способ формирования покрытия на трущихся поверхностях

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЯХ, включающий механоактивацию мелкодисперсной смеси минералов со связующим, размещение полученного состава между трущимися поверхностями и последующую его приработку, отличающийся тем, что для обеспечения диффузионного проникновения получаемого покрытия в поверхность трущихся деталей смесь минералов используют с дисперсностью 0,01 - 1,0 мкм, механоактивацию состава из смеси минералов и связующего осуществляют апериодическими колебаниями, при этом размещенный между трущимися поверхностями состав содержит, мас.%:

Смесь минералов - 3,3

Связующее - 96,7

ингредиентное содержание упомянутого состава используют следующее, мас. %:

SiO - 30 - 40

MgO - 20 - 35

Fe₂O₃ - 10 - 15

FeO - 4 - 6

Al₂O₃ - 3 - 8

S - 2 - 6

Сопутствующие примеси - 5 - 30

причем приработку проводят при давлении не менее 10 МПа и температуре в микрообъемах не менее 300^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для создания покрытия на трущихся поверхностях и способу его нанесения и может быть использовано для формирования прочного износостойкого пленочного покрытия на местах контактов трущихся поверхностей во вращающихся скользящих и качающихся механизмах, применяемых в машиностроительной, металлообрабатывающей, станкостроительной, авиационной промышленности и других.

Известно, что долговечность механизмов зависит от скорости износа трущихся поверхностей, которая связана с коэффициентом трения контактирующих материалов и их прочностью. Для снижения коэффициента трения, например, стали по стали помимо тщательной полировки поверхностей используются различные смазывающие материалы как в чистом виде (масла, солидол и тому подобные), так и с добавками (присадки) дополнительно повышающими скольжение трущихся поверхностей.

Известен способ повышения механической прочности трущихся поверхностей за счет введения в состав основного металлического сплава легирующих элементов (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti и других). Однако этот способ помимо значительных энергических затрат связан с определенными технологическими трудностями из-за необходимости тщательной полировки твердых трущихся поверхностей.

Известны состав для формирования пленки на трущихся поверхностях и способ формирования этой пленки (авт. св. СССР N 1601426). Указанный состав представляет собой смесь, мас.

Природный истертый кварц 0,1-5,0

Органическое связующее Остальное

Способ формирования указанной пленки на трущихся поверхностях заключается в том, что между трущимися поверхностями вводят смесь природного кварца с органическим связующим.

Предварительно смесь подвергают механоактивации на виброустройстве, затем вводят в зону трения на контактирующие между собой поверхности и проводят приработку при режиме р=3 МПа, v 0,1 м-с.

Указанные пленки способствуют уменьшению коэффициента трения, однако характеризуются недолговечностью из-за хрупкости.

Задача изобретения путем подбора компонентов состава покрытия разработать покрытие металлов, позволяющее уменьшить коэффициент трения трущихся поверхностей, повысить их износостойкость и антикоррозионную устойчивость, а также разработать способ нанесения этого покрытия на поверхность металла.

Задача решается тем, что антифрикционное износостойкое и антикоррозионное покрытие металлов, включающее природный минерал, согласно изобретению состоит из мелкодисперсной смеси минералов серпентина, энстатита и магнетита или их сочетания по меньшей мере с одним минералом, выбранным из амфибола, биотита, ильменита, петландита, пирротина, талька, халькопирита или самородной серы, взятых в массовом соотношении, обеспечивающем следующий состав, мас. SiO₂ 30-40 MgO 20-35 Fe₂O₃ 10-15 FeO 4-6 Al₂O₃ 3-8 Сера 2-6

Сопутствующие примеси,

содержащие Ti, V, Mn, Ni, Сr, Cu, Co, K, Ca до 100

С целью повышения механических свойств и обеспечения равномерности распределения покрытия по поверхности металлов предлагаемое покрытие предпочтительно состоит из смеси минералов с дисперсностью частиц от 0,01 до 1 мкм.

