Способ формирования антифрикционного покрытия кинематических пар трущихся поверхностей

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модификации трущихся поверхностей кинематических пар. В способе формирования антифрикционного покрытия кинематических пар трущихся поверхностей, который заключается в том, что между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащую серпентин Mg ₃Si₂O₅(OH)₄, в качестве серпентина используют его полиморфную модификацию - хризотил, имеющий моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<а<5,3А°, 9,0<b<9,2A°, 7,0<с<7,3А°, углами β между положительными направлениями кристаллографических осей 90 или 93°, при этом в композицию дополнительно введены форстерит (Mg₂SiO₄), гётит ( ) и гематит (Fe₂O₃). Техническим результатом является повышение качества получаемого антифрикционного покрытия, а именно снижение коэффициента трения (до значений не выше 0,003); увеличение прочности и износоустойчивости, обеспечение возможности реализации способа как при наличии масляной смазки, так и при отсутствии любых видов смазки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модификации трущихся поверхностей кинематических пар.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь природного серпентинита дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-4 мас.%, RU 2006708.

Недостатком этого способа является низкое качество и недолговечность образуемого покрытия.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим, при этом в качестве такого вещества используют природный серпентинит, содержащий, мас.%:

MgO, CaO 20-60

SiO, Аl₂О₃ 20-60

Н₂ O 3-10

Примеси пород 3-10

Предварительную механоактивацию производят пульсацией давления 0,1-1,0 МПа при 40-100°С, размещение смеси и приработку трущихся поверхностей осуществляют при температуре механоактивации, RU 2006707.

Недостатком этого способа является неравномерная толщина получаемого антифрикционного покрытия, его нестабильность и недолговечность, особенно в условиях повышенных механических и температурных воздействий, что не позволяет обеспечить высокую износостойкость трущихся поверхностей.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия кинематических пар, 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.%: Mg₃Si₂O ₅(OH)₄ 10-60; MgFe₂O₄ 10-60; МоS₂ 1-20, сопутствующие редкоземельные элементы 0,1-10, Н₂О - не более 5; предварительную механоактивацию можно проводить с пульсацией давления 0,01-10 МПа при 100-200°С, RU 2160856.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Способ обеспечивает несколько лучшие свойства получаемого антифрикционного покрытия в сравнении с предыдущими аналогами благодаря исключению окиси кальция, которая нарушает процессы, связанные с обменом конституированной водой между гидроокислами магния и железа.

Однако способ-прототип не обеспечивает достаточно высокую стабильность и долговечность антифрикционного покрытия в широком диапазоне механических и температурных воздействий. Это не позволяет обеспечить необходимую износостойкость контактирующих трущихся поверхностей.

Это обусловлено тем, что в состав композиции, формирующей антифрикционное покрытие, входит природный серпентин, имеющий таблетчатую структуру, которая не обеспечивает в процессе модификации трущихся поверхностей достаточно низкий коэффициент трения. Как следствие, снижается износостойкость и долговечность антифрикционного покрытия.

Кроме того, в способе-прототипе в состав композиции входит магнезиоферрит MgFe₂O₄, который в природе в чистом виде не существует и встречается, как правило, в кристаллах в сростках с магнетитом в соотношении масс 1:1; при этом остаточная индукция магнетита превышает 1-10^-3 Тл, что приводит к неравномерному распределению магнитомягкой составляющей минеральной композиции и соответственно обусловливает неравномерность антифрикционного покрытия.

