Состав твердосмазочного антифрикционного покрытия
Владельцы патента RU 2473711:
Федеральное государственное унитарное предприятие Особое конструкторско-технологическое бюро "ОРИОН" (RU)
Использование: в машиностроении для нанесения на детали узлов трения. Сущность: состав включает дисульфид молибдена, коллоидный графит и наночастицы алмаза с размерностью 4-6 нм в виде порошка качестве наполнителя и связующее, представляющее собой смесь оксида магния с водным раствором азотной и фосфорной кислот. Технический результат - повышение износостойкости покрытия при снижении коэффициента трения при повышенных температурах. 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к твердосмазочным антифрикционным покрытиям на основе неорганического связующего, которое может быть использовано в машиностроении для нанесения на детали узлов трения, работающих в воздушной среде, в условиях высоких нагрузок и температур.
Известно антифрикционное композиционное покрытие, содержащее следующие компоненты, мас.ч.: дисульфид молибдена 25-58, графит 25-58, нитрид бора 7-16, связующие 30-70, покрытие наносится на металлическую поверхность (см. патент US 5482637, кл. F02B 77/02, 09.01.1996).
Данное антифрикционное покрытие используется в узлах механизмов машин, эксплуатирующихся в режимах сухого трения при нагрузках до 10 кг/см2.
Недостатком является низкая износостойкость и низкие предельные удельные нагрузки, при высоких температурах подвергается деструкции.
Известно антифрикционное покрытие для защиты тяжелонагруженых пар трения металл-металл от износа в интервале температур - 60-250°С при следующем соотношении компонентов, мас.%: дисульфид молибдена 55-70, графит 7-20, бета-карбид кремния с соотношением 1/d=30-300, 0,15-1,1, эпоксифенольный лак - остальное (см. заявка на изобретение №92013655/04, 15.12.1992).
Недостатком является низкая износостойкость и высокий коэффициент трения.
Наиболее близким по назначению и технической сущности, принятым за прототип, является антифрикционное твердосмазочное покрытие, содержащее, мас.%: дисульфид молибдена 35-45, коллоидный графит 8-15, квазикристалл системы Al-Cu-Fe, допированный бором 5-10,эпоксидный лак остальное (патент РФ №2412276).
Покрытие предназначено для защиты тяжелонагруженных пар трения металл-металл от износа в интервале температур (-60)-(+250)°С.
Недостатком этого покрытия является низкая износостойкость, высокий коэффициент трения.
Перед авторами стояла задача получения антифрикционного покрытия на металлах, обладающего низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью при работе в температурном диапазоне от 20 до 300°С.
Эта задача решена тем, что предложен состав антифрикционного покрытия, содержащий дисульфид молибдена, коллоидный графит, наночастицы алмаза, связующее состоит из оксида магния, азотной кислоты, фосфорной кислоты при следующем соотношении компонентов, г/л:
| дисульфид молибдена | 30-60 |
| коллоидный графит | 5-10 |
| наночастицы алмаза | 5-15 |
| оксид магния | 11-15 |
| азотная кислота | 30-80 |
| фосфорная кислота | 100-150 |
| дистиллированная вода | до 1 литра |
Наночастицы алмаза представляют собой ультрадисперсный порошок синтезированных детонационных наноалмазов с размером частиц от 4 до 6 нм. Введение наноалмазов способствует существенно повысить износостойкость, снижению коэффициента трения при повышении температуры и удельных нагрузок.
Пример получения покрытия.
Технология получения антифрикционного покрытия заключается в следующем:
- подготовка поверхности изделия под покрытие;
- подготовка связующего;
- изготовление суспензии;
- нанесение суспензии на изделие;
- температурная обработка.
Подготовка поверхности металлического изделия (сталь ШХ 15) под покрытие заключается в обезжиривании поверхности металла венской известью, дальнейшей промывке в проточной воде и сушке на воздухе до полного высыхания.
Связующее готовится следующим образом: азотная кислота и фосфорная кислота смешиваются с 500 мл воды при температуре 21-23°С, затем добавляется в раствор оксид магния и перемешивается до полного растворения раствора. Водный раствор наполнителей следующим образом: в 500 мл воды добавляют порошок дисульфида молибдена, порошок коллоидного графита и ультрадисперсный порошок синтезированных детонационных наноалмазов в необходимых количествах. Далее раствор тщательно перемешивается при помощи лопастной мешалки со скоростью вращения 150 об/мин до получения однородной массы.
