Способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях
METHOD OF OBTAINING ANTIFRICTION COATING ON CONTACTING FRICTION SURFACES

Изобретение относится к смазочным композициям и может быть использовано в машиностроении для обработки пар трения, а также при эксплуатации механизмов и машин для продления межремонтного ресурса или во время ремонтно-восстановительных работ.
Известен способ получения состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, представляющий собой смесь вспученного вермикулита, полимагнийфенилсилоксана и углеводородного связующего. Полимагнийфенилсилоксан используется для модифицирования поверхности вермикулита, при этом антифрикционную композицию получают путем смешивания упомянутых смеси и связующего в гидродинамическом кавитационном диспергаторе с получением дисперсных твердых частиц крупностью меньше 1 мкм, а антифрикционное покрытие получают при трении контактирующих поверхностей (см. RU 2559077, МПК C23C 26/00, B23P 6/00, 2015).
Недостаток этого решения – существенная абразивность компонентов материала, входящих в состав вермикулита, что ограничивает применение данного состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей до случаев обработки поверхностей, имеющих задиры, нагартовки на черных металлах (в пределах допуска).
Известен также способ получения антифрикционного покрытия контактирующих трущихся поверхностей, заключающийся в размещении между ними антифрикционной композиции, модифицирующей контактирующие трущиеся поверхности, содержащей смешанную с углеводородным связующим, смесь природных дисперсных серпентинсодержащего материала и вспученного вермикулита (см. RU 2361015, МПК C23C 26/00, B23P 6/00, 2008).
Недостаток этого решения – недостаточно высокие триботехнические характеристики антифрикционной композиции, необходимость использования в составе смеси достаточно дефицитного компонента – чистого серпентинсодержащего минерала (распространенного далеко не во всех регионах страны). Кроме того, авторы изобретения не приводят каких-либо данных определения триботехнических свойств композиции по принятым методикам, что не позволяет сопоставить характеристики известного материала с аналогичными характеристиками других композиций сходного назначения.
Известен способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях, включающий размещение между контактирующими трущимися поверхностями антифрикционной композиции, содержащей вермикулит, модифицированный хитозаном, и углеводородное связующее, при этом антифрикционную композицию подвергают гидродинамической кавитационной диспергации с частотой около 200 Гц предпочтительно не менее 30 мин, с получением дисперсных твердых частиц крупностью меньше 1 мкм (см. RU 2487192, МПК C23C 26/00, 2013).
Недостаток этого решения - существенная абразивность вермикулита, что ограничивает применение данного состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, имеющих задиры.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение триботехнических характеристик антифрикционной композиции.
2
3
2
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи изобретения, выражается в снижении фрикционных качеств композиции за счет удаления значительной части абразивных элементов, таких как AlO, TiO и др. При этом обеспечивается возможность изменения структуры вермикулита при использовании недорогого и широко распространенного вермикулита. Кроме того, обеспечивается возможность плакирования частиц модифицированного вермикулита при использовании полифенилсилоксана. При этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие. Благодаря этому повышаются стабильность, прочность и долговечность антифрикционного покрытия.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях, включающий размещение между контактирующими трущимися поверхностями антифрикционной композиции, содержащей модифицированный вермикулит и углеводородное связующее, при этом антифрикционную композицию подвергают гидродинамической кавитационной диспергации с частотой около 200 Гц предпочтительно не менее 30 мин, с получением дисперсных твердых частиц крупностью меньше 1 мкм, отличается тем, что в процессе модификации вермикулит обрабатывают раствором 6-12% соляной кислоты, из расчета 10-15 мл 6-12% соляной кислоты на 1 г вермикулита, после чего сухой вермикулит крупностью 5-20 нм вводят в раствор полифенилсилоксана в толуоле, содержащего 1 г полифенилсилоксана на 5 мл толуола, после чего суспензию с помешиванием доводят до кипения и кипятят 1час, после чего суспензию фильтруют, осадок сушат при температуре 105ºС и прокаливают 1 час при температуре 600-700ºС.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак, указывающий, что «в процессе модификации вермикулит обрабатывают раствором 6-12% соляной кислоты, из расчета 10-15 мл 6-12% соляной кислоты на 1 г вермикулита» позволяет уменьшить как количество абразивных элементов, так и размер частиц на два порядка.
