способ формирования износостойкого антифрикционного покрытия металлических поверхностей узлов трения

Формула изобретения

Способ формирования износостойкого антифрикционного покрытия металлических поверхностей узлов трения, включающий размещение между трущимися металлическими поверхностями размельченной минеральной композиции, формирующей антифрикционное покрытие, содержащее серпентин, отличающийся тем, что массивный образец природного минерала серпентинита массой от 0,2 до 1 кг сначала раскалывают на фрагменты массой 20-50 г, разбраковывают по цвету и блеску с отбором фрагментов зеленого, желтого и серого цветов перламутрового и матового блеска, характерных для серпентина, для каждого из отобранных фрагментов проводят измерение показателя твердости по минералогической шкале Мооса, отбраковывают образцы с показателем твердости более 4 единиц по шкале Мооса, далее методами рентгеноспектрального и химического анализов определяют в отобранных образцах с твердостью менее 4 единиц по шкале Мооса содержание химических элементов Mg, Si, Fe, Al, Ni, Na, Ca, К с отбором наиболее близких к серпентину по составу и содержанию химических элементов, затем отобранные образцы с твердостью менее 4 единиц по шкале Мооса и наиболее близкие к серпентину предварительно измельчают в дисковом дезинтеграторе до размеров фракции 50-100 мкм, просеивают на сите с размером ячейки 50 мкм, удаляют остатки на сите в виде волокнистых частиц хризотил - асбеста, из отсеянного материала на магнитном сепараторе отбраковывают фракции ферромагнитного магнетита и производят окончательный помол отобранного порошка до дисперсности 0,1-10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к триботехнике и может найти применение в машиностроении при обработке узлов трения нового оборудования для продления межремонтного периода, а также при проведении ремонтно-восстановительных работ на изношенном оборудовании без его разборки.

Известно использование в качестве модификаторов трения твердо-смазочных материалов со слоистой структурой, таких как молибденит, графит, нитрид бора, тальк. Порошки этих материалов со связующим используются для обработки поверхностей трения, обеспечивая их работу без жидкой или пластической смазки. Другое применение твердо-смазочных материалов - использование их в качестве добавок или присадок к жидким или пластическим смазкам. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными смазками: имеют более низкий коэффициент трения, обладают высокой несущей способностью, снижают нагрузки на пару трения в режимах пуска и остановки механизмов. Недостаток таких добавок заключается в том, что они не образуют на поверхности металла прочной защитной пленки и требуют постоянного присутствия в смазывающем материале.

Высокими антифрикционными свойствами обладают измельченные порошки на основе природного минерала серпентина - Mg₃ Si₂O ₅[OH]₄ с сопутствующими ему минералами и дополнительно вводимыми добавками. Добавление таких композиций в смазку приводит к образованию на поверхностях трения металлокерамической пленки с высокими антифрикционными характеристиками. Механизм формирования и разрушения таких пленок мало изучен, а сведения по их износостойкости и долговечности практически отсутствуют.

Известны способы формирования антифрикционных покрытий на трущихся поверхностях на основе механоактивации мелкодисперсной смеси минералов со связующим (см., например, патенты РФ №20527257 C1, 6 F 16 С 33/14, опубл. 1996.03.27 и патент РФ 22110587 С2, 7 C 10 М 125/126, опубл. 2003.03.20). К недостаткам этих способов следует отнести определенную сложность их практической реализации и сравнительно невысокий эффект с точки зрения износостойкости и долговечности покрытия.

Наиболее близким к заявляемому способу является принятый за прототип способ (патент РФ №2243427 C1, 7 F 16 C 33/14, опубл. 2004.12.27) формирования антифрикционного покрытия кинематических пар трения трущихся поверхностей, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащую серпентин Mg₃ Si ₂O₅[OH]₄, отличающийся тем, что в качестве серпентина используют его полиморфную модификацию хризотил, при этом в композицию дополнительно введены форстерит (Mg₂ Si₂O ₄), гетит (Fe О ОН) и гематит (Fe₂ О₃).

Недостатки способа-прототипа состоят в том, что он не предполагает удаления из композиции абразивных по отношению к серпентину компонентов: форстерита, гетита и гематита, а в качестве серпентина используется его полиморфная модификация хризотил - асбест с высокими фрикционными свойствами.

Задачей изобретения является обеспечение возможности удаления из состава абразивных составляющих, прежде всего магнетита, и фрикционных составляющих, прежде всего серпентин-асбеста.

