Нанотехнологическая антифрикционная порошковая композиция (варианты), нанотехнологическая смазочная композиция и способ нанотехнологической смазки


 


Владельцы патента RU 2415176:

Давыдов Николай Александрович (RU)
Зуев Валерий Владимирович (RU)
Рейбанд Юрий Яковлевич (RU)

Использование: в узлах трения различных механизмов и агрегатов. Сущность: порошковая композиция содержит серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4 при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, вкрапленный магнетит 20-30, примеси не более 5. Также порошковая композиция содержит серпентин с вкрапленным магнетитом, магнезит MgCO3 и магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8 при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, магнетит 10-25, магнезит 5-15, магнезиально-железистый силикат 2-7. Серпентин содержится преимущественно в фазе лизардита IT, размер вкраплений магнетита - не более 50-300 нм. Смазочная композиция содержит 0,5-80 мас.% порошковых композиций в связующем. Способ смазки включает размещение между трущимися поверхностями порошковых композиций в связующем. Технический результат - сокращение времени образования сервовитной пленки без предварительной микрошлифовки, снижение трения, повышение износостойкости и ресурса трущихся поверхностей, сокращение расхода горюче-смазочных материалов и электроэнергии при функционировании машин и механизмов. 6 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области нанотрибологии, технике производства и использования нанотехнологических смазочных материалов и может найти применение в авиационной, судостроительной, металлообрабатывающей, металлургической, полиграфической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности для уменьшения износа и нанотехнологического восстановления повреждений трущихся поверхностей узлов трения простых и сложных механизмов и агрегатов, автомобильных и железнодорожных транспортных средств, объектов тяжелого машиноного и промышленного оборудования, например подъемных кранов, горнодобывающих комплексов, насосов газо- и нефтеперегонных установок, в парах трения металл-металл, металл-металлокерамика, металл-полимер (капрон, капролан, фторопласт), колесо-рельс, в гидравлических системах, в прецизионных механизмах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уменьшения износа узлов трения является актуальной задачей в связи со сложностью процессов взаимодействия трущихся поверхностей узлов трения в различных условиях эксплуатации, применением разных смазочных материалов и композиций, необходимостью учета многочисленных оказывающих воздействие на процессы трения факторов.

Одним из перспективных направлений в области трибологии смазочных материалов является использование для уменьшения износа узлов трения тонкодисперсных антифрикционных порошковых композиций, вводящихся в узлы трения в составе как жидких, так и густых смазок, что повышает однородность распределения компонентов, увеличивает поверхность их контакта и способствует восстановлению поврежденных поверхностей трения посредством формирования сервовитной пленки, для создания которой используют соединения на основе минеральных гидросиликатов магния, в основном - серпентенита, который используют в качестве минеральной модифицирующей добавки к смазочным материалам или минерального модификатора трения (ММТ).

Известен способ формирования сервовитной пленки на контактируемых и трущихся поверхностях, заключающийся в том, что для повышения механических свойств пленки, ресурса и надежности трущихся поверхностей между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь абразивоподобного вещества со связующим, при этом в качестве абразивоподобного порошка используют природный серпентинит дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-40 мас.% [1].

Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями элементов пары трения размещают предварительно активированную смесь абразивоподобного порошка в органическом связующем, после чего поверхности трения элементов прирабатывают, согласного которому используют активированную смесь, содержащую следующие ингредиенты, мас.%: природный серпентинит 0,5-40,0 (Печенговского месторождения), сера 0,1-5,0, ПАВ 1-40, органическое связующее - остальное, причем перед размещением активированной смеси между поверхностями трения элементов элемент пары трения с большей твердостью вводят в контакт с технологическим элементом с равной или большей твердостью, упомянутую активированную смесь сначала размещают между ними, при этом обрабатываемый элемент намагничивают и подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока, а технологический элемент к положительному полюсу, затем упомянутые поверхности трения прирабатывают, после чего технологический элемент заменяют элементом пары трения [2]

Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, включающий размещение между трущимися поверхностями состава из размельченного, предварительно механоактивированного абразивоподобного порошка и связующего, согласно которому для повышения износостойкости трущихся поверхностей в качестве абразивоподобного порошка используют природный серпентинит, содержащий, мас. %: MgO, СаО 20-60, SiO4Al2O3 20-60, H2O 3-10, примеси пород 3-10, а предварительную механоактивацию производят с пульсацией давления 0,1-1 МПа при 40-100°С, размещение смеси и приработку трущихся поверхностей осуществляют при температуре механоактивации [3].

Общим недостатком, ограничивающим и даже делающим невозможным практическое использование данных решений, является неопределенность минералогического и химического состава «природного серпентинита», поскольку известно, что серпентинит - горная порода, включающая в себя серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 в качестве базового элемента, составляющего не менее 50% от общего объема породы, и другие минералы, в частности тальк Mg3Si4O10(ОН)2, пирротин FeS, энстатит MgSiO3, фаялит (Fe0,94Mg0,06)2SiO4 и др., число которых может доходить до 100, без учета «следов» химических элементов. Кроме этого в различных серпентинитах серпентин содержится в различных фазах - антигорита, хризотила, лизордита и др.