Признаки, указывающие, что «сухой вермикулит крупностью 5-20 нм вводят в раствор полифенилсилоксана в толуоле, содержащего 1 г полифенилсилоксана на 5 мл толуола, после чего суспензию с помешиванием доводят до кипения и кипятят 1 час, после чего суспензию фильтруют, осадок сушат при температуре 105ºС» приводит к изменению природы поверхности за счет появления на ней фенильных радикалов и эксфолиации кристаллов.
Прокаливание в течение «1 час при температуре 600-700ºС» приводит к тому, что на поверхности практически отсутствует адсорбированная вода.
Заявленный способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана морфология поверхности исходного вермикулита; на фиг. 2 – морфология поверхности вермикулита, обработанного кислотой; фиг. 3 – дифрактограмма исходного вермикулита; фиг.4 – дифрактограмма вермикулита после модификации соляной кислотой; на фиг. 5 – дифрактограмма вермикулит +9% ПФС (после прокаливания).
Способ осуществляют следующим образом.
6
5
1.5
Вермикулит обрабатывают раствором 6 - 12% соляной кислоты (на 1 г вермикулита 10-15 мл 6-12% соляной кислоты). Затем вермикулит (10 г) помещают в круглодонную колбу, снабженную мешалкой и обратным холодильником, приливают 50 мл раствора толуола, содержащего 1 г полифенилсилоксана (брутто-формула: [CHSiO]). Суспензию кипятят в течение 1 часа. Раствор с суспензией фильтруют, осадок на фильтре сушат на воздухе и в шкафу при температуре 105°С и прокаливают в течение 1 часа при температуре 600-700ºС».
Выход продукта составил 10,9 г. Содержание углерода равно 5,23 %. После прокаливания в течение 1 часа при температуре 600-700ºС содержание углерода составило 2,3%.
Количество кремния после обработки вермикулита кислотой увеличивается за счет значительного снижения содержания магния, алюминия и железа (табл. 1), а также частично из-за высокого значения pH, равного 10.
Таблица 1
Элементный состав композитов на основе вермикулита
№
Образец
Содержание элементов, %
SiO<sub>2</sub>
MgO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
С
Следы
1
Исходный вермикулит
44.65
29.76
15.14
5.7
7.85
0.78
-
0.580
2
Вермикулит + 12% HCl
89.26
6.72
3.64
1.0
0.34
0.17
-
0.017
Исходный вермикулит после механической активации (фиг.1) имеет плотную кристаллическую поверхность гидрослюды и размер частиц примерно 5 мкм. После обработки кислотой размеры частиц уменьшаются до 6-10 нм (фиг.2). Таким образом, модифицирование вермикулита кислотой позволяет уменьшить как количество абразивных элементов, так и размер частиц на два порядка.
Вермикулит имеет слоистую структуру, причем размер «галереи» [1] равен 14.3 Å-9.2 Å = 5.1 Å. При обработке кислотой происходит увеличение размера «галереи» за счет извлечения ионов алюминия, железа и магния. Увеличение размера «галереи» за счет расширяющейся решетки позволяет вводить полимерную молекулу полифенилсилоксана (ПФС), толщина которой равна 4.6-4.8 Å, согласно данным рентгенофазового анализа (РФА) и позитронно-аннигиляционной спектроскопии [2], а структуры их во многом близки по природе. Это также подтверждается данными РФА-спектроскопии (фиг. 3-5). При введении в «галерею» ПФС происходит эксфолиация вермикулита, что подтверждается данными РФА-спектроскопии (фиг.3-5).
При модификации вермикулита в растворе происходит образование покрытия молекулярного характера в связи с близостью физико-химических характеристик ПФС и силиката.
После модифицирования вермикулита полифенилсилоксаном в РФА-спектре (фиг. 4 и фиг.5) исчезает отражение (14.3 Å), которое имеется в исходном вермикулите.
