состав для обработки пар трения и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Состав для обработки пар трения, включающий абразивоподобный порошок на основе гидросиликата магния, примеси, ему сопутствующие, порошок с большей абразивностью, чем абразивность гидросиликата магния, и металлосодержащую добавку, отличающийся тем, что в качестве гидросиликата магния он содержит природный или синтезированный серпентенит или смесь синтезированных серпентенитов, металлосодержащей добавки - смесь мелкодисперсных порошков металлов, выбранных из металла основы и металлов, образующих устойчивые системы с материалом основы, взятых из ряда хром, никель, молибден, ниобий, титан и их сплав, или мелкодисперсную смесь указанных порошков металлов, их окислов или галогенидов, а в качестве порошка с большей абразивностью, чем абразивность гидросиликата магния, - мелкодисперсный порошок алмаза или шунгита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанная металлосодержащая добавка - 4,8 - 6,7

Мелкодисперсный порошок алмаза или шунгита - 0,15 - 0,35

Примеси - 1,5 - 2,0

Указанный гидросиликат магния - Остальное

2. Способ изготовления состава для обработки пар трения, включающий диспергирование гидросиликата магния, его сепарацию, подсушивание и магнитное сепарирование, отличающийся тем, что в качестве гидросиликата магния он содержит природный или синтезированный серпентенит или смесь синтезированных серпентенитов, при этом предварительно готовят смесь мелкодисперсных порошков металлов, выбранных из металла основы и металлов, образующих устойчивые системы с материалом основы, взятых из ряда хром, никель, молибден, ниобий, титан и их сплавы, и мелкодисперсного порошка с большей абразивностью, чем абразивность природного гидросиликата магния, в качестве которого используют мелкодисперсный порошок алмаза или шунгита, или мелкодисперсную смесь из указанных порошков металлов, их окислов или галогенидов с мелкодисперсным порошком алмаза или шунгита, а затем полученный продукт смешивают с порошком отсепарированного гидросиликата магния с получением состава по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке поверхностей трения узлов трения путем модификации поверхностей трения, формированию износостойких и защитных слоев и может быть использовано как при обработке новых деталей и узлов трения, так и при ремонтно-восстановительных операциях.

Известно, что трение, возникающее при относительном перемещении контактирующих тел, является причиной изнашивания деталей, составляющих пары трения. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделение материала с поверхности твердого тела и (или) накопление его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Количественной характеристикой изнашивания является износ, оцениваемый, например, по убыли массы детали, уменьшение некоторых геометрических параметров деталей, увеличение зазоров в парах трения и др. за время работы.

Основные трибологические характеристики (интенсивность изнашивания и коэффициент трения k_тр) зависят от физико-химического состояния контактирующих материалов и условий их работы. В настоящее время в машиностроении существуют реальные возможности управления формированием поверхностного слоя. Упрочнение поверхностного слоя деталей, сопровождающееся улучшением параметров шероховатости поверхности, повышением твердости, увеличивает сопротивление усталости и износу, обеспечивает в узлах, например трения, заданный ресурс или даже его увеличение.

Основным методом уменьшения износа схватывания является создание устойчивых прочных защитных пленок вторичных структур вследствие взаимодействия твердых добавок к смазочным маслам. Одним из перспективных направлений является использование в качестве твердых добавок природных минералов или смеси природных минералов из ряда слоистых силикатов.

