КОМПОЗИЦИЯ ППМ-21-2 ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PPM-21-2 COMPOSITION FOR TRANSFORMATION AND RESTORATION OF METAL FRICTION SURFACES AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к композициям, уменьшающим износ металлических пар трения путем преобразования и восстановления металлических поверхностей, и может быть использовано в различных отраслях промышленности при ремонтно-восстановительных операциях, для продления межремонтного ресурса и для обработки новых узлов трения механизмов и машин.
Основным методом уменьшения износа металлических пар трения является создание на трущихся металлических поверхностях прочных устойчивых защитных (сервовитных) пленок вторичных структур. Одним из перспективных направлений является использование в качестве компонентов композиций природных минералов или смеси природных минералов из подкласса слоистых силикатов.
6
4
10
8
В большинстве известных композиций для обработки пар трения основным компонентом состава являются разновидности серпентина MgSiO(OH) (антигорит, хризотил, лизардит) (см., например, RU 2415176, C10M 103/06, C10M 125/26, опубл. 27.03.2011; RU 2399650, C10M 125/26, C10M 177/00, опубл. 20.09.2010; RU 2357123, F16C 33/14, опубл. 27.05.2009; RU 2355922, F16C 33/14, C10M 125/04, опубл. 20.05.2009; RU 2351640, C10M 177/00, C10M 125/00, опубл. 10.04.2009; RU 2345176, C23C 24/02, C23C 26/00, F16C 33/14, опубл. 27.01.2009; RU 2057257, F16C 33/14, опубл. 27.03.1996; RU 2059121, F16C 33/14, опубл. 27.04.1996; RU 2035636, F16C 33/14, опубл. 20.05.1995; RU 2006707 и 2006708, F16C 33/14, опубл. 30.01.1994; RU 2001323, F16C 33/14, опубл. 15.10.1993).
Известные композиции на основе серпентина с большей или меньшей эффективностью позволяют уменьшить износ металлических пар трения благодаря образованию на трущихся металлических поверхностях износостойкой сервовитной пленки.
Наиболее близкими к предлагаемой композиции ППМ-21-2 для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения и способу ее изготовления являются композиция ППМ-21 и способ ее изготовления, описанные в патенте РФ №2184886, F16C 33/14. опубл. 10.07.2002 (прототип). Композиция ППМ-21 (прототип) представляет собой мелкодисперсный порошок с размерами частиц от 10 до 15 мкм следующего состава, мас.%:
хризотил Mg<sub>6</sub>Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>8</sub>
92-96
SiC
1-2
TiO<sub>2</sub>
1-2
CuO
2-4
Для доставки порошка к трущимся металлическим поверхностям композиция-прототип дополнительно содержит нефтяное или минеральное масло в качестве носителя.
Способ изготовления композиции-прототипа заключается в приготовлении мелкодисперсного порошка путем дробления исходных компонентов в нейтральном растворителе в шаровой мельнице до размера частиц 10-15 мкм. После дробления полученный порошок высушивают при температуре 100-105°C. Для доставки порошка к трущимся металлическим поверхностям к порошку добавляют жидкий носитель - нефтяное или минеральное масло.
Композиция ППМ-21 (прототип) позволяет достаточно эффективно восстанавливать металлические поверхности трения и обеспечивает образование на них прочной и износостойкой сервовитной пленки, что предотвращает износ металлических пар трения.
Однако опыт широкого практического применения композиции ППМ-21 (прототип) показал, что для некоторых случаев работы механизмов, например, в условиях повышенных механических и температурных воздействий, снижение коэффициента трения и термостойкость образующейся сервовитной пленки недостаточны, что приводит к снижению долговечности сервовитной пленки.
Задачей предлагаемого изобретения является создание композиции для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения, которая обеспечит снижение коэффициента трения и повышение термостойкости сервовитной пленки, что в результате позволит повысить долговечность и износостойкость узлов трения механизмов и машин.
