%:

карпинскит 40 клинохлор (кочубеит) 10 алевролит 50,

количество фуллереновой сажи - 0,8 мас.% от массы указанной композиции. ПАВ добавлено в количестве 2 мас.% от массы композиции.

В примере 2 (мас.%):

карпинскит 50 клинохлор (кочубеит) 20 алевролит 30,

фуллереновая сажа 0,5 мас.% от массы композиции природных минералов, ПАВ не добавлялся.

Пример 3 (мас.%):

карпинскит 50 клинохлор (кочубеит) 30 алевролит 20,

фуллереновая сажа - 0,7 мас.%, ПАВ - 3 мас.% от массы минеральной композиции.

Пример 4 (мас.%):

карпинскит 40 клинохлор (кочубеит) 30 алевролит 30,

фуллереновая сажа - 0,8 мас.%, ПАВ - 5 мас.% от массы минеральной композиции.

Пример 5. Способ-прототип.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица.

Примеры № п/п Шероховатость поверхности, Ra Микротвердость, HV Коэффициент трения Изменение массы, г 1 0,42 559 0,03 +3,0*10^-3 2 0,31 626 0,02 +3,5*10^-3 3 0,44 619 0,03 +2,9*10^-3 4 0,58 569 0,03 +3,0*10^-3 5 0,81 392 0,06 +1,4*10^-3

Реализация способа позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхности трения, при этом график кривой Аббота сместился вверх и произошло перераспределение параметров в сторону увеличения масляных карманов примерно в два раза, что обусловливает значительное улучшение удержания масла между поверхностями трения.

Было также осуществлено испытание заявленного способа в отношении поверхностей трения деталей цилиндро-поршневой группы (вкладышей коленчатого вала, поршневого пальца, поршня, поршневых колец), обоймы роликовых подшипников качения коробки передач, зубьев и опорных шеек вала-шестерни масляного насоса, в течение более 10 суток. После этого был осуществлен визуальный мониторинг поверхностей с помощью измерительно-вычислительного комплекса «Latimet-Automatik» производства Германии. Установлено улучшение прирабатываемости деталей и уменьшение количества дефектов (вырывов, микротрещин и пр.). Исчезли грубые риски, оставленные в результате заводской обработки, либо полученные в результате штатной эксплуатации. Кроме того, были исследованы покрытия, образованные при использовании композиции, содержащей менее 40 мас.% и более 60 мас.% карпинскита.

Недостаток карпинскита отрицательно влияет на скорость образования антифрикционного покрытия, износостойкость и коррозионную стойкость, переизбыток ведет к повышенному абразивному износу поверхностей при формировании покрытия.

Недостаток клинохлора (менее 10 мас.%) ухудшает антифрикционные и антикоррозионные свойства покрытия, переизбыток (более 30 мас.%) ухудшает адгезию антифрикционного покрытия с покрываемым элементом триботехнической пары.

Недостаток алевролита (менее 20 мас.%) оказывает отрицательное воздействие на долговечность антифрикционного покрытия, переизбыток (более 50 мас.%) приводит к повышенному абразивному изнашиванию при формировании покрытия.

Недостаток фуллероновой сажи (менее 0,3 мас.%) замедляет образование антифрикционного покрытия и отрицательно сказывается на его антифрикционных свойствах. Избыток (свыше 0,8 мас.%) экономически нецелесообразно ввиду высокой стоимости фуллереновой сажи.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу формирования покрытия на трущихся поверхностях, и может быть использовано для формирования прочного износостойкого покрытия в узлах трения гидравлических, прецизионных, механических систем, зубчатых и цепных передач, систем с циркуляционной смазкой, применяемых в автомобильной и в других отраслях промышленности. Согласно способу приготавливают вещество, формирующее антифрикционное покрытие, в виде предварительно измельченной композиции природных минералов, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: карпинскит 40-60, клинохлор 10-30, алевролит 20-50. Затем осуществляют смешивание упомянутого вещества с техническим маслом и введение в полученную смесь модификатора в виде фуллереновой сажи в количестве 0,3-0,8% от массы композиции природных минералов. После чего смесь размещают между трущимися поверхностями. Технический результат - снижение абразивного воздействия на трущиеся поверхности, улучшение удержания смазки. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей, включающий приготовление вещества, формирующего антифрикционное покрытие, в виде предварительно измельченной композиции природных минералов, содержащей минерал из группы серпентинов, клинохлор и алевролит, смешивание упомянутого вещества с техническим маслом и размещение полученной смеси между трущимися поверхностями, отличающийся тем, что приготавливают композицию природных минералов, содержащую в качестве минерала из группы серпентинов - карпинскит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
карпинскит 40-60 клинохлор 10-30 алевролит 20-50,

при этом после смешивания вещества, формирующего антифрикционное покрытие, и технического масла в полученную смесь вводят модификатор в виде фуллереновой сажи в количестве 0,3-0,8% от массы композиции природных минералов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют хромсодержащую форму клинохлора - кочубеит.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в смесь технического масла и вещества, формирующего антифрикционное покрытие, добавляют ПАВ в количестве 2-5% от массы композиции природных минералов.