Таким образом, модификация вермикулита ПФС приводит к изменению природы поверхности за счет появления на ней фенильных радикалов и эксфолиации кристаллов. Прокаливание приводит к тому, что на поверхности практически отсутствует адсорбированная вода.
Модифицированный вермикулит вводят в дизельное топливо из расчета 220-300 г смеси на литр и подвергают гидродинамической кавитационной диспергации с частотой около 200 Гц предпочтительно не менее 30 минут, которые определяют режимные параметры способа, обеспечивающие получение антифрикционной композиции.
Модифицирование поверхности вращающегося образца проводили фрикционно-механическим методом при нагрузке 400 Н в течение 1 мин. Толщина модифицированного слоя достигает 1 мкм.
Нагрузку при формировании покрытия и трибоиспытаниях изменяли в соответствии с режимами, приведенными в табл. 2. Время получения покрытия и трибоиспытаний каждой пары трения составляло 1 час.
Таблица 2
Режимы получения покрытия триботехнических испытаний
Нагрузка, Н
100
200
400
Время получения покрытия, мин
5
10
45
Время трибоиспытаний, мин
5
10
45
Исследования триботехнических свойств покрытий проводили на универсальной машине трения модели УМТВК производства АО «АвтоВАЗ» по схеме «ролик – колодка» при постоянной скорости скольжения 0,63 м/с. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали 40Х твердостью 230 НВ в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм. Перед проведением испытаний образцы полировали до Ra=0,32мкм.
В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из вкладышей судовых среднеоборотных дизелей типа «Rillenlager» («Miba» 33). Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5–6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки М-14-Д2(цл 30) ГОСТ 12337-84.
В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях установлено (табл. 3), что модифицирование стали композитом вермикулит + HCl + ПФС + ТО (ТО - термообработка (прокаливание) при температуре 600-700ºС в течение 1 часа) существенно снижает скорость изнашивания стали при нанесении покрытия и в процессе триботехнических испытаний, а также коэффициент трения по сравнению с упрочнением составом вермикулит + полимагнийфенилсилоксан, несколько меньший эффект достигается при использовании состава вермикулит + HCl + ПФС без последующей термообработки
Скорость изнашивания антифрикционного покрытия вкладыша также ниже при использовании вермикулита, модифицированного кислотой и ПФС.
Исследование полученного металлокерамического покрытия при упрочнении композитом вермикулит + HCl + ПФС + ТО с помощью рентгено-электронной спектроскопии позволило установить состав тонкопленочного покрытия (в атомных процентах): C = 48,3; O = 30,3; Fe = 13,8; Al = 3,3; Si = 3,2; Ca = 1,1.
Таблица 3
Скорости изнашивания стали 40Х на различных этапах получения покрытия, деталей сопряжения в процессе трибоиспытаний и материалах для получения покрытия
№п/п
Триботехнический материал для получения покрытия
Скорость изнашивания стали, мг/ч
Скорость изнашивания вкладыша, мг/ч
Коэффициент тренияпри максимальнойнагрузке
при нанесении триботех-нического материала
при формиро-вании покрытия
в процессе трибоиспытаний
1
Вермикулит + полимагнийфенилсилоксан
60
0,1
0,4
2,2
0,022
2
Вермикулит + HCl + 9% ПФС
16
1,4
0,6
1,2
0,014
3
Вермикулит + HCl + 9% ПФС + ТО
8
1,4
0,1
1,9
0,007
Литература
1. S.Sinha Ray, M. Bousmina. Biodegradable polymers and their layered silicate nanocomposites // Progress in Materials Science. – 2005.–V.50.– P.962–1079.
29
2. Н.П. Шапкин, Ю.Н. Кульчин, В.И. Разов и др. / Исследование поливинилполифенилсилсесквиоксанов методами рентгеновской дифрактометрии, позитронной диагностики, спектроскопии ЯМР Si и изучение пленок на их основе // Изв. АН РФ. Сер. Химия. – 2011.– № 8.– С.1614–1620.