Входящие в состав серпентинита примеси минералов и элементов, в частности, создают характерный окрас, поэтому только поделочных и облицовочных серпентинитов известны тысячи видов. Подавляющее большинство из природных серпентинитов непригодно для производства добавок к смазочным материалам из-за повышенного наличия абразивов, таких как SiO2 или других элементов, а также из-за несоответствующего элементного состава или структуры.

Таким образом, используя «природный серпентинит» неизвестного состава можно получить отрицательный результат и даже в отдельных случаях при применении «природного серпентинита» неизвестного состава на технически ответственных объектах обеспечить техногенную катастрофу.

Известно также, что для производства модифицирующих добавок в составе серпентинита необходимо присутствие минералов с общей химической формулой FexOy, как правило, это магнетит Fe3O4, реже - гематит Fe2O3. Однако свободный магнетит Fe3O4 - ярко выраженный абразив и его избыток приводит к резкому повышению абразивного износа.

В производстве большинства ММТ использует серпентиниты определенных известных месторождений, по которым известен состав входящих в них основных минералов и после дробления породы обычно по цвету отбирают наиболее подходящее сырье, имеющее часто, но не обязательно близкие параметры по химическому составу.

Как правило, в состав примесей серпентинита входят такие минералы, как оливин, амфиболы, пирексены, шпинели, тальк и другие. При этом большинство из указанных, находящихся в природных породах примесей минералов запатентовано как специальные добавки к серпентину для улучшения эффективности конечного продукта ММТ.

Известна антифрикционная тонкодисперсная композиция, содержащая, мас.%: 65-95 природного гидросиликата магния (антигорит, серпентин, серпентенит, тальк), 0,5-10,0 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа (MnO2, ZnO, CoO, Al2O3, CdO, GeO2) и 4,5-25 твердого раствора этих оксидов со структурой граната и/или шпинели (магнитоактивный компонент) [4].

Применение этой композиции в составе жидких и густых смазок в различных узлах трения показывает относительно высокую прочность образующейся на трущихся металлических поверхностях и обеспечивающей снижение износа и повышение срока службы узлов трения сервовитной пленки, но она формируется в течение длительного времени.

Известная антифрикционная тонкодисперсная порошковая композиция, включающая природный гидросиликат магния, оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и магнитоактивный компонент, в качестве оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа содержит смесь Al2O3, Cr2O3, TiO2 и ZrO2, а в качестве магнитоактивного компонента - твердый раствор ферромагнитной керамики с гексогональной структурой при следующем соотношении компонентов, мас.%: 75-92 природного гидросиликата магния, 3-7 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и 5-20 твердого раствора ферромагнитной керамики с гексагональной структурой - гексаферриты бария, стронция или бария и стронция, а именно: гексаферрит бария с химической формулой BaFe6O19; гексаферрит стронция с химической формулой SrFe6O19; гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba1-ySryFe6O19, где 0,1≤у≤0,9; замещенный гексаферрит бария с химической формулой BaFe6-xMexO19, где Me - по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Cu, а 0,1≤х≤0,5; замещенный гексаферрит стронция с химической формулой SrFe6-хМехО19, где Me - по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Cu, а 0,1≤х≤0,5; замещенный гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba1-ySryFe6-xMexO19, где Me - по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Cu, 0,1≤y≤0,9, а 0,1≤х≤0,5 [5].

Данная композиция обеспечивает сокращение времени формирования сервовитной пленки с сохранением высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения и расширение диапазона рабочих температур композиции, но обладающие абразивными свойствами фрагменты ферромагнитной керамики способствуют повышенному износу поверхностей трения.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату (прототипом для антифрикционных порошковых композиций) является антифрикционная порошковая композиция, содержащая, мас.%: 51-60 серпентина, 20-40 талька и 8-10 серы, пиротина, энстатита и фаялита, взятых в равных долях [6]. Данная композиция не обеспечивает высокой прочности и долговечности сцепления формирующейся сервовитной пленки с трущимися металлическими поверхностями узлов трения из-за различия коэффициентов линейного термического расширения данной пленки и материала трущихся поверхностей, а также из-за нестабильности структуры пленки при сравнительно невысоких температурах.

