Твердосмазочная композиция для формирования металлокерамического покрытия в узлах трения
SOLID LUBRICATING COMPOSITION FOR FORMATION OF METAL-CERAMIC COATING IN FRICTION UNITS

Изобретение относится к составам для обработки металлических поверхностей узлов трения различных механизмов машин и оборудования хозяйственного и военного назначения, в частности для формирования на поверхностях трения износостойкого металлокерамического покрытия с высокими триботехническими характеристиками, и может быть использовано для поверхностного упрочнения и восстановления поверхностей в узлах трения, подверженных износу в условиях трения, высоких температур и давления.
Известна твердосмазочная композиция для металлических поверхностей узлов трения, содержащая связующее и порошкообразную смесь, состоящую из абразивоподобного компонента на основе природного гидросиликата магния, оксидов металлов, имеющих меньшее сродство к кислороду, чем железо, а также магнитного твердого раствора этих оксидов со структурой шпинели и/или граната при следующем соотношении компонентов, мас. %: природный гидросиликат магния 65,0-95,0, оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду, относительно железа (в равных количествах) 0,5-10,0, твердый раствор этих оксидов со структурой шпинели и/или граната 4,5-25,0. В качестве оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду, чем железо, композиция преимущественно содержит оксиды марганца, цинка, кобальта, алюминия, кадмия, германия (RU, №2127299 С1, МПК С10М 125/10 (1995.01), опубл. 10.03.1999 г.).
При использовании известной твердосмазочной композиции формируется покрытие, состоящее в основном из абразивных компонентов в слабовыраженной структуре металлической матрицы, что снижает его релаксирующую способность и приводит к образованию зон концентраций напряжений и неравномерному распределению действующей нагрузки. При этом, наличие в известной композиции низкого содержания металлов, обладающих легирующими свойствами, в условиях трения, высоких температур и давления приводит к низкому легированию поверхностей трения, что снижает износостойкость формируемого покрытия. Преимущественное содержание абразивоподобного компонента приводит к снижению коэффициента трения и повышенному износу поверхностей трения. Таким образом, металлокерамическое покрытие, полученное с использованием известной твердосмазочной композиции, в условиях трения, высоких температур и давления характеризуется невысокой износостойкостью и низкими антифрикционными свойствами.
2
3
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является твердосмазочная композиция для формирования покрытия в узлах трения, содержащая порошкообразную природную минеральную смесь, состоящую из оксидосодержащего и металлосодержащего компонентов, следующего химического состава, мас. %: Ni 0,2-0,3; Ti 0,66-0,70; Cu 0,10-0,15; Со 0,01-0,05; FeO 10,50-14,50; S 1,20-1,60; Si 36,0-43,0; CaO 3,0-5,0; MgO 21,0-27,0; AlO 3,8-4,4; потери при прогреве - остальное, и связующее при следующем соотношении компонентов твердосмазочной композиции, мас. %: порошкообразная смесь указанного состава 0,5-2,0; связующее 98,0-99,5. В качестве связующего твердосмазочная композиция содержит солидол, минеральное масло и т.п.(RU, №2043393 С1, МПК С10М 25/04 (1995.01), опубл. 10.09.1995 г.).
Использование известной твердосмазочной композиции в условиях трения, высоких температур и давления сопровождается протеканием процесса формирования металлокерамического покрытия, которое имеет гетерогенную структуру с неупорядоченным, хаотическим распределением керамических включений в металлической матрице, что снижает его релаксирующую способность и приводит к образованию зон концентраций напряжений и неравномерному распределению действующей нагрузки. Это обусловлено низким содержанием металла, в частности никеля, обладающего высокими легирующими свойствами, пластичностью и способствующего образованию упорядоченных стабильных фаз, и меди, обладающей высокой пластичностью, способствующей повышению активности диффузионных процессов и формированию сервовитной пленки. Никель, присутствующий в природной минеральной смеси в количестве 0,2-0,3 мас. % и медь, присутствующая в количестве 0,10-0,15 мас. %, обуславливают низкую активность диффузионного процесса, формирование покрытия с хаотическим распределением металлокерамических включений в слабовыраженной структуре разрывной металлической матрицы, что приводит к низкой релаксации напряжений. Это приводит к высокому коэффициенту трения, образованию зон концентрации напряжений и усталостному разрушению, низкой износостойкости и антифрикционным свойствам металлокерамического покрытия.
Основной составляющей известной твердосмазочной композиции является природная минеральная порошкообразная смесь, использование которой в условиях высоких температур в пределах 1400-1500°С сопровождается протеканием реакции дисерпентинизации, продуктами которой являются кварц, фторсерид и пироксен, препятствующие образованию зеркал скольжения, обуславливая высокий коэффициент трения и повышенный износ поверхностей трения. Значительное количество FeO в природной минеральной смеси придает материалу повышенную абразивность и приводит к нежелательному высокому износу поверхностей трения.
