Твердосмазочное покрытие

Использование: в области смазочных материалов. Сущность: покрытие содержит порошкообразный наполнитель, включающий по массе 30-43% соединений кремния, 21-35% соединений магния, 25-45% железа, сопутствующие минералы, и связующее. Технический результат - улучшение триботехнических характеристик, снижение износа пар трения. 4 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области химии и металлургии, в частности к смазочным составам из неорганического материала, и может быть использовано при внедрении энергоресурсосберегающих технологий в геолого-разведочной, горно-добывающей отраслях, машиностроении, энергетике, транспорте и др.

Известно твердосмазочное покрытие, содержащее до 3,3% природной минеральной смеси на основе серпентинита, включающего по массе 30-40% соединений кремния, 25-35% соединений магния, 15-20% соединений железа и других сопутствующих с дисперсностью 0,01-1,0 мкм и 96,7% органического связующего, обеспечивающего при размещении между контактирующими поверхностями и приработке формирование сервовитной пленки триботехническим составом, снижающим коэффициент трения и износ деталей (см. патент РФ №2035636, кл. F 16 C 33/14).

Недостатками известного покрытия являются: образование абразивной примеси, не связанной с формированием триботехнических свойств и ухудшающей их, необходимость применения механоактивации для обеспечения однородности состава.

Известно твердосмазочное покрытие, содержащее от 0,5 до 2,0% природной минеральной смеси на основе серпентинита, включающего по массе 36-43% соединения кремния, 21-27% соединений магния, 10,5-14,5% соединений железа и других сопутствующих с дисперсностью до 10 мкм и 98-99,6% органического связующего, позволяющее отказаться от его механоактивации, заменив ее гомогенизацией (см. патент РФ №2043393, кл. С 10 М 125/04) - прототип.

Недостатки указанного покрытия аналогичны недостаткам покрытия, приведенного в аналоге.

Сущность изобретения состоит в следующем. В минерале серпентинит кристаллохимия выделяет тетраэдрические слои соединений кремния и октаэдрические слои соединений магния. В октаэдрических слоях возможен процесс трансформации энергии: превращение водорода в гелий, энергетический выход которого, по данным астрофизики, может достигать 27,7 МЭв.

При нагреве серпентинита до 600°С имеет место реакция, представленная на фиг.1. В результате этой реакции образуются тонкодисперсные форстерит и кремнезем с температурами плавления 1890 и 1470°С соответственно. При твердости серпентинита по шкале Мооса порядка 2,5-3,0 твердость образующихся в реакции, представленной на фиг.1, форстерита и кремнезема достигает 6,5-7,0. Большое количество соединений железа существенно меняет характер происходящих процессов, которые в этом случае определяются реакциями, приведенными на фиг.2. Продуктами реакции являются оливин, фаялит, вода и свободный водород. Твердость оливина и фаялита сопоставима с твердостью форстерита, но они имеют меньшие температуры превращений (1250-1400 и 1100-1250°С соответственно), поэтому эти реакции более предпочтительны, а свободный водород - источник энергии для указанных превращений. При достаточном содержаниии в минеральной смеси соединений железа протекание указанных на фиг.2 реакций может закончиться при достижении на стенках контактирующих поверхностей локальной температуры от 1200-1400°С (в прототипе 1500°С).

Для полного протекания реакций содержание железа в минеральной смеси должно составлять не менее 81% от массы серпентинита, входящего в ее состав (в природных смесях содержание соединений железа не превышает 21%).

Для снижения влияния образующейся при дисерпентизации минеральной смеси абразивной примеси и обеспечения полноты образования оливина и фаялита содержание железа в порошкообразном наполнителе предлагаемого твердо смазочного покрытия доведено до 25-45%. В качестве добавок к природным смесям может быть использовано порошкообразное железо, применяемое в порошковой металлургии. В пользу увеличения содержания железа в минеральных смесях на основе серпентинита свидетельствует наличие положительной корреляции триботехнических свойств покрытия с магнитной восприимчивостью минеральной смеси.

В процессе приработки за счет выделения энергии, связанного с превращением водорода в гелий, происходит локальное спекание зерен форстерита, олевина, фаялита, кварца и др. с материалом контактирующих поверхностей и их разбухание в результате проникновения гелия паров воды и расплавов под давлением в поры и микротрещины, открывающиеся при деформации под воздействием приложенной нагрузки. Процесс сопровождается образованием зеркал скольжения и изменением геометрии контактирующих поверхностей (уменьшение зазоров, заполнение свободных зон и др.), поэтому должен находиться по контролем.

Содержание железа в минеральной смеси покрытия и ее дисперсность целесообразно устанавливать с учетом требований к контактирующим поверхностям, их материалам, состоянию. Чем они больше, тем скорее идет процесс.

Для нанесения покрытия минеральную смесь перемешивают со связующим (органическое или вода) до получения однородной пасты, пригодной для нанесения кистью, масленкой, самотеком или под давлением. Подготовленный смазочный состав размещают между контактирующими поверхностями и прирабатывают их непрерывно или дискретно с регистрацией нагрузки и температуры до момента появления тенденций к их стабилизации или снижения скорости нарастания. Возможны предварительные испытания на машинах трения, аналогичные приведенным в описании прототипа. После приработки контактирующие поверхности промывают и наносят на них штатную смазку.