Известны твердосмазочные композиции для тяжелонагруженных узлов трения в виде смеси жидкого или густого связующего и абразивоподобных компонентов, которые применяют в подъемных кранах, оборудовании горнообогатительных комбинатов, в насосном оборудовании газо- и нефтепроводов, автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании судов и др. Твердосмазочные композиции по сравнению с другими типами смазок в большей степени обеспечивают в узлах трения теплоотвод и уменьшение трения и износа трущихся поверхностей.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому при использовании техническом результату (прототипом смазочной композиции) является смазочная композиция для ускоренного формирования сервовитной пленки триботехническим составом, включающия механоактивированно приготовленную смесь абразивоподобного порошка со связующим, в которой для повышения устойчивости сервовитной пленки в качестве абразивоподобного порошка используют состав, содержащий, мас.%: серпентин (Mg6-xAlx)(Si4-xAlx)O10(OH)8 при х=0,75 51-60, тальк Mg3Si4O10(ОН)2 20-40, серу S, пирротин FeS, энстатит MgSiO3, фаялит (Fe0.94Mg0,06)2SiO4 8-10 (взятые в равных долях), которую предварительно обрабатывают при непрерывном перемешивании сухим насыщенным паром в течение 20-25 мин при 110-115°С[6].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату (прототипом) является способ смазки путем формирования покрытия на трущихся поверхностях, по которому для создания покрытия на трущихся поверхностях состав из мелкодисперсной смеси минералов серпентина, энстатита и магнетита или их сочетания по меньшей мере с одним минералом, выбранным из амфибола, биотита, ильменита, пентландита, пирротина, талька, халькопирита или самородной серы, и связующего дисперсностью 0,01-1 мкм механоактивируют апериодическими колебаниями при соотношении в составе, мас. %: смесь минералов 3,3; связующее 96,7, затем состав размещают между трущимися поверхностями и прирабатывают. Ингредиентное содержание состава следующее, мас.%: MgO 20-35; SiO2 30-40; Fe2O3 10-15; FeO 4-6; Al2O3 3-8; S 2-6; сопутствующие примеси (Ti, V, Mn, Ni, Cr, Cu, K, Ca, Co) до 100 [7].

Научными исследованиями авторов заявляемого изобретения установлено, что наличие в смазочных композициях тонкодисперных абразивных минералов, которых большинство в составе примесей большинства природных серпентинитов, в частности в виде свободного магнетита, при использовании в смазках воздействуют на поверхности трения в качестве тонкого абразива, выполняя по сути функцию микрошлифовки. Такие вещества в случае определенной концентрации вызывают абразивный износ. Действительно указанный процесс микрошлифовки вначале уменьшает параметры шероховатостей поверхностей трения (значения Ra и Rz), приводит к первоначальному снижению трения (снижает значение Ктр), снижает энергопотребление, уменьшает шумы и вибрацию, но по истечении определенного времени приводит к резкому ухудшению трибологических параметров, а в дальнейшем даже к поломкам машин и механизмов.

Наличие абразивных составляющих, приводя к микрошлифовке поверхностей трения в случае оптимальной дозировки серпентинитовой добавки в смазочную систему, способно вызвать определенный положительный эффект, например увеличить ресурс подшипников качения до 30%, но в случае передозировки значительно сокращает их ресурс, вызывает заклинивание, способствует образованию задиров.

Как установлено авторами настоящего изобретения, наличие в трибосистеме абразивных минералов препятствует нанотриботехнологическому процессу образованию зеркал скольжения за счет физико-химических процессов терморазложения серпентина и магнетита, так как абразивные частицы просто удаляют наночастицы с поверхностей триботехнических систем.

Несмотря на заполнение впадин микронеровностей, материалы с абразивом не могут считаться нанотехнологическими, поскольку далеко не любой серпентенит в состоянии обеспечить образование наночастиц и на их основе формирование требуемых сервовитных пленок.

Обычно контроль качества подобных материалов и исходного сырья осуществляется путем получения проб порошков с дальнейшими испытаниями на машинах трения. Данная технология контроля проста по испытанию материалов на их соответствие техническим условиям в плане значений индекса задира и коэффициента трения, но общепринятая технология контроля является упрощенной, она не отражает качества всей партии сырья и у большинства производителей согласно исследованиям экспертов вообще отсутствует входной контроль, а выходной сводится только к гистограммам крупности частиц ММТ, то есть к определению распределения дисперсности части.

Общими недостатками известных решений (аналогов и прототипа) является неопределенность и нестабильность природного состава материалов композиций, обычное наличие крупноразмерных абразивных материалов, препятствующих тонкому размолу и получению мелкодисперсного порошка. При этом известные композиции отличаются практической непредсказуемостью положительных и отрицательных результатов применения, неоднородностью состава различных партий, недостаточной эффективностью, необходимостью специального предварительного обучения и обязательных пробных предварительных испытаний перед началом применения в лабораторных условиях.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Основная техническая проблема (цель изобретения) заключается в обеспечении ускоренного формирования нанотехнологической сервовитной пленки при сохранении высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - ускоренное формирование прочно связанной с трущимися поверхностями нанотехнологической сервовитной пленки без предварительной микрошлифовки, уменьшение износа элементов узлов трения, уменьшение коэффициента трения трущихся поверхностей, упрочение и повышение износостойкости и ресурса трущихся поверхностей, снижение вибрации и шума работы машин и механизмов, сокращение расхода горюче-смазочных материалов и электроэнергии при функционировании машин и механизмов, снижение тепловых зазоров и рабочих температур в зоне трения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигается тем, что нанотехнологическая антифрикционная порошковая композиция на основе серпентина согласно изобретению содержит серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4.

