Смазочная композиция для тяжелонагруженных узлов трения
Владельцы патента RU 2258080:
ФГОУ ВПО "Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова" (RU)
Использование: для повышения усталостной прочности и износостойкости тяжелонагруженных узлов трения, например подшипников качения. Сущность: в качестве порошкообразного наполнителя композиция содержит смесь наноразмерных порошков железа, никеля и цинка дисперсностью 10-30 нм при следующем соотношении компонентов в нем, мас.%: порошок железа 30-70, порошок никеля 20-40, порошок цинка 10-30. Композиция содержит в мас.%: наполнитель 0,5-1,5, пластичная смазка 98,5-99,5. Технический результат - повышение усталостной прочности и износостойкости узлов трения. 2 табл., 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к металлоплакирующим смазочным композициям на основе мыльной пластичной смазки и порошков металлов в качестве добавки и может быть использовано для повышения усталостной прочности и износостойкости тяжелонагруженных узлов трения, например: подшипников качения.
Известна смазочная композиция (авторское свидетельство №1049529), содержащая в качестве добавки порошок закиси меди, порошок никеля и кадмия дисперсностью 40 мкм при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Порошок закиси меди | 5...20 |
| Порошок никеля | 2...4 |
| Порошок галлия | 2...5 |
| Пластичная смазка | 70...90 |
Недостатком данной смазочной композиции является использование крупнодисперсных порошков, которые не обеспечивают требуемых антифрикционных свойств в жестких условиях трения. Кроме того, в композиции используется большой процент порошкообразного наполнителя (до 20 мас.%), что повышает ее стоимость.
Наиболее близкой к предлагаемому по составу, свойствам и применению (прототипом) является смазочная композиция (авторское свидетельство №1595883), содержащая в качестве добавки порошок сплава алюминия с железом дисперсностью 10 мкм при содержании алюминия 40...60 мас.% и следующем содержании компонентов, мас.%:
| Порошок сплава алюминия с железом | 0,5...1,5 |
| Пластичная смазка | до 100 |
Однако данная смазочная композиция не обеспечивает требуемой усталостной прочности и необходимых трибологических свойств в жестких условиях работы тяжелонагруженных узлов трения из-за слабого формирования защитных пленок на трущихся поверхностях.
Технической задачей изобретения является повышение усталостной прочности и износостойкости тяжелонагруженных узлов трения за счет модификации пластичной смазки нанокомпозитными добавками.
Поставленная задача достигается тем, что в мыльную пластичную смазку в качестве модифицирующей добавки вводим порошкообразный наполнитель, содержащий смесь наноразмерных порошков железа, никеля и цинка дисперсностью 10...30 нм, при содержании наполнителя 0,5...1,5 мас.% и при следующих соотношениях компонентов в ней, мас.%:
| Порошок железа | 30...70 |
| Порошок никеля | 20...40 |
| Порошок цинка | 10...30 |
| Пластичная смазка | 98,5...99,5 |
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав смазочной композиции отличается от известного введением отдельных новых компонентов наноразмерного диапазона, а именно железа, никеля и цинка.
Новым в изобретении является то, что состав порошкообразного наполнителя способствует формированию защитных пленок на трущихся поверхностях, которые повышают усталостную прочность и износостойкость узлов трения.
Наличие наноразмерного порошка железа приводит к увеличению предела прочности смазочного слоя, что препятствует усталостному разрушению контактирующих поверхностей.
Наличие наноразмерных порошков никеля и цинка объясняется их способностью образовывать защитные пленки на трущихся поверхностях, обладающих противоизносными свойствами. Кроме того, добавление в наполнитель наноразмерного порошка цинка, участвующего в образовании защитной пленки, предохраняет поверхности трения от коррозии.