С целью образования равномерного покрытия целесообразно, чтобы оно дополнительно содержало вязкий носитель при следующем составе исходных компонентов, мас.

Мелкодисперсная смесь минералов 3-30 Связующее 97-70

В качестве связующего покрытие предпочтительно содержит солидол или смазочное масло.

Покрытие наносят на поверхность металла под нагрузкой не менее 10 МПа.

Покрытие, состоящее из многокомпонентной мелкодисперсной минеральной смеси, включает окислы химических элементов, имеющих разнообразную конфигурацию и размеры электронного облака, которые избирательно и в соответствии со средством к электрону встраиваются (внедряются) в образовавшиеся дефекты поверхности металлов, связывая все или большинство свободных валентностей и соединяясь друг с другом, образуют прочно сцепленную с подложкой (металлической поверхностью) пленку с чрезвычайно скользкой поверхностью. Наличие в порошке элементов с ярко выраженными аморфными и легирующими свойствами создает не только прочную "керамическую" структуру пленки, но и усиливает механическую прочность подложки. Отсутствие на поверхности пленки свободных валентностей делает ее инертной к агрессивным средам и окислителям, обеспечивая ее антикоррозионную устойчивость. Таким образом, покрытие позволяет увеличить механическую прочность поверхности металла, снизить коэффициент трения, восстановить дефекты поверхности и повысить антикоррозионную устойчивость.

Покрытие образует на поверхности металла легирующий слой, что позволяет полностью отказаться от смазки трущихся пар механизмов и осуществлять механическую нагрузку при вращении, скольжении, качении без смазки длительное время в несколько раз превышающее время при использовании стандартной смазки.

Покрытие представляет собой многокомпонентную мелкодисперсную минеральную смесь, полученную из сочетания различных минералов, основными из которых являются серпентин, энстатит и магнетит. Смесь этих минералов может также включать по меньшей мере один минерал, выбранный из группы минералов: амфибола, биотита, ильменита, петландита, пирротина, талька, халькопирита или самородной серы.

Используемые природные минералы представляют собой амфиболы ленточные силикаты общей формулы (A,B)_7-8[Z₄O₁₁]₂(OH,F)₂ где А=К, Са, Na B=Al, Fe³⁺, Fe²⁺, Mg; Z= Si, Al; биотит минерал из группы слюд общей формулы K(Mg, Fe)₃[Al, Si₃O₁₀](OH,F)₂, ильменит титанистый железняк общей формулы FeTiO₃ и примесями Mg, Mn и другие, магнетит магнитный железняк (FeOFe₂O₃), петлантид (Fe, Ni) пирротин магнитный колчедан FeS, серпентин слоистый силикат общей формулы Mg₃Si₂O₅(OH)₄, тальк слоистый силикат общей формулы Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂, халькопирит медный колчедан CuFeS с примесями Se, Zn, Te, Ag, Au и другие энстатит (ортопироксен) общей формулы MgSiO₃ и самородная сера.

Для получения заявляемого покрытия подбирают различные сочетания указанных минералов, позволяющие обеспечить следующий состав, мас. SiO₂ 30-40; MgO 20-35; Fe₂O₃ 10-15; FeO 4-6; Al₂O₃ 3-8; cера 2-6; сопутствующие примеси, содержащие Ti, V, Mn, Ni, Cr, Сu, Co, K, Ca до 1% Указанный состав подобран таким образом, чтобы обеспечить высокие физико-механические показатели покрытия, а именно снижение коэффициента трения, увеличение механической прочности трущихся поверхностей металлов, антикоррозионная устойчивость.

При подборе состава ниже указанных пределов входящих компонентов не образуется непрерывная и равномерная по толщине пленка покрытия.

Образующаяся пленка оказывается недолговечной при эксплуатации. Кроме того, необходимы существенные энергетические затраты, так как время образования пленки занимает от 5 до 7 сут.