При этом композиция содержит серпентин преимущественно в фазе лизардита 1Т с размерами вкраплений магнетита не более 50-300 нм при соотношении, мас.%:

серпентин 65-75, преимущественно 70
вкрапленный магнетит 20-30, преимущественно 25
примеси не более 5

При этом композиция не должна содержать свободного магнетита или гематита и абразивных частиц примесей или добавок размером более 50-300 нм.

Кроме этого композиция содержит компоненты, измельченные до дисперсности 1-150 мкм, и в зависимости от назначения содержит следующие преимущественные фракции дисперсности, мкм:

для смазки гидравлики и прецизионных пар трения 1-7
для смазки двигателей внутреннего сгорания 2-10
для смазки подшипников скольжения 5-15
для смазки подшипников качения 5-25
для смазки редукторов 7-35
для смазки открытых зубчатых передач 10-50
для смазки канатно-цевковых зацеплений 15-70
для притирки зубчатых муфт 25-100
для смазки железнодорожных пар трения и автосцепок 25-150

При этом композиция имеет серый цвет и не содержит свободного магнетита или гематита и абразивных частиц примесей или добавок размером более 50-300 нм.

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения аналогичный технический результат достигается также тем, что нанотехнологическая антифрикционная порошковая композиция на основе серпентина, отличающаяся тем, что композиция, содержащая серпентин Mg6[Si4O10](ОН)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4, магнезит MgCO3 и магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8, содержит серпентин в преимущественной фазе лизардит 1Т с размерами вкраплений магнетита не более 50 - 300 нм при соотношении компонетов, мас.%:

серпентин 65-75, преимущественно 70
магнетит 10-25, преимущественно 15
магнезит 5-15, преимущественно 10
магнезиально-железистый силикат 2-7, преимущественно 5

Эта композиция содержит компоненты, измельченные до дисперсности 1-150 мкм в зависимости от назначения, следующих преимущественных фракций дисперсности, мкм:

для смазки гидравлики и прецизионных пар трения 1-7
для смазки двигателей внутреннего сгорания 2-10
для смазки подшипников скольжения 5-15
для смазки подшипников качения 5-25
для смазки редукторов 7-35
для смазки открытых зубчатых передач 10-50
для смазки канатно-цевковых зацеплений 15-70
для притирки зубчатых муфт 25-100
для смазки железнодорожных пар трения и автосцепок 25-150

Данная композиция имеет светло-серый цвет, идентифицируется качественной реакцией магнезита с соляной кислотой и не должна содержать свободного магнетита или гематита и абразивных частиц примесей или добавок размером более 50-300 нм.

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигается также тем, что нанотехнологическая антифрикционная смазочная композиция в виде суспензии порошкообразного минерала в связующем содержит указанные выше композиции при соотношении, мас.%:

серпентин с вкраплениями магнетита или серпентин с вкраплениями магнетита с добавками магнезита и магнезиально-железистого силиката 0,5-80
связующее остальное

При этом в зависимости от назначения смазочная композиция содержит серпентин с вкраплениями магнетита или серпентин с вкраплениями магнетита с добавками магнезита и магнезиально-железистого силиката в количестве, мас.%:

для смазок гидравлики и прецизионных пар трения 0,5-2
для смазок двигателей внутреннего сгорания 1-2
для смазок подшипников скольжения 1-3
для смазок подшипников качения 1-3
для смазок редукторов 1-3
для смазок открытых зубчатых передач 1-3
для смазок канатно-цевковых зацеплений 2-15
для притирки зубчатых муфт 2-10
для смазок железнодорожных пар трения и автосцепок 2-80

При этом смазочная композиция в качестве связующего содержит смазочное масло, например, моторное, трансмиссионное или индустриальное, компресисорное. гидравлическое; нефтяное масло, например жидкую смесь кипящих при 300-600°С углеводородов; синтетическое масло, например кремнийорганическую жидкость, эфиры фосфорной и адипиновой кислот или полиалкиленгликоль; пластинчатую смазку, например, марки Циатим, Литол 24 или «ШРУС»; солидол; нефтепродукты, например мазут, бензин, дизельное топливо; полиэфирные лаки или нитролаки; жировые и специальные смазки, например парафины или мастики.

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигается также тем, что согласно способу нанотехнологической смазки, включающему размещение между трущимися поверхностями смазочной композиции в виде суспензии порошкообразной композиции минерала в связующем, используют описанную выше смазочную композицию.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ И ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что для обеспечения оптимальных нанотриботехнологических процессов целесообразно использовать поршкообразную композицию серпентина Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4 или смесь серпентина Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4 с магнезитом MgCO3 и магнезиально-железистого силиката (MgFe)7[Si4O10](OH)8.