Известно не менее восьми патентов, в которых с целью модификации поверхностей трения узлов трения в качестве твердой добавки к составу для обработки поверхностей трения используют серпентениты [(1) опис. к пат. N 2001323, от 06.04.92, М.кл. F 16 С 33/14; (2) опис. к пат. РФ N 2057257, от 27.01.94, М.кл. F 16 С 33/14; (3) опис. к пат. РФ N 2035636, от 07.07.93, М.кл. F 16 С 33/14; (4) опис. к пат. РФ N 2006707, от 03.07.92, М.кл. F 16 С 33/14; (5) опис. к пат. РФ N 2059121, от 03.10.93, М.кл. F 16 С 33/14; (6) опис. к пат. РФ N 2006708, от 22.12.92, М. кл. С 10 М 125/10; (7) опис. к пат. РФ N 2135638, от 26.11.98, М.кл. С 10 М 125/10; (8) опис. к пат. Украины N 24442, от 22.04.97, М.кл. С 23 С 26/00, С 10 М 125/40]. Обобщая содержание описаний изобретений и формул, можно сказать, что патенты (1)-(6) относятся, по мнению их авторов, к "Способам формирования сервовитных пленок на трущихся поверхностях". Они все включают такие операции, как предварительное механоактивирование смеси абразивоподобного порошка с органическим связующим, размещение ее между трущимися поверхностями и приработку поверхностей трения. Общим для упомянутых выше технических решений является использование для осуществления способа серпентенита в сочетании с различными добавками. Другими словами, сущность изобретений, которые носят название "Способ...", заключается в использовании различных смесей, в состав которых непременно входит какое-либо вещество из числа серпентенитов. Как показывает анализ содержания описаний изобретений (1)-(7), общим для них является и тот несомненный факт, что использование в качестве твердой добавки к технологической органической среде порошка природного минерала типа серпентенит обеспечивает какого-то вида модификацию поверхностей трения, проявляющуюся в повышении износостойкости и улучшении некоторых технологических характеристик пар трения. Однако сущность модификаций, их природа и механизм не раскрыты ни в одном описании.

Так, в описании к патенту (1) сообщается об уменьшении износа примерно в 10 раз, но в сравнении с использованием чистой смазки без твердой добавки. В (2) под покрытием понимают "смесь минералов и связующего", то есть речь идет о смазочном составе с твердой добавкой, а результат определяли путем "царапания резцом с наплавкой из твердого сплава". В (3) и (4) составы предложены, а результаты использования не ясны вообще. В патентах (5) и (6) природный серпентeнит смешивали с технологической средой, называемой связующим, в количестве 0,5-40 мас.%. Результат отметили в одном случае как повышение КПД редуктора на 3%, а в другом "образованием сервовитной пленки толщиной до 0,3 мкм", что позволило предложить способ для ремонта изношенных поверхностей и нанесения "сверхпрочной сервовитной пленки на контактируемые и трущиеся поверхности новых изделий.....".

Такой же примерно подход и к изложению полученных результатов в описаниях к патентам (7) и (8). Всем этим патентам более подошло бы название "Твердосмазочная композиция для металлических узлов трения". Такое название соответствовало бы содержанию всех перечисленных патентов, поскольку по существу в них предложены различные составы твердых добавок к смазочным маслам.

Однако предложенные технические решения не обеспечивают получение принципиально новых результатов как в сравнении с предшествующими техническими решениями, так и в сравнении друг с другом. Кроме того, в некоторых случаях оказывается, что использование твердой добавки на основе серпентенитов не обеспечивает положительный результат. Напротив, наблюдается значительный износ не только в начальный период, но и при последующей эксплуатации узла трения с упомянутыми добавками к технологической среде.

Наиболее близким решением к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является состав для обработки пар трения, включающий абразивоподобный порошок на основе природного гидросиликата магния, металлосодержащие добавки и порошок более твердый, чем абразивоподобный порошок на основе гидросиликата магния [см. опис. к пат. РФ N 2127299, М.кл. С 10 М 125/10, от 18.04.97]. При этом в качестве металлосодержащих добавок использованы оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа, а в качестве более твердого абразива, чем природный гидросиликат, использованы либо твердые растворы этих окислов, либо синтезированные гранаты.

Как отмечают авторы этого технического решения, оно позволяет получить хороший положительный результат, выражающийся в снижении уровня вибрации, расхода ГСМ на 25-30%.