При подборе состава входящих компонентов в количествах выше указанных пределов для образования сплошной пленки достаточно от 30 до 120 мин времени. Однако снижается ее прочность из-за хрупкости и расслоения. К тому же возникают трудности для подведения смеси к контактирующим поверхностям в результате сильной коалесценции отдельных элементов.

Предлагаемое покрытие применяется в виде суспензии сухой смеси в вязком носителе, в качестве которого может быть использовано любое смазочное масло (моторное, индустриальное и другие), например нефтяные масла (жидкие смеси высококипящих углеводородов, t_кип 300-600^оС), синтетические масла (кремнийорганические жидкости, эфиры фосфорной, адипиновой и других кислот, полиалкиленгликоли и другие) или солидолы. Вязкий носитель служит средством для транспортировки смеси на трущиеся поверхности в закрытые системы.

Оптимальная концентрация мелкодисперсной смеси минералов в связующем 3-30 мас.

Способ нанесения покрытия заключается в нанесении на трущиеся поверхности металлов смеси в сухом виде или в виде суспензии под нагрузкой не менее 10 МПа. при этом время приработки механизма со смесью (т.е. время, за которое образуется легирующее покрытие) составляет от 30 мин до 8 час в зависимости от изношенности поверхности трущихся частей механизмов. За это время образуется покрытие (легирующий слой) от 0,001 до 30 мкм толщиной, которое обеспечивает износостойкость трущихся поверхностей механизмов и исключает необходимость применения смазочных материалов.

П р и м е р 1. Покрытие из мелкодисперсной смеси (размер частиц 0,01-1,0 мкм), мас. серпентин 30; энстатит 40; магнетит 10; тальк 10; ильментит 4; амфибол 2; самородная сера 2; биотит и петлантид по 1 имеет следующий состав, мас. SiO₂ 40; MgO 25,0; FeO 10,0; Fe₂O₃ 4,0; Al₂O₃ 8,0; сера 3,0, остальные примеси до 100,0. Указанный состав был использован для обработки трущихся поверхностей роликов подшипников 7311К и 15ГП3.

Подшипники закреплялись за внутреннюю обойму на сверлильном станке, имевшем неизменные обороты шпинделя 315 об/мин, и погружались в стакан с указанной смесью. Наружные обоймы подшипников поджимались к внутренней с усилием 10 МПа. Подшипники вращались 15 мин в одну сторону и дополнительно 15 мин в другую. После обработки этих подшипников на трущихся поверхностях образовался легирующий слой покрытия.

Были проведены испытания этих подшипников на токарном станке в сравнении с необработанными покрытием подшипниками.

На токарном станке закрепили подшипник (7311К), не обработанный покрытием, нанеся на его рабочую поверхность тонкий слой веретенного масла, и стали обкатывать его при оборотах шпинделя станка в 315 об/мин, вращая наружную обойму (режим зажатого подшипника) и стопорив внутреннюю. Через 5 мин работы станка внутренняя обойма начала медленно проворачиваться. Через 13 мин к подшипнику нельзя было притронуться из-за его нагрева. На 20-й мин переключили режим на 800 об/мин. Через 3 мин подшипник стал издавать звук, а через 4 мин звук стал монотонным. Станок был отключен. Обкатка подшипника закончена. Подшипник сильно перегрет. На роликах и обоймах заметны следы задиров.

Обкатку обработанных покрытием подшипников проводили в том же режиме: сначала при 315 об/мин шпинделя, а затем при 800 об/мин. В результате работы обойма подшипника чуть теплая и никакого звука не отмечалось в течение всего времени обкатки (30 мин). Увеличили обороты шпинделя станка до 1200 об/мин, но и в этом случае температура подшипника была в норме. После остановки станка была осмотрена поверхность трущихся частей: ни на обойме, ни на роликах изменений не отмечено. Затем были обмазаны внутренняя поверхность обоймы и ролики дорожной грязью и возобновлена обкатка подшипника при 315 об/мин. После 15 мин обкатки обойма подшипника была чуть теплая. При оборотах шпинделя 800 об/мин через 5 мин ситуация не изменилась. Осмотр трущихся поверхностей показал, что они остались чистыми, без задиров, темных пятен и прочих следов износа. Аналогичные результаты получены и при испытаниях покрытия на подшипниках 15ГПЗ.