Таким образом, эксплуатация в условиях трения, высоких температур и давления металлокерамического покрытия, полученного с использованием известной твердосмазочной композиции, характеризуется неравномерным распределением нагрузки с образованием зон концентраций напряжений, обуславливая высокий коэффициент трения, что приводит к низкой износостойкости и антифрикционным свойствам металлокерамического покрытия и невысокому межремонтному ресурсу работы.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования твердосмазочной композиции для формирования металлокерамического покрытия в узлах трения, в которой путем оптимизации качественного и количественного состава обеспечивается в условиях трения, высоких температур и давления протекание самоуправляемого процесса формирования металлокерамического покрытия гетерогенной структуры с упорядоченным распределением керамических включений в упруго-пластичной металлической матрице, обеспечивающего равномерное распределение нагрузки с релаксацией напряжений, снижая коэффициент трения, что приводит к повышению износостойкости и антифрикционных свойств металлокерамического покрытия и увеличению межремонтного ресурса работы.
Поставленная задача решается тем, что в твердосмазочной композиции для формирования металлокерамического покрытия в узлах трения, содержащей порошкообразную смесь, состоящую из оксидосодержащего компонента, включающего оксид магния, и металлосодержащего компонента, включающего никель и медь, и углеводородное связующее, согласно изобретению в качестве металлосодержащего компонента композиция содержит порошок самофлюсующегося сплава на никелевой основе, легированный хромом, и порошок меди, а в качестве углеводородного связующего - глицерин при следующем соотношении компонентов, мас. %:
оксидосодержащий компонент,
включающий оксид магния
5,0-30,0
порошок самофлюсующегося сплава
на никелевой основе, легированный хромом
10,0-30,0
порошок меди
1,0-5,0
глицерин
остальное.
Целесообразно в качестве оксидосодержащего компонента, включающего оксид магния, использование порошка по меньшей мере одного природного минерала, выбранного из группы: магнезит, кордиерит, слюда, серпентинит.
Целесообразно в качестве порошка самофлюсующегося сплава на никелевой основе, легированного хромом, использование порошка самофлюсующегося сплава системы Ni-Cr-B-Si-C-Fe, при следующем соотношении компонентов, мас. %: С 0,6-1,0; Cr 14,0-20,0; Si 4,0-4,5; В 2,8-3,4; Fe 3,0-4,0; Ni остальное.
Предлагаемая композиция заявляемого состава при высоких температурах, трении, давлении, возникающих в зоне трибоконтакта узла трения, способствует образованию в металлокерамическом покрытии керамических включений с образованием сильной плоскости скольжения, которые прочно удерживаются наплавляемой металлической матрицей формируемого покрытия, что снижает коэффициент трения и повышает износостойкость и антифрикционные свойства. При содержании оксидосодержащего компонента выше 30,0 мас. % наблюдается повышенная абразивность металлокерамического покрытия, а ниже 5,0 мас. % - низкое содержание керамических включений в металлической матрице, что приводит к повышению коэффициента трения и снижению износостойкости.
В процессе формирования покрытия под воздействием высоких температур, трения, давления компоненты композиции различных конфигураций и размеров электронного облака избирательно встраиваются в образовавшиеся дефекты и впадины поверхностей трения. Входящий в состав металлосодержащего компонента в заявляемых пределах порошок самофлюсующегося сплава на никелевой основе, легированный хромом, содержащий элементы с высокими легирующими свойствами, повышает активность диффузионных процессов, обеспечивая протекание самоуправляемого процесса формирования металлокерамического покрытия гетерогенной структуры с упорядоченным распределением керамических включений в упруго-пластичной металлической матрице на основе никеля, хрома, меди, что приводит к равномерному распределению нагрузки с релаксацией напряжений, снижая коэффициент трения.
Наличие в порошке самофлюсующегося сплава флюсующих добавок, таких как бор, кремний повышает износостойкость металлокерамического покрытия путем образования под воздействием высоких температур упрочняющих керамических включений. Содержание порошка самофлюсующегося сплава, выходящего за заявляемые пределы, не обеспечивает формирование металлокерамического покрытия гетерогенной структуры с упорядоченным распределением керамических включений в упруго-пластичной металлической матрице.
Входящий в металлосодержащий компонент порошок меди, повышает упруго-пластичные свойства металлической матрицы, усиливает диффузионные процессы, обеспечивает заполнение микропор и формирование сервовитной пленки на поверхностях трения, что снижает шероховатость и придает гладкость формируемому металлокерамическому покрытию гетерогенной структуры. При этом твердые упрочняющие керамические включения, упорядоченно распределенные в упруго-пластичной металлической матрице, повышают устойчивость к истиранию, схватыванию и задирам, образуемым за счет эффекта переноса пластичной, легированной никелем и магнием, медной сервовитной пленки, что повышает антифрикционные свойства и износостойкость в условиях трения, высоких температур, давления. При содержании меди выше 5,0 мас. % наблюдается выделение свободной меди, а ниже 1,0 мас. % - снижение пластичности металлической матрицы и гладкости поверхности металлокерамического покрытия, что приводит к ухудшению прочностных и антифрикционных свойств.
