Способ формирования высокопрочных антифрикционных покрытий на металлических поверхностях

Изобретение относится к области создания высокопрочных антифрикционных покрытий, преимущественно для пары трения гребень колеса-рельс и может быть использовано в различных узлах трения и в аэрокосмической технике. Способ включает электроискровое легирование поверхности с помощью электродов из ВК-6 или ВК-8, или стали 65Г, или бронзы с нанесением слоя толщиной 0,5-2,0 мм. После электроискрового легирования наносят фосфатирующий состав и прогревают поверхность струей пламени с температурой 650-750°C в течение 60-120 секун. Затем контактным методом наносят слой препрега толщиной 0,5-3,0 мм, представляющего собой ленту из углеродных волокон с параллельной укладкой, пропитанную 18-30% связующим, состоящим из смоляной части, представляющей собой смесь эпоксидированного ароматического амина (А) и эпоксидированного феноло-формальдегидного новолака (Б) в соотношении А:Б от 95:5 до 60:40 и отвердителя - ароматического амина или смеси ароматических аминов в количестве от 25 до 70 мас.ч. на 100 мас.ч. смоляной части. Затем слой препрега нагревают газовой струей пламени из газопламенной горелки в течение 80-180 секунд при температуре струи 650-750°C. Обеспечивается нанесение антифрикционного покрытия, обладающего высокой теплостойкостью и повышенным коксообразованием при воздействии нагрева 800-1000°C, которое позволяет скреплять термостойкие углеродные волокна. 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области создания высокопрочных антифрикционных покрытий, преимущественно для пары трения гребень колеса-рельс, обеспечивающую их защиту от износа в условиях воздействия больших нагрузок, и может быть использовано в различных узлах трения и в аэрокосмической технике для защиты поверхностей аппаратов от высокоэнтальпийных потоков.

Ближайшим прототипом заявляемого решения является способ формирования антифрикционных покрытий, включающий нанесение первого слоя покрытия из высокопрочных материалов электроискровым методом (см. RU 2.210.626 C1, от 2002.01.31). Недостатком известного способа является применение ультразвука при воздействии на первый слой, что при нанесении покрытия на рельс крайне затруднительно, а также применение в качестве второго слоя пластичной жидкопорошковой смазки, недолговечность которой очевидна.

Задачей заявляемого решения является способ, обеспечивающий нанесение антифрикционного покрытия, в котором как первый, так и второй слой обладают прочностными свойствами на уровне сталей, причем второй из них, внешний, наряду с высокой прочностью, обладает антифрикционными свойствами, характерными для углеродных (графитовых) волокон, высокой прочностью сцепления с первым слоем, высокой теплостойкостью и повышенным коксообразованием при воздействии перегрева (800÷1000°C), которое позволяет скреплять термостойкие (выше 3000°C) углеродные волокна.

Технический результат достигается тем, что в процесс электроискрового легирования поверхности проводят с использованием электродов из ВК-6 или ВК-8, или стали 65Г, или бронзы с нанесением слоя толщиной 0,5-2,0 мм, после электроискрового легирования наносят фосфатирующий состав и прогревают поверхность струей пламени с температурой 650-750°C в течение 60-120 секунд, а затем контактным методом наносят слой препрега толщиной 0,5-3,0 мм, представляющего собой ленту из углеродных волокон с параллельной укладкой, пропитанную 18-30% связующим, состоящим из смоляной части, представляющей собой смесь эпоксидированного ароматического амина (А) и эпоксидированного феноло-формальдегидного новолака (Б) в соотношении А:Б от 95:5 до 60:40, и отвердителя - ароматического амина или смеси ароматических аминов в количестве от 25 до 70 мас.ч. на 100 мас.ч смоляной части, затем слой препрега нагревают струей пламени из газопламенной горелки в течение 80-180 секунд при температуре струи 650-750°C.

Пример 1

Получение препрега

В ванну пропиточной машины заливают ацетоновый раствор связующего, состоящего из эпоксидированного анилина (смола ЭА, ТУ 2225-546-00203521-98), содержащего 35% эпоксидных групп, эпоксидированного новолака (смола ЭН-6, ТУ 6-05-241-489-86), содержащего 19% эпоксидных групп в соотношении 80:20 и отвердитель 3,3'дихлор-4,4' диаминодифенил-метан (ТУ 6-14-980-84) в стехиометрическом количестве, т.е. 50 мас.ч на 100 мас.ч смоляной части. Вязкость связующего доводят до 12 сек по ВЗ-4. За счет выбранной скорости протяжки и режима сушки осуществляют нанесение связующего в количестве до 20% от веса углеродного волокна. Пропитка ленты из однонаправленных углеродных волокон толщиной 5 микрон осуществляется обычным путем, сушка ленты проводится до минимальной липкости, обеспечивающей прилипание к металлу и легкий отрыв от прокладываемой упаковочной полиэтиленовой пленки. Полученный ленточный препрег хранится при Т=20±5°C в течение 3 месяцев в складских условиях.