Испытания пар трения на центробежной машине (расходящиеся диски на валу двигателя, вращающегося со скоростью 3000 об/мин в неподвижной трубе) показали следующее: при однократном нанесении на диски смазки литол время работы пары трения до "схватывания" составило 3,5 мин; при внесении в литол 50% по массе наполнителей в виде оксидов кремния, магния и алюминия время работы пары трения до "схватывания" составило соответственно: 1, 3, 9 мин. При внесении в литол 50% по массе наполнителя в виде серпентенита пара трения без "схватывания" отработала 65 мин и была остановлена после достижения на трубе температуры +60°С. После предварительной приработки дисков в трубе с литолом, содержащим 50% по массе смесь серпентенита с карбонильным железом (60 и 40% соответственно), они всухую, без "схватывания" и видимых изменений поверхностей контакта выжгли поверхность трубы, не подвергавшейся предварительной обработке.

Испытание указанных минеральных наполнителей на осевой машине трения (3 неподвижных сектора - вращающийся диск из ст. 20 и 40 соответственно) в ЦКТИ им. И.И.Ползунова повторили данные проведенных ранее экспериментов. В качестве критериев эффективности триботехнических свойств рассматриваемых минеральных наполнителей были выбраны время достижения температуры в зоне контакта порядка +50°С или "схватывание", рост энергопотребления.

Исходные данные и результаты испытаний приведены в табл.1-4 приложения.

При проточке поверхности контакта вращающегося диска с секторами пройти ее обычным резцом не представилось возможным (отпуск режущей кромки).

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать следующие выводы:

- при внесении минеральных наполнителей в смазочный материал, содержащий соединения магния, кремния и железа, формирование устойчивого металлокерамического покрытия на поверхности металла путем воздействия на нее трением может быть обеспечено лишь при выполнении условий, определяемых уравнениями, представленными на фиг.1, 2 описания изобретения;

- смеси природных минералов ни при каком их соотношении не могут обеспечить выполнение указанных условий, т.к. не компенсируют негативное влияние образующихся при их разложении абразивных составляющих и устойчивость покрытия, которые могут быть достигнуты только путем доведения содержания железа в них до 25-45%.

Таблица 1
Результаты испытания пары трения при однократном нанесении в зону контакта смазки литол
Время работы, мин	N, об/мин	T1, °C	T2, °C	Т3, °С	W, Вт	Р, кг	Примечание
0	0	17	17	17	0	8	Схватывание с задиром
20	500	29	30	27	80	8
40	500	40	41	40	160	8
Таблица 2
Результаты испытаний пары трения при однократном нанесении в зону контакта смазки литол с 10% серпентенита по массе
Время работы, мин	N, об/мин	Т1, °С	Т2, °С	Т3, °С	W, Вт	Р, кг	Примечание
0	500	30	30	30	40	0
5	500	35	34,5	35,5	90	8
25	500	39	43	41	90	8
45	500	43	47	45	110	8
65	500	46	52	49	120	8	Схватывание с задиром
Таблица 3
Результаты испытания пары трения при однократном нанесении в зону контакта смазки литол с 10% по массе смеси серпентенита и железа
Время работы, мин	N, об/мин	Т1, °С	Т2, °С	Т3, °С	W, Вт	Р, кг	Примечание
0	0	24	24	24	0	0	После испытаний поверхность контакта пары трения во всех опытах без задиров
10	400	36	37	37	100	6
20	420	39	40	40	80	6
30	420	40	40	40	70	6
40	420	41	41,5	41,5	75	8
50	420	42	42	42	75	8
60	420	42	42,5	42	70	8
70	420	44	44	43,5	80	10,5
80	420	44,5	45	44	80	10,5
90	420	45	45	45	80	10,5
100	420	49	49,5	49	100	15
110	420	53	53	53	110	15
120	420	55	55	55	118	15
130	420	57	57	56	112	15
140	420	58,5	58,5	58	120	15

Таблица 4
Результаты испытания пары трения при однократном нанесении в зону
контакта смазки литол с 10% по массе смеси кварца и железа в соотношении 1:2
Время работы, мин	N, об/мин	T1, C	T2, C	Т3, С	W, Вт	Р, кг	Примечание
0	0	19	19	19	0	0	Без схватывания
3	500	19	19	19	90	0
7	500	24	24	24	100	8
20	500	36	36	36	100	8
40	500	49,5	49,5	49,5	85	8
60	500	40	40,5	40	85	8
80	500	40	40,5	40	80	8
100	500	40	40	40	80	8

Твердосмазочное покрытие, содержащее порошкообразный наполнитель, включающий по массе 30-43% соединений кремния, 21-35% соединений магния, сопутствующие минералы и связующее, отличающееся тем, что наполнитель дополнительно содержит 25-45% железа.