Эта задача решается тем, что в способе формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар с размещением между трущимися поверхностями размельченной минеральной композиции, формирующей антифрикционное покрытие, содержащее серпентин, первоначально проводят дробление массивного образца природного минерала серпентинита массой от 0,2 до 1 кг на отдельные фрагменты массой 20-50 г, полученные фрагменты разбраковывают по цвету и блеску с отбором фрагментов зеленого, желтого и серого цветов перламутрового и матового блеска, характерных для серпентина, отобранные по цвету и блеску фрагменты разбраковывают каждый по твердости, отбирая фрагменты с твердостью менее 4 ед. по шкале Мооса, далее методами рентгеноспектрального и химического анализов определяют в оставшихся фрагментах содержание химических элементов Mg, Si, Fe, Al, Ni, Na, Ca, К с отбором наиболее близких к серпентину по составу и содержанию химических элементов, предварительное дробление отобранных образцов до размера фракции 50-100 мкм, просеивание на сите 50 мкм с удалением волокнистых остатков хризотил-асбеста на сите, магнитную сепарацию остатков раздробленных образцов с удалением ферромагнитной фракции магнетита и окончательный помол отобранной фракции до дисперсности 0,1-10 мкм.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении низкого коэффициента трения и высокой износостойкости получаемого антифрикционного покрытия, что достигается удалением из состава природного минерала серпентинита фрикционных компонентов - серпентин-асбеста и абразивных компонентов с высокой твердостью, в первую очередь магнетита.

Серпентин относится к подклассу слоистых или листовых силикатов, структура которых характеризуется чередованием молекулярных слоев кремний-кислородных Si₄O ₁₀ тетраэдров и слоев октаэдров MgOH. При формировании пленки на поверхности металла образуется многомолекулярный лист из чередующихся слоев указанных анион-катионных слоев. Такая слоистая пленка обладает анизотропными механическими свойствами в плоскости пленки и ортогонально ей. Слои легко перемещаются относительно друг друга без разрушения пленки при воздействии механической силы в ее плоскости, а при воздействии силы в ортогональной плоскости перемещения слоев относительно друг друга невозможны без их разрушения. Характерно, что микрочастицы серпентина [(Mg,Fe) ₃ Si₂O₅(OH)4] в процессе термохимической реакции создают сплошную пленку на металлической поверхности в зоне трения, тогда как близкий по химическому составу слоистый гидросиликат магния - тальк [Mg ₃ Si₄O₁₀(ОН) ₂], используемый иногда в виде присадок к маслам в качестве модификатора трения, не образует пленки, оставаясь в виде свободных мелких чешуек. Это объясняется различием в характере термохимических реакций для серпентина и талька. Активное взаимодействие микрочастиц серпентина с нагретой трением металлической поверхностью объясняется близким совпадением температуры поверхности с диапазоном температур частичной дегидратации серпентина. Одним из результатов дегидратации измельченных частиц серпентина является их высокая поверхностная активность, что приводит к внедрению частиц минерала в приповерхностный слой с образованием антифрикционной пленки.

Износостойкость образовавшейся пленки объясняется прочностью ее сцепления с металлической поверхностью, коэффициентом трения и низким содержанием в порошковой композиции абразивных по отношению к материалу пленки частиц. Антифрикционные свойства пленки будут определяться содержанием в порошковой композиции фрикционных компонентов. К таковым относится серпентин - хризотил-асбест. Хризотил-асбест представляет собой одну из 3-х возможных полиморфных модификаций серпентина и характеризуется игольчатой (волокнистой) структурой с размером волокон в поперечнике 2-50 мкм и длиной 1-20 мм. С использованием термостойких связующих с наполнителем из серпентин-асбеста традиционно изготавливаются фрикционные материалы с коэффициентом трения 0,25-0,5 для тормозных накладок и колодок, дисков и муфт сцепления и т.д. Две другие разновидности серпентина антигорит и лизардит характеризуются пластинчатой и скрыто-пластинчатой структурами соответственно и являются идеальными материалами для изготовления антифрикционных покрытий металлических поверхностей трения.

В природе серпентин в чистом виде не встречается. Он входит в состав серпентинитов - серпентина и сопутствующих минералов: хлоритов, талька, магнетита, антофиллита, энстатита. форстерита, кварца и других. Содержащиеся в серпентините минералы можно условно разделить на 2 группы. Первую группу составляют слоистые минералы - гидроокислы магния со слоистой структурой: серпентин, хлорит и тальк с низким значением показателя твердости 1-3 по минералогической шкале Мооса, а вторую группу составляют магнетит, антофиллит, энстатит, форстерит и кварц с высокой твердостью 5,5-7 единиц. Значительное % содержание твердых фракций минералов второй группы в приготавливаемой измельченной композиции серпентинита будет способствовать ускоренному абразивному изнашиванию образующейся пленки, основу которой составляет модифицированный серпентин.

Суть предлагаемого способа состоит в поэтапной отбраковке фрикционной и абразивных фракций в приготавливаемой из серпентинита порошковой композиции, используемой в качестве антифрикционной добавки в смазку и образующей износостойкое покрытие поверхности трения.