Анализ существующих технологий получения наноразмерных порошков позволил выбрать метод плазменной переконденсации, основанный на испарении крупнодисперсного порошка (сырья) в плазменном потоке с температурой 4500-6000°С и конденсации пара до частиц требуемого нанометрового размера (авторское свидетельство №2068400). Установка состоит из следующих составных элементов: компрессора 1, ресивера 2, газовой рампы 3, дозатора 4, испарителя 5, холодильника 6, циклона 7, бункера УДП 8, фильтра 9, реактора 10, дозатора жидкости 11, емкости углеводородной жидкости 12.
На фиг.1 представлен внешний вид установки для получения наноразмерных порошков.
На фиг.2 и 3 изображена зависимость изменения момента трения в процессе испытания и величины износа испытываемых образцов.
Наноразмерные порошки синтезировали следующим образом.
Дисперсное сырье из дозатора 4 с пневмотранспортным газом поступало в плазменный испаритель 5. Здесь оно испарялось и конденсировалось до наноразмерного состояния. Аэрозоль с нанопорошком охлаждалась в холодильнике 6 и поступала через циклон 7 в бункер 8, где часть порошка улавливалась. Окончательно наночастицы отделяли от технологического газа в фильтре 9. Пирофорность порошка устраняли в реакторе 10, покрывая его жидким углеводородом, подаваемым из емкости 12 через дозатор 11. Порошок производился в инертном газе - аргоне, циркулирующем с помощью компрессора 1 через ресивер 2. Распределение технологического газа по схеме осуществлялось при помощи газовой рампы 3.
Полученные наночастицы характеризовались следующими параметрами: размер частиц находился в пределах 0,01...0,03 мкм, удельная поверхность - 100...150 м2/г, имели сферическую форму и характеризовались высокой химической активностью, что способствует образованию защитных пленок на трущихся поверхностях.
Данные преимущества порошкообразного наполнителя повышают усталостную прочность поверхностей трения и противоизносные свойства смазки.
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ЗАЯВЛЯЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ И ПРОТОТИПА
Изобретение иллюстрируется следующими примерами. В примерах приводятся результаты испытаний, проведенные по методике: образцы смазок оценивались на машине трения СМЦ-2 по схеме "ролик-ролик". Экспериментальные образцы - ролики были изготовлены из стали ШХ-15 ГОСТ 2590-88 и имели твердость 60...62 HRC. Шероховатость рабочих поверхностей роликов была Ra 0,8 мкм. Перед проведением испытаний ролики подвергались приработке в течение 6 часов при нагрузке 0,8 кН. При испытаниях постоянно регистрировался момент трения, а также радиальная нагрузка. Скорость качения в контакте была постоянной и составляла 500 мин-1, продолжительность эксперимента составляла 6 часов.
Смазка образцов в процессе испытаний обеспечивалась погружением нижнего вращающегося ролика на 1/3 в смазочную ванну.
Износ образцов определялся весовым методом на аналитических весах ВЛА-200 М с точностью измерения 1·10-4 мг. До и после испытаний определяли шероховатость и взвешивали образцы. Момент трения регистрировался непрерывно в течение испытаний приспособлением машины. Шероховатость рабочей поверхности образцов определяли на профилографе-профиломере мод. 201 завода "Калибр".
Оценку влияния смазочной среды на стойкость материала пар трения к выкрашиванию проводили по нагрузке образования первых признаков усталостного разрушения при ступенчатом ее увеличении.
Пример 1. Влияние состава нанокомпозитной добавки на усталостную прочность поверхностного слоя образцов
Металлоплакирующую смазку приготавливали следующим образом: взвешивали необходимое для проведения испытаний количество пластичной смазки и помещали в смазочную ванну. Затем взвешивали, в зависимости от концентрации и состава смазки, порошки сплава алюминия и железа, железа, никеля и цинка и поочередно добавляли их в смазку. После добавления одного порошка осуществляли его перемешивание со смазкой до равномерного распределения по объему смазочной ванны.
Для проведения опытов было подготовлено несколько проб смазки с различной концентрацией порошкообразного наполнителя.