Нанесение покрытия

Нанесение покрытия на защищаемую металлическую поверхность из стали М76 производится электроискровым методом - с помощью электрода из стали 65Г наносится слой толщиной 1,0 мм, обладающий определенной шероховатостью поверхности. На слой электроискрового покрытия наносится фосфатирующий состав, состоящий из смеси 40% ортофосфорной кислоты и хлористого цинка в соотношении 1:1 из расчета 200 г/м², затем поверхность прогревается в течение 30 секунд струей пламени из газопламенной установки типа УПН-УЛ, после чего наносится препрег - лента из углеродных волокон. Далее, струей пламени с Т=700°C поверхность препрега прогревается в течение 120 секунд, достигая Т=180°C, при этом препрег отверждается и склеивается с первым слоем.

Примеры 2-5 осуществляются аналогично примеру 1 с изменением параметров в соответствии с таблицей 1.

Свойства покрытия приведены в таблице 2, из которой видны неоспоримые преимущества заявляемого способа.

Таблица 1 Условия выполнения заявленного способа по примерам 2-5
№ п\п	Наименование параметра или материала	Величина параметра или вид материала
2	3	4	5
1	Металл применяемого электрода для искрового легирования	ВК-6	ВК-8	Сталь 65Г	Бронза
2	Вид металлической поверхности, на которую наносят покрытие	М76	М76	Сталь 45	Сталь 45
3	Толщина слоя, нанесенного электроискровым методом, мм	0,5	2	1	1
4	Вид фосфатирующего состава и его количество, г/м2	Смесь 40% ортофосфорной кислоты и хлорида железа 1:4, 100	Смесь 40% ортофосфорной кислоты и окиси цинка 1:1, 200	Смесь 40% ортофосфорной кислоты и окиси цинка 1:1,200	40% ортофосфорная кислота, 150
5	Режим прогрева фосфатирующего состава на поверхности металла, °C/сек	750/60	650/60	700/45	700/45
6	Состав смоляной части препрега	Триглицедпараамино- фенол (УП-610) и эпоксидированный новолак (УП-643), 95:5	Триглицедпараамино- фенол (УП-610) и эпоксидированный новолак (УП-643), 95:5	Тетраглицидиловое производное 3,3' дихлор 4,4' диаминодифенилметан (смола ЭХД) и эпоксидированный новолак ЭН-6 60:40	Тетраглицидиловое производное 3,3' дихлор 4,4' диаминодифенилметан (смола ЭХД) и эпоксидированный новолак ЭН-6 60:40
7	Вид и количество отвердителя на 100 мас.ч. смоляной части, мас.ч.	Бензамин Н (ТУ 2494-444-05763441-2004); 70	Бензамин Н (ТУ 2494-444-05763441-2004); 70	Полиамин (ТУ 2473-342-05763441-2001); 25	Полиамин (ТУ 2473-342-05763441-2001); 25
8	Общее содержание связующего в препреге, %	18	18	30	30
9	Толщина слоя препрега, мм	0,5	1,5	3	1,5
10	Режим воздействия газовой струи °C/сек	750/80	700/120	700/120	650/180

Таблица 2 Свойства покрытия, изготовленного по заявленному способу по примерам 1-5
№ п\п	Наименование параметра	Величина параметра
1	2	3	4	5
1	Предел прочности при сжатии, МПа	580	560	570	590	560
2	Предел прочности при сдвиге, МПа	640	680	680	670	650
3	Предел прочности при сжатии после воздействия 24 ч при 250°C, МПа	320	340	330	310	320
4	Коэффициент трения
5	Износостойкость

Способ формирования высокопрочных антифрикционных покрытий на металлических поверхностях, включающий электроискровое легирование поверхности с помощью электродов из высокопрочных металлов или сплавов, отличающийся тем, что электроискровое легирование проводят с использованием электродов из ВК-6 или ВК-8, или стали 65Г, или бронзы с нанесением слоя толщиной 0,5-2,0 мм, после электроискрового легирования наносят фосфатирующий состав и прогревают поверхность струей пламени температурой 650-750°C в течение 60-120 с, а затем контактным методом наносят слой препрега толщиной 0,5-3,0 мм, представляющего собой ленту из углеродных волокон с параллельной укладкой, пропитанную 18-30% связующим, состоящим из смоляной части, представляющей собой смесь эпоксидированного ароматического амина (А) и эпоксидированного фенолоформальдегидного новолака (Б) в соотношении А:Б от 95:5 до 60:40 и отвердителя - ароматического амина или смеси ароматических аминов в количестве от 25 до 70 мас.ч. на 100 мас.ч. смоляной части, затем слой препрега нагревают газовой струей пламени из газопламенной горелки в течение 80-180 с при температуре струи 650-750°C.