Способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар

Использование: в машиностроении для модификации трущихся поверхностей кинематических пар. Сущность: между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, содержащую синтетическую модификацию серпентина, получаемую путем растворения в воде смеси α-кварца и гидроксида магния при температуре 120-170°С и давлении 1,2-15,0 атм с последующим образованием кристаллов. В качестве затравки для образования кристаллов синтетической модификации серпентина используют хризотил, имеющий моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<a<7,3А°, 9,0<b<9,2A°, 7,0<с<7,3А°, углами β между положительными направлениями кристаллографических осей 90° или 93°. Молярные массы α-кварца и гидроксида магния соответствуют в сумме молярной массе синтетической модификации серпентина. В композицию дополнительно введены гомологи фуллеренов C_m, где m≥60, при следующем соотношении компонентов, мас.%: синтетическая модификация серпентина 70-90, гомологи фуллеренов С_m 10-30. Технический результат - снижение коэффициента трения до значений не выше 0,001, увеличение твердости до HRC 90-95, износоустойчивости и долговечности, обеспечение возможности реализации способа как при наличии масляной смазки, так и при отсутствии любых видов смазки.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модификации трущихся поверхностей кинематических пар.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь природного серпентинита дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-4 мас.%, RU 2006708.

Недостатком этого способа является низкое качество и недолговечность образуемого покрытия.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим, при этом в качестве такого вещества используют природный серпентинит, содержащий, мас.%:

MgO, CaO	20-60
SiO, Al2О3	20-60
H2O	3-10
Примеси пород	3-10

Предварительную механоактивацию производят пульсацией давления 0,1-1,0 МПа при 40-100°С, размещение смеси и приработку трущихся поверхностей осуществляют при температуре механоактивации, RU 2006707.

Недостатком этого способа является неравномерная толщина получаемого антифрикционного покрытия, его нестабильность и недолговечность, особенно в условиях повышенных механических и температурных воздействий, что не позвояет обеспечить высокую износостойкость трущихся поверхностей.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим, в качестве формирующего антифрикционное покрытие вещества используют композицию природных минералов, содержащую, мас.%: Mg₃Si₂O₅(OH)₄ - 10-60; MgFe₂O₄ - 10-60; MoS₂ - 1-20, сопутствующие редкоземельные элементы - 0,1-10, H₂O - не более 5; предварительную механоактивацию можно проводить с пульсацией давления 0,01-10 МПа при 100-200°С, RU 2160856.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Способ обеспечивает несколько лучшие свойства получаемого антифрикционного покрытия в сравнении с предыдущими аналогами благодаря исключению окиси кальция, которая нарушает процессы, связанные с обменом конституированной водой между гидроокислами магния и железа.

Однако способ-прототип не обеспечивает достаточно высокую стабильность и долговечность антифрикционного покрытия в широком диапазоне механических и температурных воздействий. Это не позволяет обеспечить необходимую твердость и износостойкость контактирующих трущихся поверхностей.

Это обусловлено тем, что в состав композиции, формирующей антифрикционное покрытие, входит природный серпентин, имеющий таблетчатую структуру, которая не обеспечивает в процессе модификации трущихся поверхностей достаточно низкий коэффициент трения. Как следствие, снижается износостойкость и долговечность антифрикционного покрытия.

Кроме того, в способе-прототипе в состав композиции входит магнезиоферрит MgFe₂O₄, который в природе в чистом виде не существует и встречается, как правило, в кристаллах в сростках с магнетитом в соотношении масс 1:1; при этом остаточная индукция магнетита превышает 1·10^-3 Тл, что приводит к неравномерному распределению магнитомягкой составляющей минеральной композиции и соответственно обусловливает неравномерность антифрикционного покрытия.

Также следует указать, что дисульфид молибдена MoS₂ совершенно не участвует в процессе образования антифрикционного покрытия; являясь избыточным и ненужным ингредиентом модифицирующей композиции, MoS₂ ухудшает регулярность кристаллической структуры покрытия; вследствие этого способ-прототип может быть реализован только при наличии масляной смазки трущихся поверхностей кинематических пар, которая компенсирует поверхностные дефекты кристаллической структуры антифрикционного покрытия. Наличие в композиции Н₂О (до 5 мас.%) существенно ухудшает качество покрытия, так как вода разрыхляет металлокерамический слой, а также обусловливает возникновение большого количества дефектных молекул функциональных групп на концах олигомеров.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения качества получаемого антифрикционного покрытия, а именно снижения коэффициента трения (до значений не выше 0,001); увеличения твердости до HRC 90-95, износоустойчивости и долговечности; обеспечения возможности реализации способа как при наличии масляной смазки, так и при отсутствии любых видов смазки.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающемся в том, что между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащую серпентин, в качестве серпентина используют его синтетическую модификацию, которую получают путем растворения в воде смеси α-кварца и гидроксида магния при температуре 120-170°С и давлении 1,2-15,0 атм с последующим образованием кристаллов, при этом в качестве затравки для образования кристаллов синтетической модификации серпентина используют хризотил, имеющий моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<а<7,3А°, 9,0<b<9,2A°, 7,0<с<7,3А°, углами В между положительными направлениями кристаллографических осей 90° или 93°, молярные массы α-кварца и гидроксида магния соответствуют в сумме молярной массе синтетической модификации серпентина, при этом в композицию дополнительно введены гомологи фуллеренов C_m, где m≥60, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Синтетическая модификация серпентина	70-90
Гомологи фуллеренов Cm	10-30