Однако отмечено, что "увеличение содержания абразивоподобного компонента свыше 95% может вызвать эффект, обратный достигаемому изобретением", то есть вызвать интенсивный износ, и поэтому в качестве второй основной составляющей выбран компонент "обладающий по сравнению с гидросиликатом магния абразивными свойствами в большей степени". Такой противоречивый подход к абразивоподобным составляющим композиции объясняется тем, что, как и во всех ранее рассмотренных случаях, использование в качестве твердой добавки композиций на основе природных гидросиликатов магния нестабильно дает положительный результат.

Следует отметить также, что качество состава для обработки пар трения и его эффективность существенно зависят и от способа его подготовки, хотя этому вопросу уделено совсем мало внимания.

Известен способ подготовки природного серпентeнита, включающий диспергирование природного минерала, который перед использованием предварительно механоактивируют в смеси с солидолом с пульсацией давления 0,01-1 МПа при температуре 40-100^oC, при этом содержание примесей в абразивоподобном порошке находится в пределах 3-10 мас.% [см. опис. к пат. РФ N 2006707, от 03.07.92, М. кл. F 16 С 33/14]. Как отмечено в описании, такое содержание примесей обеспечивает пассивирующие свойства сервовитной пленки, которую получают в результате использования природного серпентина в качестве твердой добавки к солидолу.

Известен также способ подготовки состава на основе смеси природных гидратов, таких как серпентин, тальк, пирротин, эстатит, фаялит, включающий диспергирование, обработку в центрифуге и барокамере, в которой создавали режим насыщенного пара с температурой 110^oC и обрабатывали в течение 20 мин.

Обработка порошка сухим насыщенным паром при одновременном его распылении, по мнению заявителей, эффективно обезвоживает его без спекания и делает его воздушным, дополнительно стабилизируя его дисперсность.

Поскольку конкретных результатов использования составов, приготовленных на основе указанных гидратов в обоих случаях не приведенo, можно предположить, что составы, как и в других случаях, оказывают не только положительное, но в ряде случаев и отрицательное действие, а способы подготовки не оказывают существенного влияния на стабилизацию положительного эффекта.

Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ изготовления состава для обработки пар трения, включающий диспергирование природного гидросиликата магния, обезвоживание и магнитное сепарирование [см. опис. к пат. РФ N 2059121, от 03.10.93, М.кл. F 16 С 33/14].

Однако результат такой подготовки не совсем понятен, поскольку полученный таким образом состав использовали в достаточно сложном процессе обработки поверхностей трения, а результаты с приемами подготовки состава не связаны и заключаются "в повышении КПД редуктора на 3%, снижении температуры на 7% относительно требования чертежа на смазке Литол-24".

Таким образом, ни предлагаемые известные составы на основе природных минералов, ни способы их подготовки стабильных результатов относительно повышения износостойкости, коэффициента трения или технических характеристик машин и механизмов не имеют.

Поэтому целью заявляемого решения является получение стабильных положительных результатов при использовании в качестве твердой добавки состава для обработки пар трения на основе природного гидросиликата.

Поставленная цель достигается тем, что известный состав для обработки пар трения, включающий абразивоподобный порошок на основе природного гидросиликата магния, примеси, ему сопутствующие, порошок с большей абразивностью, чем абразивность природного гидросиликата магния, и металлосодержащую добавку, согласно изобретению он в качестве металлосодержащей добавки содержит мелкодисперсный порошок металла, взятый из ряда хром, никель, молибден, ниобий, титан и их сплавы, или мелкодисперсную смесь указанного порошка металла, окисла или галогенида указанных металлов, в качестве мелкодисперсного порошка с большей абразивностью, чем абразивность природного гидросиликата магния, он содержит мелкодисперсный порошок алмаза или шунгита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный мелкодисперсный порошок металла или мелкодисперсная смесь порошка указанного металла, окисла или галогенида указанных металлов - 4,8-6,7

Мелкодисперсный порошок с большей абразивностью, чем абразивность гидросиликата магния - 0,15-0,35

Гидросиликат магния - Остальное

при этом содержание примесей в природном гидросиликате магния не превышает 1,5-2,0 мас.%.