Пример способа

Природный минерал серпентинита массой 0,9 кг раскололи на однородные по цвету и блеску фрагменты массой - 20-50 г, которые разбраковали по цвету и блеску с отбором фрагментов зеленого, желтого и серого цветов, характерных для серпентина, для каждого из отобранных образцов измерили показатель твердости и отбраковали образцы с показателем твердости более 4 единиц по минералогической шкале Мооса, отобранные образцы предварительно измельчили в дисковом дезинтеграторе до фракции 50-100 мкм, просеяли на сите с размером ячейки 50 мкм, с последующим удалением остатков на сите в виде волокон серпентин-асбеста, из отсеянного материала на магнитном сепараторе отбраковали фракции ферромагнитного магнетита и отобранный материал измельчили в шаровой мельнице до размеров частиц 0,1-10 мкм. Выход готового порошка серпентина составил 850 г, отбраковано сопутствующих минералов 250 г.

Предлагаемым способом могут быть получены, например, порошки природного минерала серпентинита, содержащего серпентин полиморфных модификаций антигорит или лизардит с пониженным содержанием серпентина полиморфной модификации хризотил и с пониженным содержанием абразивных примесей при следующем соотношением компонентов, мас.%:

MgO - 36-42

SiO₂ - 35-49

FeO - 0,2-2,5

Al₂О ₃ - 0,1-3

NiO - 0,1-1,5

H₂ O - 12-14

Прочие - 0,1-1,5

Результаты испытаний

1. Предлагаемым способом из природного минерала серпентинита была приготовлена порошковая композиция с дисперсностью порошка 0,1-10 мкм следующего состава, мас.%:

Mg О - 39,0, SiO ₂ - 46,5, FeO - 1,63, NiO - 0,17, H₂ O - 12,60, прочие - 0,1.

Влияние добавления в рабочую смазку пары трения приготовленной композиции было исследовано на специальном лабораторном измерительном стенде, который моделировал работу сопряжения гильза - поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания. Стенд обеспечивал возвратно-поступательное движение элемента кольца относительно элемента гильзы. Он был оснащен приборами и приспособлениями для реализации выбранного режима испытаний и контроля параметров трения испытываемых смазочных материалов при различных нагрузках. Нагрузка в испытательном сопряжении осуществлялась за счет установки специальных грузов. Определение износа пары сопряжения производилось путем взвешивания на аналитических весах образцов поршневого кольца и гильзы цилиндра. Перед взвешиванием до и после испытаний образцы промывались и просушивались. Длительность цикла испытаний на износостойкость составляла 40 часов для каждого из 5 различных режимов нагрузки. Приготовленный порошок серпентинита добавлялся в рабочую смазку (моторное масло Лукойл 10W40) сопряжения цилиндр - поршень в количестве 0.5 г на 1 литр масла. Определение износа производилось взвешиванием образцов поршневого кольца и гильзы цилиндра до и после. Зависимость интенсивности изнашивания образца гильзы от нагрузки при работе на масле Лукойл 10 W40 без добавок и с добавлением антифрикционной добавки представлена в таблице.

Таблица.
Нагрузка, МПа	Интенсивность изнашивания, 10-12		Изменение, раз
	без добавки	с добавкой
0,2	1	0,5	2,0
0,35	1,7	1,0	1,7
0,5	3,0	1,5	2,0
0,6	4,2	2,2	1,9
0,8	6,0	3,2	1,9
среднее			1,9

Как видно из приведенных в таблице данных, интенсивность изнашивания пары гильза - кольцо с введением в рабочую смазку твердо-смазочной композиции снизило интенсивность износа в среднем в 1,9 раза.

2. Композиция следующего состава, мас.%:

MgO - 41,6. SiO_2, - 43,2, FeO - 1,8, NiO - 0,07, H₂О - 13,0, прочие - 0,33,

в количестве 30 г на 1 кг пластической смазки циатим-201 была введена в штатную смазку узлов пары трения валик - втулка тормозной рычажной передачи экспериментального вагона пассажирского поезда. Результаты сравнительных испытаний втулок со штатной смазкой и втулок со смазкой, содержащей композицию порошка указанного выше состава, показали, что втулки со штатной смазкой потребовали замены вследствие износа через 150 тыс.км пробега. Втулки со смазкой, содержащей предлагаемую антифрикционную композицию, не потребовали замены и были оставлены для дальнейшей эксплуатации после пробега вагоном 640 тыс.км, что свидетельствует о повышении износостойкости узла трения более чем в 4 раза.

3. Композиция следующего состава, мас.%:

MgO - 39,0, SiO _2, - 46,1, FeO - 1,6, NiO - 0,38, Н₂ О - 12,5, прочие - 0,42,

в количестве 2 г на 1 кг жидкого масла была введена в систему смазки зубчатого зацепления редуктора Ц2НШ - 750 мощностью 750 кВт ч нефтяной качалки одного из месторождений Лукойл - Западная Сибирь. Редуктор работал в тяжелых условиях круглосуточно, и межремонтный период, требующий замены зубчатой передачи, составлял в среднем 1000 часов. После введения композиции срок безотказной работы редуктора увеличился до 20860 часов, т.е. износостойкость тяжело нагруженного узла трения возросла более чем в 20 раз.

Реализация предлагаемого способа предполагает использование традиционных технологических и технических решений, что свидетельствует о возможностях промышленного использования изобретения. Это подтверждают факты испытания композиций, изготовленных по данному изобретению.