Преимущественным является использование серпентина Mg6[Si4O10](OH)8 в преимущественной фазе лизардита 1Т, измельченного до размерности 1-150 мкм и с включениями магнетита Fe3O4 размерностью не более 50-300 нм, причем магнетита в общей массе частиц серпентина должно быть не менее 20% и не более 28%, а свободный магнетит или гематит, а также все виды абразивных добавок в измельченном порошке должны отсутствовать.

В композиции должны так же отсутствовать модификаторы трения не предотвращающие, но стимулирующие водородное охрупчивание, например, такие как тальк.

Учитывая практическую сложность обеспечения 100%-ного наличия в породе серпентина с фазой лизардита 1Т с микровключениями магнетита Fe3O4 размерностью не более 50-300 нм, в качестве аналогичного по достигаемому техническому результату предлагается в композиции по изобретению использовать также безабразивные минеральные добавки, способствующие нанотехнологическому процессу образования зеркал скольжения, а именно магнезит MgCO3, который являясь модификатором трения имеет высокую энергоплотность ~97 кДж/см3 и способствует катализу нанотехнологических процессов, а также магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8, который подобно серпентину способствует нанотриботехнологическим процессам.

Контроль композиции по изобретению можно проводить известными методами, в частности посредством ренгенофазного анализа, а также микроскопа, поскольку цвет композиции должен быть светло-серый - намного светлей, чем серый цвет у других известных композиций на основе серпентина. Кроме того, порошок из-за наличия магнезита MgCO3 будет реагировать с соляной кислотой.

В таблице показаны преимущества обеспечиваемого изобретением нанотриботехнологического процесса по сравнению с обычными трибологическим процессом микрошлифовки.

Контролируемые параметры Триботехнологические процессы
Микрошлифовка по известным технологиям Нанотехнологические процессы по изобретению
Уменьшение шероховатости поверхности До уровня тонкой шлифовки До уровня полировки гладкого зеркала
Снижение трения по сравнению с изначальным до применения добавок в смазки До 10 раз До 40-80 раз
Увеличение ресурса подшипниковых узлов Максимум 30% Не менее 100%
Передозировка Опасность 30% передозировки в плане износа и поломки машин и механизмов. Возможна 3-5-кратная передозировка без последствий
Экономия энергоносителей 4-10% на работающем оборудовании 2-7% на новом оборудовании, 5-15% на работающем оборудовании

Достижение полученных технических результатов можно объяснить следующим.

Присутствие в составе предлагаемой композиции серпентина с фазой лизардита 1Т с микровключениями магнетита Fe3O4 размерностью не более 50-300 нм обеспечивает эффективное протекание нанотриботехнологических процессов, в частности термонанораспад минералов с образованием более высокоэнергоплотных структур по сравнению с исходными, что и приводит к упрочению поверхности трения и формированию единой устойчивой к истиранию сервовитной пленки с включением в ее структуру молекул SiO2. Это подтверждено авторами в результате поведенных в институте Механобр исследований.

Присутствие в составе предлагаемой композиции магнетита Fe3O4 в виде микровключений в серпентине размерностью не более 50-300 нм обеспечивает минимально возможное проявление вредных для нанотехнологических процессов абразивных свойств кристаллов магнетита.

Присутствие в составе предлагаемой композиции магнезита обеспечивает катализ нанореакций и усиливает межатомные связи в процессе термораспада и синтеза наноструктур.

Магнезиально-железистый силикат по действию и свойствам близок к серпентину с фазой лизардита 1Т и также имеет микровключения магнетита, а наличие реакционноспособного железа способствует восстановлению поверхностей трения и заполнению в нем дефектов.

Жидкое или вязкое связующее в смазочной композиции служит средством для транспортировки порошкообразной смеси на трущиеся поверхности в закрытые системы.

Заявленные композиции на основе серпентина и серпентина с указанными добавками обусловливают протекание в зоне трения нанотриботогических топохимических реакций, обеспечивающих формирование прочно связанной с основой сервовитной пленки, уменьшающей износ элементов узла трения, уменьшающей коэффициент трения трущихся поверхностей, повышающей износостойкость и антикоррозионную устойчивость трущихся поверхностей.

Содержание в предлагаемой композиции серпентина в количестве менее 65 мас.% снижает эффективности применения композиции и требует более длительной приработки для выравнивания микрорельефа.

Увеличение содержания серпентина свыше 75% также снижает эффективности применения композиции.

Превышение верхнего предела содержания магнетита 25 мас.% уменьшает долговечность сервовитной пленки, а при недостатке содержания этого магнетита (менее 10 мас.%) затрудняется протекание нанотопохимических реакций и образование сервовитной пленки.

Содержания магнезита и магнезиально-железистого силиката определяются абразивными свойствами этих материалов. Превышение их концентрации может вызвать снижение эффективности применения композиции.