Состав, согласно изобретению, в качестве гидросиликата магния содержит синтезированый серпентин или смесь синтезированных серпентинов.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном способе изготовления состава для обработки пар трения, включающем диспергирование гидросиликата магния, его сепарацию, подсушивание и магнитное сепарирование, согласно изобретению предварительно готовят смесь мелкодисперсного порошка металла, взятого из ряда хром, никель, молибден, ниобий, титан и их сплавы, и мелкодисперсного порошка с большей абразивностью, чем абразивность гидросиликата магния, или мелкодисперсную смесь указанного порошка металла, окисла или галогенида указанных металлов и мелкодисперсного порошка с большей абразивностью, чем абразивность гидросиликата магния, затем полученный продукт смешивают с порошком отсепарированного гидросиликата магния с получением вышеуказанного состава.

Использование в составе для обработки пар трения мелкодисперсных порошков металлов в сочетании с абразивом более твердым, чем минерал, обеспечивает, по-видимому, образование металлокерамических износостойких фаз, обладающих повышенной адгезией к материалу основы, значительным сопротивлением износу. Количество металлического порошки и состав металлосодержащих фаз определяется материалом основы и видом обработки (обработка новых изделий или восстановление изношенных поверхностей).

Предварительное смешивание порошков металла или смеси порошка металла с металлосодержащими добавками и с порошком, абразивность которого больше, чем абразивность гидросиликата магния, которое осуществляют в тех же аппаратах сверхтонкого измельчения, позволяет достичь не только равномерного перемешивания, но и механического внедрения зерен одного вещества в приповерхностные слои другого, обладающего лучшей адгезией к материалу основы. Осуществление высокой степени очистки природного минерала позволяет снизить эффект влияния этих добавок на конечный результат обработки и повысить стабильность результатов за счет использования свойств тех металлосодержащих добавок, которые способны образовать с основой устойчивые, высокопрочные и износостойкие фазы.

Как видно из изложения сущности заявляемых решений, они отличаются от прототипов и, следовательно, являются новыми.

Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача улучшения состава для обработки пар трения, включающего абразивоподобный порошок на основе гидросиликата магния, в котором вследствие использования в смеси с порошками металлов порошков с большей абразивностью, чем абразивность минерала, или смеси порошка металла и металлосодержащей добавки с тем же абразивом обеспечивается формирование прочносвязанного с поверхностью трения модифицированного упрочненного поверхностного слоя заданного состава, и за счет этого достигается стабильное уменьшение износа, коэффициента трения и улучшение технических показателей механизмов и машин.

В основу изобретения поставлена также задача усовершенствования способа изготовления состава для обработки пар трения, в котором вследствие предварительного смешивания порошка металла с порошком более твердого абразива, чем минерал, или смеси порошка металла и металлосодержащей добавки с тем же абразивом, а затем смешивания полученного продукта с порошком гидросиликата обеспечивается высокая степень гомогенизации состава и устойчивая способность к твердофазным химическим реакциям, и за счет этого достигается стабильность результатов обработки поверхностей трения смазочными составами, которые содержат твердые добавки на основе природных гидросиликатов магния, подготовленных в соответствии с предлагаемым решением.

Эффективным приемом, направленным на повышение антифрикционных, противозадирных и противоизносных свойств, является использование в составах для обработки поверхностей трения ультрадисперсных порошков графита и алмаза. Например, смазочное масло, содержащее твердую добавку, в качестве которой в количестве 0,1-1,0 мас.% смесь ультрадисперсных порошков алмаза, графита и аморфного углерода при массовом соотношении алмазной и неалмазной углеродной модификаций 30:70 - 99:1 [опис. к авт. св. СССР N 1770350 от 23.10.88, М.кл. С 10 М 125/02].