Готовилось 4 пробы при следующих значениях концентрации порошкообразного наполнителя в смазочной композиции, мас.%:
1-я проба: прототип.
2-я проба: порошкообразный наполнитель 0,5; пластичная смазка 99,5.
3-я проба: порошкообразный наполнитель 1,0; пластичная смазка 99,0.
4-я проба: порошкообразный наполнитель 1,5; пластичная смазка 98,5.
Испытания образцов на контактную прочность проводились на машине трения СМЦ-2 в условиях трения качения. Образцами трения служили ранее испытанные ролики на вышеперечисленных пробах смазок. Испытания проводили при постоянной частоте вращения 500 мин-1. Смазывание образцов осуществляли подведением фетра с испытуемой смазкой к вращающемуся ролику на 5 сек до создания равномерного слоя смазки на поверхности трения.
Нагружение образцов производили ступенчато через 0,2 кН и сохраняли нагрузку постоянной в течение 1 часа. Затем нагрузку плавно уменьшали и останавливали машину трения для осмотра контактирующих поверхностей. Далее переходили на следующий нагрузочный режим. Критерием оценки контактной выносливости служило появление на рабочих поверхностях роликов первых признаков усталостного выкрашивания.
Результаты испытания представлены в таблице 1.
| Таблица 1 Результаты испытания смазочных композиций на контактную прочность | ||
| Номер пробы | Число циклов до начала разрушения, N·105 | Максимальная нагрузка, кН |
| 1 | 1 | 1,0 |
| 2 | 1,06 | 1,1 |
| 3 | 1,86 | 1,8 |
| 4 | 1,63 | 1,4 |
Результаты испытаний, представленные в табл.1 показывают, что введение наноразмерных порошков железа, никеля и цинка в смазку способствует повышению условного предела контактной прочности образцов. При использовании пластичной смазки, содержащей наноразмерные порошки железа, никеля и цинка в концентрации 1% предельная нагрузка вызывающая усталостное разрушение увеличилась на 56% по сравнения с прототипом, а число циклов до начала разрушения увеличилось на 53%.
Пример 2. Влияние состава смазочной композиции на антифрикционные и противоизносные свойства пластичной смазки
Испытания различных смазочных композиций проводились по вышеуказанной методике. Результаты испытаний приводятся в таблице 2.
| Таблица 2 Результаты испытаний смазочных композиций | |||||
| Номер пробы | Износ образцов, мг | Момент трения, Нм | Шероховатость, Ra | ||
| начальный | стабилизации | до | после | ||
| 1 | 4,2 | 8,0 | 7,7 | 0,72 | |
| 2 | 3,3 | 7,8 | 7,6 | 0,63 | |
| 0,80 | |||||
| 3 | 1,8 | 7,2 | 6,8 | 0,32 | |
| 4 | 2,5 | 7,6 | 7,3 | 0,53 |
Из таблицы 2 и фиг.2, 3 видно, что наименьший износ образцов и наименьшее значение момента трения достигаются при использовании предлагаемых наноразмерных добавок в концентрации 1% (проба №3). При этом износ образцов, по сравнению с прототипом уменьшился в 2,3 раза, момент трения в 1,13 раза, а значение параметра шероховатости снизилось в 2,25 раза.
Смазочная композиция для тяжелонагруженных узлов трения, содержащая мыльную пластичную смазку и порошкообразный наполнитель, отличающаяся тем, что композиция в качестве порошкообразного наполнителя содержит смесь наноразмерных порошков железа, никеля и цинка дисперсностью 10-30 нм при следующем соотношении компонентов в нем, мас.%:
| Порошок железа | 30-70 |
| Порошок никеля | 20-40 |
| Порошок цинка | 10-30 |
и при содержании компонентов в композиции, мас.%:
| Наполнитель | 0,5-1,5 |
| Пластичная смазка | 98,5-99,5 |