Затем полученный водный раствор с наполнителями вводится в связующее.
Наносить покрытие можно при помощи кисти.
Термическая обработка покрытия проводится в термошкафу при температуре 300°С в течение 120 минут.
Для подтверждения эффективности предлагаемого состава были подготовлены четыре состава антифрикционного покрытия (см. таблицу).
Испытание на трибологические свойства производились на возвратно-поступательной машине трения, скорость перемещения V=0,132 м/с, Р=80 МПа, при температуре +20, +250, +300°С. Наносилось антифрикционное покрытие на образцы из стали ШХ15, в качестве контртела использовались образцы из стали ШХ15. Линейный износ определялся по базовым точкам на оптиметре с ценой деления 1 мкм.
В ФГУП ОКТБ «ОРИОН» проведены испытания трех подшипников ШСП-20 с покрытием сфер внутренних колец. Внутренние кольца подшипников с отверстиями для подвода смазки. Материал колец ШХ15.
Режим испытания подшипников
Fr=8700 кгс;
Амплитуда качаний +60°С;
Частота качаний 60 качаний в мин;
Расчетная долговечность 5000 нагружений.
Наработка подшипников составила для всех трех подшипников 120% расчетной долговечности.
| Таблица 1 | |||||
| Состав раствора (г/л) и физико-механические свойства | Заявленный раствор | Прототип мас.% | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| дисульфид молибдена | 30 | 40 | 50 | 60 | 35 |
| коллоидный графит | 5 | 7 | 8 | 10 | 10 |
| квазикристалл системы Al-Cu-Fe, допированный бором | - | - | - | - | 10 |
| Эпоксидный лак | - | - | - | - | остальное |
| наночастицы алмаза | 5 | 7 | 12 | 15 | - |
| оксид магния | 11 | 11 | 13 | 15 | - |
| азотная кислота | 30 | 40 | 60 | 80 | - |
| фосфорная кислота | 100 | 120 | 150 | 150 | - |
| дистиллированная вода | 1 литр | 1 литр | 1 литр | 1 литр | - |
| Коэффициент трения при температуре: | |||||
| 20°С | 0,11 | 0,11 | 0,10 | 0,12 | 0,13 |
| 250°С | 0,10 | 0,09 | 0,09 | 0,10 | 0,13 |
| 300°С | 0,10 | 0,09 | 0,10 | 0,10 | 0,12 |
| Скорость изнашивания, мкм/ч | |||||
| 20°С | 0,14 | 0,15 | 0,14 | 0,16 | 0,18 |
| 250°С | 2,0 | 2,1 | 2,2 | 2,0 | 2,9 |
| 300°С | 2,2 | 2,0 | 2,5 | 2,0 | 3,7 |
На основании результатов, приведенных в таблице, подтверждается, что введение наночастиц алмаза улучшает трибологические свойства антифрикционного покрытия, а введение наночастиц алмаза в состав антифрикционного покрытия позволяет получить покрытие, которое обладает сниженным коэффициентом трения на 15-30% и повышенной износостойкостью, причем применение связующего на основе неорганических соединений дополнительно обеспечивает повышенную износостойкость. Разработанный раствор испытан на опытном предприятии ФГУП ОКТБ «ОРИОН» и полученные покрытия имеют высокие физико-механические показатели.
На основании вышеизложенного, а также с учетом проведенного патентно-информационного поиска считаем, что разработанный нами «Состав антифрикционного покрытия» отвечает требованиям для признания его изобретением: новизна, изобретательский уровень, промышленная применимость и может быть защищен патентом Российской Федерации.
Состав антифрикционного твердосмазочного покрытия, включающий дисульфид молибдена, коллоидный графит и связующее, отличающийся тем, что он содержит дополнительно наночастицы алмаза в виде порошка с размерностью частиц 4-6 нм, а в качестве связующего взят водный раствор азотной кислоты, фосфорной кислоты и оксида магния и все компоненты взяты в следующем соотношении г/л:
| дисульфид молибдена | 30-60 |
| коллоидный графит | 5-10 |
| наночастицы алмаза | 5-15 |
| оксид магния | 11-15 |
| азотная кислота | 30-80 |
| фосфорная кислота | 100-150 |
| дистиллированная вода | до 1 л |