Кроме того, следует указать, что сульфат молибдена MoS₂ совершенно не участвует в процессе образования антифрикционного покрытия; являясь избыточным и ненужным ингредиентом модифицирующей композиции, МоS₂ ухудшает регулярность кристаллической структуры покрытия; вследствие этого способ-прототип может быть реализован только при наличии масляной смазки трущихся поверхностей кинематических пар, которая компенсирует поверхностные дефекты кристаллической структуры антифрикционного покрытия. Наличие в композиции Н₂O (до 5 мас.%) существенно ухудшает качество покрытия, так как вода разрыхляет металлокерамический слой, а также обусловливает возникновение большого количества дефектных молекул функциональных групп на концах олигомеров.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения качества получаемого антифрикционного покрытия, а именно снижения коэффициента трения (до значений не выше 0,003); увеличения прочности и износоустойчивости; обеспечения возможности реализации способа как при наличии масляной смазки, так и при отсутствии любых видов смазки.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе формирования антифрикционного покрытия кинематических пар трущихся поверхностей, который заключается в том, что между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащую серпентин Mg ₃Si₂O₅(OH)₄, в качестве серпентина используют его полиморфную модификацию - хризотил, имеющий моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<а<5,3А°, 9,0<b<9,2A°, 7,0<с<7,3А°, углами В между положительными направлениями кристаллографических осей 90 или 93°, при этом в композицию дополнительно введены форстерит (Mg₂ SiO₄), гётит (FeO·OH) и гематит (Fе₂ О₃) при следующем содержании компонентов, мас.%:

Mg₃Si₂O₅(OH)₄ 88-92

Mg₂SiO₄ 4-6

FeO·ОН 2-4

Fе₂О₃ 0,5-2,0

Использование полиморфной модификации серпентина - хризотила, имеющего моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<а<5,3А°, 9,0<b<9,2А°, 7,0<с<7,3А°, углами β между положительными направлениями кристаллографических осей 90 или 93°, обеспечивает при наличии масляной смазки создание высокорегулярной матрицы для отверждения многофункциональных олигомеров в виде объемной сетчатой структуры, удерживающей рабочий объем смазки; этому способствует то обстоятельство, что хризолит содержит протяженные десятислойные плоскости с гексагональной сингонией, благодаря чему сначала создается когезионное покрытие, которое затем переходит в металлокерамическое.

При отсутствии масляной смазки возникает металлокерамическое покрытие трущихся поверхностей кинематических пар с весьма чистой поверхностью и с компенсированными поверхностными зарядами, что также обеспечивает весьма низкий коэффициент трения и высокое качество покрытия.

Введение в композицию гетита и гематита обеспечивает на начальной стадии модификации поверхностей восстановление железа ионами магния, содержащегося в хризотиле; восстановленные ионы железа встраиваются затем в кристаллическую решетку покрытия, вследствие чего устраняются поверхностные кристаллические дефекты и соответственно улучшается качество поверхности; на второй стадии, когда за счет когезии (аутогезии) формируется металлокерамический слой, гетит и гематит обеспечивают обмен молекулами конституированной воды между гидроксилами железа и магния; на третьей, последней стадии создается объемная каркасно-сотовая структура на матрице из реакционноспособных олигомеров; эта структура из отвержденных олигомеров с псевдогексагональной сингонией в ньюменовских проекциях (см. М. Фримантл. Химия в действии, часть 2, М., 1991, с.340-341) характеризуется свободно вращающимися вокруг сигма-связей метальными группами; эти группы в силу своей олеофильности удерживают микрообъемы вращающихся частиц масла, создавая эффект высокоточного микроподшипника. Так как процесс отверждения олигомеров экзотермичен, то в соответствии с принципом Ле Шателье при достижении баланса температур трущихся поверхностей и реакционной температуры среды процесс отверждения олигомеров прекращается, и при незначительном гистерезисе геометрические и физические характеристики динамически выдерживаются в заданных пределах.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличий на достигаемый результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии заявленного изобретения критерию “изобретательский уровень”.

Способ реализуют следующим образом.

Пример 1

Размельченную минеральную композицию весом 10 г, содержащую, мас.%:

Mg₃Si₂O₅(OH) ₄ 88

Mg₂SiO₄ 6

FeO·ОН 4

Fe₂O₃ 2

подавали на стандартные пары трения при контактной нагрузке 20 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составила 150 об/мин в течение 5 часов.

Были приняты меры рекупирующей подачи осыпающихся частиц композиции в область пятна трения образца и контртела.

Прирост массы 7,57·10^-3 г свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,017 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием, 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 73 раза.

Пример 2. Размельченную минеральную композицию, содержащую, мас.%:

Mg₃Si₂O₅(OH)₄ 88

Mg₂SiO₄ 6

FeO·ОН 4

Fе₂О₃ 2

внесли в моторное масло с вязкостью по SAF 10W40. Полученную суспензию ввели между образцом и контртелом машины 2070 СМТ-1 для проверки коэффициента трения и износостойкости. В процессе проверки использовались стандартные пары трения из стали твердостью HRC 60-64 по ГОСТ 2789-73.