Ниже приведен пример получения предлагаемых порошковых и смазочных композиций и их характеристики в сравнении с известными композициями.

По стандартной технологии (смешивание, помол, дробление и истирание исходных сырьевых компонентов) получали порошки с дисперсностью до 300 мкм.

Порошки измельчали в шаровой мельнице до размера частиц 5-40 мкм. Полученные порошки в требуемой пропорции смешивали в аттриторе.

Полученная таким образом порошковая композиция с средним преимущественным размером частиц 15 мкм была введена в составе трансмиссионного масла ТМ3-18 (масло 93 мас.%, порошковая композиция 2 мас.%) в подшипник качения 202. Прочная сервовитная пленка образовалась на трущихся поверхностях подшипников после 36 часов их непрерывной эксплуатации.

Аналогичным способом были изготовлены и испытаны другие порошковые композиции.

Данные результаты испытаний в сравнении с аналогами приведены в таблице.

Из таблицы видно, что предлагаемая композиция имеет преимущества перед известными композициями.

Наряду с исследованиями времени образования сервовитной пленки на подшипниках было исследовано влияние предлагаемой и известных композиций на долговечность подшипников.

Испытания проводились в соответствии с "Методикой форсированных испытаний подшипников качения на долговечность" (ведомственная нормаль М37.006.022-75). Оценивались средний ресурс, 90% и 50% ресурсы и уровень вибрации. Объем выборки: 18 подшипников в каждой серии испытаний. Результаты испытаний позволили сделать следующее заключение.

Введение антифрикционных порошковых композиций по заявляемому изобретению в масло ТМ3-18 по сравнению с известным решениями обеспечивает увеличение долговечности подшипников качения в 1,5-2 раза по сравнению с работой на чистом масле и снижение уровня вибраций в 2,0-2,1 раза.

Таким образом, предлагаемые антифрикционные порошковые и смазочные композиции по сравнению с известными композициями обеспечивают сокращение в 1,2-1,5 раза времени образования сервовитной пленки, снижение себестоимости получения и более широкий интервал рабочих температур при сохранении высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения.

Изобретение позволяет получать эффект «аномально низкого трения», когда вследствие изменения шероховатости поверхности момент трения уменьшается в 20 и более раз, микротвердость поверхностей НУ=650-720 с повышенной устойчивостью к истиранию и тепловому расширению.

Испытания изобретения показали возможность увеличения ресурса:

подшипников качения - в 1,9-2,4 раза;

узлов типа «палец-втулка» - свыше 1,5 раз;

ДВС, в т.ч. силовых дизельных установок - свыше 1,5 раза;

компрессоров - более чем на 50%;

редукторов - более чем на 50%;

гидравлических агрегатов - более чем на 50%.

Показано увеличение межремонтного ресурс узлов и деталей, что позволяет сократить простои и получить экономию на запасных частях и регламентных работах, что практически увеличило межремонтный пробег подвижного состава скоростных поездов «Аврора» и «Невский экспресс».

У машин и оборудования, находящихся в длительной эксплуатации, отдельные узлы сильно изношены, изобретение позволяет существенно снизить момент трения, обеспечить резкое сокращение потребления энергии, в частности, на дизелях и дизельных установках - 3-12%; на бензиновых двигателях - 5-10%; на сверхсложных машинах (например, печатных машинах большого формата) и конвейерных линиях - от 7% до 30% и более; на энергоустановках - 4-14%.

Образуемая при использовании композиций по изобретению антифрикционная пленка способна компенсировать износ металла в пределах 0,02-0,03 мм.

За счет уменьшения шероховатости трущихся поверхностей снижается температура масла и, как следствие, уменьшаются тепловые зазоры. На отдельных видах машин снижение температуры масла может составлять до 7-8°С. Такой фактор позволяет восстанавливать компрессию в цилиндрах двигателей, например, с 9 до 27 кг/см2.

Использование изобретение позволяет также значительно снизить такие показатели вибрации, как виброскорость, виброускорение и вибросмещение. В зависимости от конструкции и износа машины или механизма снижение этих показателей может достигать значительных величин: от 15% до 80% в абсолютных показателях и до 5 раз в относительных. Соответственно падает и уровень шума, общее его снижение может доходить до 2,5-3 дБ.

Главной особенностью получаемых по изобретению композиций на обычном оборудовании и по обычным технологиям обработки минералов является стабильность состава, оптимальное распределение частиц по крупности, отсутствие абразивных составляющих.

При реализации изобретения обеспечивается ускоренное формирование прочно связанной с трущимися поверхностями нанотехнологической сервовитной пленки, уменьшается износ элементов узлов трения, уменьшается коэффициент трения трущихся поверхностей, повышается износостойкость и ресурс трущихся поверхностей, снижается вибрация и шум машин и механизмов, сокращается расход горюче-смазочных материалов и электроэнергии при функционировании машин и механизмов.