Содержание в композиции глицерина в качестве углеводородного связующего в заявляемых пределах позволяет закрепить порошкообразные компоненты для формирования плотного металлокерамического покрытия на обрабатываемой поверхности. В процессе трения под воздействием высоких температур и давления, глицерин способствует образованию карбидов в металлокерамическом покрытии и активному восстановлению меди, снижая коэффициент трения и повышая износостойкость полученного металлокерамического покрытия в узлах трения. Содержание глицерина выше указанных пределов приводит к интенсивному наводораживанию и образованию осадка, снижению плотности формируемого металлокерамического покрытия, а ниже - ухудшает смачиваемость композиции, плотность и равномерность ее распределения, приводит к ослаблению процесса образования карбидов, выделению меди на поверхностях трения.
Пример.
Твердосмазочную композицию для формирования износостойкого металлокерамического покрытия в узлах трения готовили следующим образом.
2
3
2
В качестве металлосодержащего компонента использовали порошок самофлюсующегося сплава на никелевой основе, легированного хромом, системы Ni-Cr-B-Si-C-Fe, содержащего, мас. %: С 0,8; Cr 17,0; Si 4,0; В 3,0; Fe 3,0; Ni остальное, и порошок меди. В качестве оксидосодержащего компонента использовали порошок кордиерита (2MgO2AlO5SiO). Все компоненты смешивали с углеводородным связующим - глицерином Т 94, до образования однородной пастообразной массы. Химический состав полученных образцов заявляемой композиции представлен в таблице.
2
3
Для сравнения характеристик использовали готовую композицию по ближайшему аналогу, состоящую из порошкообразной природной минеральной смеси (1,3 мас. %) следующего состава, мас. %: Ni 0,3; Ti 0,70; Cu 0,15; Со 0,05; FeO 14,50; S 1,60; Si 43,0; CaO 5,0; MgO 27,0; AlO 4,4; потери при прогреве - остальное; и связующего (98,7 мас. %) - солидол С.
Полученные образцы заявляемой композиции и известную композицию по ближайшему аналогу наносили на внутреннюю предварительно обработанную глицерином с канифолью поверхность цилиндра из стали 45.
Цилиндры с нанесенной заявляемой и известной композициями подвергали приработке в течение 30 секунд в условиях трения со скоростью 9 м/с, температуре 1400°С, давлении 3 МПа.
С помощью рентгеноструктурного анализа исследовали структуру сформированных металлокерамических покрытий.
Металлокерамические покрытия, полученные с использованием образцов заявляемой твердосмазочной композиции имеют гетерогенную структуру с упорядоченным распределением по плоскости скольжения в квазишахматном порядке керамических оксидных включений, кристаллы которых характеризуются гексагональной симметрией, и карбидных включений в сплошной металлической матрице на основе никеля, содержащей бориды никеля и хрома, карбиды хрома, и меди, ионы которой сконцентрированы по поверхности плотного металлокерамического покрытия. Керамические включения, образованные в условиях высоких температур и давления, представлены преимущественно кристаллами оксидов магния с кубической кристаллической решеткой, образуя сильную плоскость скольжения, и игловидными нитями муллита, способствующими повышению износостойкости.
Металлокерамическое покрытие, полученное с использованием известной твердосмазочной композиции, имеет гетерогенную структуру с неупорядоченным, хаотическим распределением керамических включений в слабовыраженной структуре разрывной металлической матрицы.;
Подготовленные цилиндры с металлокерамическим покрытием подвергали испытаниям на трение и износ. Испытания проводили на машине трения типа стержень-палец. Давление при испытании составляло 5 МПа, скорость скольжения - 11 м/с, при этом температура на поверхностях трения соответственно достигала порядка 1800-2200°С. Время испытаний выбирали таким образом, чтобы дистанция скольжения составляла 1000 м. Оценивали интенсивность изнашивания и коэффициент трения. В качестве меры интенсивности изнашивания использовали отношение объема материала потерянного образцом в ходе испытания, к дистанции скольжения. Химический состав образцов заявляемой и известной композиции и свойства полученных металлокерамических покрытий представлены в таблице.; j
Во время испытаний образцов заявляемой композиции наблюдалась стабильная работа пар трения без смещений и заклиниваний, не обнаружено расслоения, сколов, схватывания и задиров, что указывает на равномерное распределение нагрузки с релаксацией напряжений, обусловленное упорядоченным распределением керамических включений в сплошной металлической матрице. Металлокерамическое покрытие, полученное q использование заявляемой композиции, по сравнению с ближайшим аналогов характеризуется низким коэффициентом трения, повышенной износостойкостью, что свидетельствует о высоких антифрикционных свойствах покрытия в условиях трения, высоких температур, давления. *
Таким образом, качественный и количественный состав заявляемой композиции обеспечивает формирование в узлах трения металлокерамического покрытия с высокими триботехническими характеристиками - износостойкостью и антифрикционными свойствами, что позволяет использовать композицию для поверхностного упрочнения и восстановления поверхностей трения, подверженных износу в условиях трения, высоких температур и давления и повысить межремонтный ресурс работы.