Полусекундная девиация контактной нагрузки составляла 20-200 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составляла 200 об/мин в течение 5 ч.

Прирост массы 5,17·10 ^-3 свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,003 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием и 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 115 раз.

Пример 3

Размельченную минеральную композицию весом 10 г, содержащую, мас.%:

Mg ₃Si₂O₅(OH)₄ 91

Mg₂SiO₄ 5

FeO·ОН 3

Fе₂О₃ 1,0

подавали на стандартные пары трения при контактной нагрузке 20 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составила 150 об/мин в течение 5 часов.

Были приняты меры рекупирующей подачи осыпающихся частиц композиции в область пятна трения образца и контртела.

Прирост массы 7,63·10^-3 г свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,017 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием, 0,07 - для контрольного образца без покрытия.

Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 73 раза.

Пример 4

Размельченную минеральную композицию, содержащую, мас.%:

Mg₃Si₂O₅(OH) ₄ 91

Mg₂SiO₄ 5

FeO·ОН 3

Fe₂O₃ 1,0

внесли в моторное масло с вязкостью по SAF 10W40. Полученную суспензию ввели между образцом и контртелом машины 2070 СМТ-1 для проверки коэффициента трения и износостойкости. В процессе проверки использовались стандартные пары трения из стали твердостью HRC 60-64 по ГОСТ 2789-73.

Полусекундная девиация контактной нагрузки составляла 20-200 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составляла 200 об/мин в течение 5 ч.

Прирост массы 5,23·10 ^-3 свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,003 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием и 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 115 раз.

Пример 5

Размельченную минеральную композицию весом 10 г, содержащую, мас.%:

Mg ₃Si₂O₅(OH)₄ 92

Mg₂SiO₄ 4

FeO·ОН 3

Fе₂О₃ 1,0

подавали на стандартные пары трения при контактной нагрузке 20 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составила 150 об/мин в течение 5 часов.

Были приняты меры рекупирующей подачи осыпающихся частиц композиции в область пятна трения образца и контртела.

Прирост массы 7,7·10^-3 г свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,017 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием, 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 73 раза.

Пример 6

Размельченную минеральную композицию, содержащую, мас.%:

Mg₃Si₂O₅(OH)₄ 92

Mg₂SiO₄ 4

FeO·ОН 3

Fе₂О₃ 1,0

внесли в моторное масло с вязкостью по SAF 10W40. Полученную суспензию ввели между образцом и контртелом машины 2070 СМТ-1 для проверки коэффициента трения и износостойкости.

В процессе проверки использовались стандартные пары трения из стали твердостью HRC 60-64 по ГОСТ 2789-73.

Полусекундная девиация контактной нагрузки составляла 20-200 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составляла 200 об/мин в течение 5 ч.

Прирост массы 5,23·10 ^-3 свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,003 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием и 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 115 раз.

Благодаря реализации заявленного способа создается эффект “безызносного трения”, при этом срок безаварийной эксплуатации машин и механизмов становится сравнимым со временем наступления усталостных разрушений.

Для реализации способа использованы распространенные породообразующие минералы и стандартное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию “промышленная применимость”.

Формула изобретения

Способ формирования антифрикционного покрытия кинематических пар трущихся поверхностей, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащую серпентин Mg ₃Si₂O₅(ОН)₄, отличающийся тем, что в качестве серпентина используют его полиморфную модификацию - хризотил, имеющий моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<а<5,3А°, 9,0<b<9,2A°, 7,0<с<7,3А°, углами β между положительными направлениями кристаллографических осей 90° или 93°, при этом в композицию дополнительно введены форстерит (Mg₂SiO₄), гётит (FeO·OH) и гематит (Fе₂О₃) при следующем содержании компонентов, мас.%:

Mg₃Si₂O₅(ОН) ₄ 88-92

Mg₂SiO₄ 4-6

FeO·OH 3-4

Fе₂O₃ 1-2