П р и м е р 2. Покрытие из мелкодисперсной смеси (0,01-1 мкм) минералов, мас. серпентин 30,0; тальк 25,0; энстатит 20,0; магнетит 11,0; биотит 6,0; амфибол 4,0; пирротин 3,0; сера самородная 1,0, имеет следующий состав, мас. SiO₂ 30,0; MgO 30,0; FeO 6,0; Fe₂O₃ 15,0; Al₂O₃ 6,0; TiO₂ 2,0; примеси остальное. Указанный состав использован в виде суспензии в смазочном (моторном) масле типа ЦИАТИМ в подшипниках качения насосов типа НЦВ и ЭСН, работающих в санитарных системах морских судов. Мелкодисперсную смесь ресуспендируют в разогретом смазочном масле в количестве 20 мас. Полученную взвесь наносят один раз на трущиеся части подшипников в объеме 25 мас. от обычной смазки в четырех насосах типа НЦВ и двух типах ЭСН и более не добавляют за все время испытаний в течение 4 мес. Случаев отказа и выхода из строя насосов не отмечено. Температурный режим в зоне подшипников не превышает нормы, шумов и вибрации не наблюдается. Параллельно испытание проводили на насосах, на которых не применялся предлагаемый состав, в результате приходилось заменять подшипники из-за их износа.

П р и м е р 3. Покрытие из мелкодисперсной смеси (0,01-1,0 мкм) минералов, мас. серпентин 70,0; энстатит 200; магнетит 10,0, имеет следующий состав, мас. SiO₂ 35,0; MgO 20,0; FeO 5,0; Fe₂O₃ 15,0; Al₂O₃ 3,0; сера 6,0; примеси остальное. Указанный состав использован в виде 3%-ной суспензии в смазочном масле нигрол.

Покрытие было испытано на локомотивах серии ВЛ-23 в зубчатых передачах тяговых электродвигателей НБ-406.

В первой тележке электровоза была заменена стандартная смазка (нигрол) зубчатых передач тягловых двигателей на предлагаемое покрытие, вторая продолжает работать с использованием нигрола. После 8 ч обкатки электровоза нанесено покрытие, остатки взвеси из зубчатых передач первой тележки были удалены и машина была отдана в эксплуатацию без каких-либо ограничений. При техническом осмотре локомотива во второй тележке производилась дозаправка по 1,5 кг нигрола вы каждый кожух зубчатой передачи, первая тележка эксплуатировалась без последующего использования смазок. Электровоз использовался на вывозной работе: средний вес поездов 2500-3200 тс, максимальный вес поезда 4500 тс, количество вагонов 56-60. Профиль участка равнинный.

Через 3 мес эксплуатации был произведен визуальный осмотр зубчатых передач и произведены замеры. Состояние зубчатых передач экспериментальной первой тележки явно улучшилось: на поверхности зубьев образовался сверхпрочный слой покрытия. Предпринимались попытки нанести царапины резцом с наплавкой из твердого сплава. На зубчатых передачах второй тележки царапины оставались, на первой тележке нанести царапины не удавалось.

П р и м е р 4. Покрытие, аналогичное описанному в примере 3, за исключением того, что в качестве вязкого носителя оно содержит смазочное масло ТАД-17И. Испытания покрытия проведены на среднем и заднем мостах автомобиля Татра-815 С-1. Через 6 ч обкатки образовалось покрытие, остатки взвеси были удалены и в дальнейшем автомобиль эксплуатировался при полном отстутствии каких-либо смазок в испытуемых узлах (на сухую). Наработал 17561 км пробега без замечаний и поломок. Автомобиль продолжает успешно эксплуатироваться.