Подробное описание состава предлагаемых порошковых и смазочных композиций, способов их получения и результатов их применения показывает, что заявляемое изобретение является не только новым и обладающим изобретательским уровнем, но и может быть реализовано промышленным способом с использованием доступных компонентов, стандартных технологий и оборудования.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. RU 2006708, МПК F16C 33/14, опубл. 30.01.1994.

2. RU 2059121, МПК F16C 33/14, опубл. 24.04.1994.

3. RU 2006707, МПК F16C 33/14, опубл. 30.01.1994.

4. RU 2127299, МПК С10М 125/10, опубл. 10.03.1999.

5. RU 2185422, МПК С10М 125/10, опубл. 20.07.2002.

6. RU 2035636, МПК F16C 33/14, опубл. 20.05.1995 (прототип).

7. RU 2057257, МПК F16C 33/14, опубл. 27.03.1996 (прототип).

1. Антифрикционная порошковая композиция на основе серпентина, отличающаяся тем, что композиция содержит серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4 при соотношении, мас.%:

серпентин 65-75
вкрапленный магнетит 20-30
примеси не более 5

2. Антифрикционная порошковая композиция по п.1, отличающаяся тем, что композиция содержит серпентин в фазе лизардита IT.

3. Антифрикционная порошковая композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержит серпентин с вкраплениями магнетита размером не более 50-300 нм.

4. Антифрикционная порошковая композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержит компоненты, измельченные до дисперсности 1-150 мкм.

5. Антифрикционная порошковая композиция по п.1, отличающаяся тем, что имеет серый цвет.

6. Антифрикционная порошковая композиция на основе серпентина, отличающаяся тем, что композиция содержит серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4, магнезит MgCO3 и магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8 при соотношении, мас.%:

серпентин 65-75
магнетит 10-25
магнезит 5-15
магнезиально-железистый силикат 2-7

7. Антифрикционная порошковая композиция по п.6, отличающаяся тем, что содержит серпентин в фазе лизардита IT.

8. Антифрикционная порошковая композиция по п.6, отличающаяся тем, что содержит серпентин с вкраплениями магнетита размером не более 50-300 нм.

9. Антифрикционная порошковая композиция по п.6, отличающаяся тем, что содержит компоненты, измельченные до дисперсности 1-150 мкм.

10. Антифрикционная порошковая композиция по п.6, отличающаяся тем, что имеет светлосерый цвет.

11. Антифрикционная порошковая композиция по п.6, отличающаяся тем, что идентифицируется качественной реакцией магнезита с соляной кислотой.

12. Антифрикционная смазочная композиция в виде суспензии порошкообразного минерала в связующем, отличающаяся тем, что содержит порошкообразный серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкраплениями магнетита Fe3O4 при соотношении, мас.%:

серпентин с вкраплениями магнетита 0,5-80
связующее остальное

13. Антифрикционная смазочная композиция по п.12, отличающаяся тем, что в качестве связующего содержит:
смазочное масло, например, моторное, трансмиссионное или индустриальное, компрессорное, гидравлическое;
нефтяное масло, например, жидкую смесь кипящих при tкип 300-600°С углеводородов;
синтетическое масло, например, кремнийорганическую жидкость, эфиры фосфорной и адипиновой кислот или полиалкиленгликоль;
пластичную смазку, например, марки Циатим, Литол 24 или «ШРУС»;
солидол;
нефтепродукты, например, мазут, бензин, дизельное топливо;
полиэфирные или нитро- лаки;
жировые и специальные смазки, например парафины или мастики.

14. Антифрикционная порошковая композиция по п.12, отличающаяся тем, что суспензия порошкообразного минерала в связующем содержит композицию порошкообразного серпентина с вкраплениями магнетита по любому из пп.1-5.

15. Антифрикционная порошковая композиция в виде суспензии порошкообразного минерала в связующем, отличающаяся тем, что содержит порошкообразный серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкраплениями магнетита Fe3O4, магнезит MgCO3 и магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8 при соотношении, мас.%:

серпентин с вкраплениями магнетита,
магнезит и магнезиально-железистый силикат 0,5-80
связующее остальное

16. Антифрикционная порошковая композиция по п.15, отличающаяся тем, что в качестве связующего содержит:
смазочное масло, например, моторное, трансмиссионное или индустриальное, компрессорное, гидравлическое;
нефтяное масло, например, жидкую смесь кипящих при tкип 300-600°С углеводородов;
синтетическое масло, например, кремнийорганическую жидкость, эфиры фосфорной и адипиновой кислот или полиалкиленгликоль;
пластичную смазку, например, марки Циатим, Литол 24 или «ШРУС»;
солидол;
нефтепродукты, например, мазут, бензин, дизельное топливо;
полиэфирные или нитро- лаки;
жировые и специальные смазки, например, парафины или мастики.

17. Антифрикционная порошковая композиция по п.15, отличающаяся тем, что порошкообразный серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкраплениями магнетита Fe3O4, магнезит MgCO3 и магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8 в виде композиции по любому из пп.6-11.