Однако коэффициент трения и суммарный износ при использовании такой добавки снижаются не более чем в 2,5-3,0 раза.

Известен также смазочный состав, содержащий базовое масло и мелкодисперсные порошки алмаза и металла, при этом железосодержащий порошок составляет 0,05-4,0% состава, обеспечивая плакирующие свойства состава. При этом 0,03 -0,10% мелкодисперсного порошка алмаза обеспечивает, по мнению авторов, образование высокоплотного алмазометаллического плакирующего слоя. Предлагаемый состав обладает хорошими седиментационными свойствами, однако износ деталей и коэффициент трения снижаются только в 1,22 раза и остается не лучше 0,09 в сравнении с прототипом, в котором в технологическую среду вводят 5-60 мас.% мягких металлов и их сплавов [опис. к пат. РФ N 1730842, от 14.02.90, М.кл. С 10 М 125/04].

Видимо, поэтому большое внимание при разработке новых методов обработки трущихся поверхностей обращено на использование природных минералов в качестве твердых добавок, в частности, минералов из ряда слоистых силикатов, из числа серпентинитов, которые в некоторых случаях обеспечивают существенно более низкий коэффициент трения, высокую износостойкость и прочность поверхности трения после обработки. Однако, как отмечено выше, результаты эти не отличаются стабильностью.

Заявляемое техническое решение принципиально отличается от известных тем, что в предлагаемом составе использован эффект активирования промежуточного продукта сложного состава, который к тому же должен соответствовать определенным образом материалам пары трения и виду обработки (обработка новых изделий или ремонтно-восстановительные операции в процессе эксплуатации).

Предлагаемое техническое решение может найти широкое применение в промышленном производстве смазочных составов для использования в узлах трения различных механизмов и машин как в процессе их изготовления, так и при эксплуатации.

Обобщенная информация об исследованных составах отражена в табл. 1.

При изготовлении составов для обработки пар трения диспергирование гидросиликата магния осуществляли известными способами, используя вращающуюся шаровую мельницу М-3. Вначале диспергирование осуществляли до крупности 150-200 мкм. Для сепарации получаемых порошков использовали воздушно-центробежный сепаратор. Подсушивание осуществляли в камере при 50-100^oC. После подсушивания проводили повторное диспергирование до крупности не более 5 мкм, после чего проводили магнитное сепарирование. В результате получали осветленный порошок природного минерала с содержанием примесей не более 1,5-2,0 мас.%.

Отдельно смешивали порошок металла или другой металлосодержащий порошок с ультрадисперсным порошком алмаза или шунгита в той же шаровой мельнице в течение не менее 3 ч.

В зависимости от назначения состава в осветленный природный минерал или в синтезированный гидросиликат магния с добавкой 1,5-2,0 мас.% примесей, для чего использовали повторно диспергированный продукт, выделенный в результате магнитного сепарирования, добавляли смесь металла с более твердым абразивом, либо другие смеси с более твердым абразивом, которые показаны в табл. 1.

После тщательного перемешивания в той же мельнице в течение 1-2 ч порошок извлекали и фасовали в емкости с притертыми пробками, сохраняя в них для дальнейшего использования.

Подготовленные таким образом составы для обработки пар трения использовали, смешивая их с технологической средой в количестве 5-40 мас.%. В качестве технологической среды использовали такие органические вещества, как литол, солидол, машинное масло или технологическую среду, подготовленную по специальному рецепту.

Результаты использования некоторых составов приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 1 и 2, использование составов для обработки пар трения в соответствии с предлагаемым техническим решением обеспечивает существенное повышение твердости и снижение износа, коэффициента трения, компенсацию утраченных размеров. Это дает основание предлагать эти составы для обработки узлов механизмов и машин как новых, так и бывших в употреблении и имеющих различные степени изношенности.