Использование синтетической модификации серпентина, повторяющего моноклинную сингонию затравки из природного материала - хризотила с координационными числами 5,0<а<5,3А°, 9,0<b<9,2A°, 7,0<с<7,3А°, углами β между положительными направлениями кристаллографических осей 90° или 93°, обеспечивает создание антифрикционного покрытия с поверхностью, близкой ювенильной. Это объясняется чрезвычайно высокой регулярностью кристаллической структуры синтетической модификации серпентина, близкой к монокристаллической, превышающей в несколько раз регулярность кристаллической структуры природного серпентина. В случае введения масляной смазки (в частности, минеральных, полусинтетических и синтетических масел) происходит отверждение реакционноспособных многофункциональных олигомеров в виде объемной сетчатой (псевдокристаллической) структуры, удерживающей смазку. В результате коэффициент трения не превышает 0,001. Гомологи фуллеренов C_m, где m≥60, выполняют роль функциональных групп на концах реакционноспособных олигомеров, что дополнительно повышает регулярность объемно-сетчатой псевдокристаллической структуры, так как гомологи фуллеренов в силу их активности, практически, мгновенно встраиваются в эту структуру при малейшей деструкции полимеров жидких и пластических смазочных материалов.

Формируемое согласно настоящему способу антифрикционное покрытие кинематических пар трущихся поверхностей позволяет также осуществить функционирование этих пар и без какой-либо смазки в широком диапазоне температур (от -200 до +800°С). Это объясняется тем, что полученная структура антифрикционного покрытия обладает чрезвычайно высоким уровнем энтальпии, а изменение энтропии структуры в указанном температурном диапазоне не превышает 1% как функция от давления и температуры при их начальных значениях 1 атм и 25°С.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличий на достигаемый результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».

Способ реализуют следующим образом.

Пример 1.

Размельченную минеральную композицию весом 10 г, содержащую, мас.%:

Синтетическая модификация серпентина	70
Гомолог фуллерена С60	30

подавали на стандартные пары трения при контактной нагрузке 20 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составила 150 об/мин, в течение 5 часов.

Были приняты меры рекупирующей подачи осыпающихся частиц композиции в область пятна трения образца и контртела.

Прирост массы 10,0·10^-3 г свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,001 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием, 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 70 раз.

Пример 2.

Размельченную минеральную композицию, содержащую, мас.%:

Синтетическая модификация серпентина	80
Гомолог фуллерена С70	20

внесли в индустриальное масло А40. Полученную суспензию ввели между образцом и контртелом машины 2070 СМТ-1 для проверки коэффициента трения и износостойкости.

В процессе проверки использовались стандартные пары трения из стали твердостью HRC 60-64 по ГОСТ 2789-73.

Полусекундная девиация контактной нагрузки составляла 20-200 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составляла 200 об/мин в течение 5 ч.

Прирост массы 11,2·10^-3 свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,0008 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием и 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 125 раз.

Пример 3.

Размельченную минеральную композицию весом 10 г, содержащую, мас.%:

Синтетическая модификация серпентина	90
Гомолог фуллерена С140	10

подавали на стандартные пары трения при контактной нагрузке 20 кгс, средняя угловая скорость вращающегося образца составила 150 об/мин, в течение 5 часов.

Были приняты меры рекупирующей подачи осыпающихся частиц композиции в область пятна трения образца и контртела.

Прирост массы 9,5·10^-3 г свидетельствует об образовании антифрикционного покрытия. При этом коэффициент трения составил 0,0009 для образца с образовавшимся антифрикционным покрытием, 0,07 - для контрольного образца без покрытия. Относительный износ в результате формирования антифрикционного покрытия уменьшился в 78 раз.

Благодаря реализации заявленного способа создается эффект «безызносного трения», при этом срок безаварийной эксплуатации машин и механизмов становится сравнимым со временем наступления усталостных разрушений.

Для реализации способа использованы распространенные породообразующие минералы и стандартное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащую серпентин, отличающийся тем, что в качестве серпентина используют его синтетическую модификацию, которую получают путем растворения в воде смеси α-кварца и гидроксида магния при температуре 120-170°С и давлении 1,2-15,0 атм с последующим образованием кристаллов, при этом в качестве затравки для образования кристаллов синтетической модификации серпентина используют хризотил, имеющий моноклинную сингонию с координационными числами 5,0<a<7,3А°, 9,0<b<9,2A° 7,0<с<7,3А°, углами β между положительными направлениями кристаллографических осей 90° или 93°, молярные массы α-кварца и гидроксида магния соответствуют в сумме молярной массе синтетической модификации серпентина, при этом в композицию дополнительно введены гомологи фуллеренов C_m, где m≥60, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Синтетическая модификация
серпентина	70-90
Гомологи фуллеренов Сm	10-30