18. Способ смазки, включающий размещение между трущимися поверхностями антифрикционной композиции в виде суспензии порошкообразной композиции минерала в связующем, отличающийся тем, что используют суспензию в связующем порошкообразного серпентина Mg6[Si4O10](OH)8 с вкраплениями магнетита Fe3O4 при соотношении, мас.%:

серпентин с вкраплениями магнетита 0,5-80
связующее остальное

19. Способ смазки по п.18, отличающийся тем, что используют смазочную композицию по любому из пп.12-14.

20. Способ смазки, включающий размещение между трущимися поверхностями антифрикционной композиции в виде суспензии порошкообразной композиции минерала в связующем, отличающийся тем, что используют суспензию порошкообразного серпентина Mg6[Si4O10](OH)8 с вкраплениями магнетита Fe3O4 с добавками магнезита MgCO3 и магнезиально-железистого силиката (MgFe)7[Si4O10](OH)8 в связующем при соотношении, мас.%:

серпентин с вкраплениями магнетита
магнезит и магнезиально-железистый силикат 0,5-80
связующее остальное

21. Способ смазки по п.20, отличающийся тем, что используют смазочную композицию по любому из пп.15-17.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к составам для обработки узлов трения металлических поверхностей, а именно к антифрикционному смазочному материалу, и может быть использовано для смазки трущихся поверхностей узлов трения любых машин и механизмов с целью создания стойкого износоустойчивого покрытия металлокерамики на их трущихся поверхностях.

Изобретение относится к области смазочных средств, в частности к водорастворимому смазочному средству для обработки цепных ленточных транспортеров, и может быть использовано в пищевой промышленности при розливе соков, вина, пива, воды и др.
Изобретение относится к средствам, обеспечивающим осуществление технологического процесса машиностроительного производства, в частности процессов металлообработки с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей, и может найти применение при создании смазочно-охлаждающих жидкостей.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу получения нанодисперсного противоизносного состава, используемого в смазочном материале для узлов трения как из сплавов на основе железа, так и цветных металлов.
Изобретение относится к металлоплакирующим составам, применяемым в качестве добавок к моторным, трансмиссионным и индустриальным маслам для снижения и устранения износа трущихся металлических поверхностей, преимущественно для герметичных пар трения, например, деталей автомобильных двигателей, коробок передач и других пар трения.
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам сухих технологических смазок для холодного волочения передельной сварочной проволоки тонких диаметров, предназначенной для омеднения, и может быть использовано в метизном производстве.
Изобретение относится к смазочным композициям и способам получения смазочных композиций, которые возможно использовать для смазывания тяжело нагруженных узлов трения различных механизмов, в частности тихоходных ступеней редукторов с большим крутящим моментом, в тяжелонагруженных зубчатых зацеплениях открытого типа, цепных передачах, которые распространены в горно-обогатительных комбинатах, в портах и грузоподъемных механизмах промышленных предприятий, в гребнях колес локомотивов и подвижного состава, при смазывании рельсов кривых путей на железнодорожном транспорте для снижения износа рельсовых путей, канатов подвесных дорог и фуникулеров.

Изобретение относится к составам смазочно-охлаждающих жидкостей, используемых при обработке металлов резанием. .

Изобретение относится к способу получения противоизносного состава и составу, применяемому для снижения трения и защиты поверхностей от износа. .

Изобретение относится к области создания смазочных составов, используемых в железнодорожном транспорте для снижения износа рельсовых путей, гребней колес локомотивов, а также в качестве защитных средств для узлов качения колесных и гусеничных транспортных средств, механизмов различного назначения и других целей.

Изобретение относится к технологии получения смазочных материалов, в частности к антифрикционным суспензиям, которые могут быть использованы при производстве консистентных смазок, предназначенных для высоконагруженных узлов трения машин и механизмов, а также при приработке новых деталей в узлах трения и при ремонтно-восстановительных операциях.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к модификаторам трения, используемым для нанесения на бандажи колес железнодорожного подвижного состава.
Изобретение относится к высокотемпературным твердосмазочным составам, применяемым в узлах трения при температурах трения до 400°С на воздухе, и способам их получения.
Изобретение относится к высокотемпературным твердосмазочным составам, применяемым в узлах трения при температурах трения до 400°С на воздухе, и способам их получения.
Изобретение относится к области технологий смазки поверхностей трения и может быть использовано для снижения износа систем «колесо-рельс» железнодорожного транспорта и грузоподъемных механизмов.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модификации трущихся поверхностей кинематических пар. .

Изобретение относится к смазочным веществам, в частности, для горячей прокатки труб на непрерывном прокатном стане с удерживаемой оправкой. .

Изобретение относится к смазочным веществам, в частности для горячей обработки металлов давлением, например для горячего прессования труб из углеродистых сталей и нержавеющих сталей и сплавов.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в машиностроении для изготовления смазочных материалов
Наверх