Задачей предлагаемого изобретения является также разработка способа изготовления заявляемой композиции, который обеспечит ее высокую эффективность.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемой композицией для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения, приготовленной в виде мелкодисперсного порошка, включающей хризотил, карбид кремния и окислы титана и меди, которая дополнительно содержит тальк и терморасширенный графит, содержащий не менее 7% элементов, присутствующих в природном графите, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
тальк Mg<sub>3</sub>Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>2</sub>
6-8
терморасширенный графит
8-12
SiC
6-8
TiO<sub>2</sub>
2-4
CuO
2-4
хризотил Mg<sub>6</sub>Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>8</sub>
остальное
Терморасширенный графит может иметь следующий элементный состав, мас.%: углерод - около 73-76 мас.%, кислород - около 12-14 мас.%, другие элементы в количестве до 13,5 мас.%, при этом элементы, присутствующие в природном графите: кремний - 2-5%, алюминий - 2-3%, железо - 3-5%.
Размеры частиц порошка в композиции не превышают 5 мкм.
Для доставки порошка к трущимся металлическим поверхностям композиция дополнительно содержит носитель.
В качестве носителя используется нефтяное или минеральное масло.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом изготовления композиции для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения, включающим приготовление мелкодисперсного порошка путем дробления исходных компонентов, в котором в качестве исходных компонентов используют, мас.%:
тальк Mg<sub>3</sub>Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>2</sub>
6-8
терморасширенный графит
8-12
SiC
6-8
TiO<sub>2</sub>
2-4
CuO
2-4,
хризотил Mg<sub>6</sub>Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>8</sub>
остальное,
и дробление производят до размера частиц порошка не более 5 мкм.
Дробление можно осуществлять на воздухоструйной мельнице.
Для доставки порошка к трущимся металлическим поверхностям в порошок добавляют носитель.
В качестве носителя используют нефтяное или минеральное масло.
При разработке предлагаемой композиции ППМ-21-2 были проведены детальные экспериментальные исследования влияния различных компонентов и их количеств на коэффициент трения, на термостойкость и структуру сервовитной пленки, образующейся на металлических поверхностях трения, на характер взаимодействия компонентов композиции между собой и с металлами пар трения.
6
4
10
8
3
4
10
2
В результате проведенных исследований было установлено, что введение в композицию терморасширенного графита приводит к существенному снижению коэффициента трения и повышению термостойкости сервовитной пленки лишь при замене части хризотила MgSiO(OH) в композиции на тальк MgSiO(OH).
Терморасширенный графит (пенографит) является хорошо изученным материалом, применяемым в промышленности и технике. Получают его очень быстрым нагреванием (термоудар) соединений внедрения в графит. В массовом промышленном производстве используются соединения внедрения с серной и азотной кислотами, которые получают химическим (см., например, RU 2089495, C01B 31/04, опубл. 10.09.1997; RU 2090498 C01B 31/04, опубл. 20.09.1997) или электрохимическим (см., например, RU 2264983, C01B 31/04, C25B 1/00, опубл. 27.11.2005; RU 2233794, C01B 31/04, C25B 1/00, опубл. 10.08.2004) окислением порошка природного графита. После термоудара образуется продукт, не вызывающий коррозии металла и представляющий собой вспученные частицы графита с увеличенными расстояниями между базисными углеродными слоями. Содержание углерода в пенографите различных марок колеблется от 99,99% (используется для АЭС) до 70-80% в пенографитах многоцелевого применения.
Экспериментальная проверка различных видов терморасширенного графита показала, что сохранение в пенографите в количестве не менее 7% примесей металлов (железо и алюминий) и кремния (в виде окислов), имеющихся в природном графите, обеспечивает наилучшие результаты по снижению коэффициента трения и увеличению термостойкости сервовитной пленки. В заявляемой композиции использован терморасширенный графит, получаемый по способу, описанному в патенте РФ №2198137, C01B 31/04, опубл. 10.02.2003. Данный графит имеет следующий элементный состав, мас.%: углерод - около 73-76 мас.%, кислород - около 12-14 мас.%, другие элементы в количестве до 13,5 мас.%, при этом элементы, присутствующие в природном графите, - согласно данным рентгено-флюоресцентного анализа: кремний - 2-5%, алюминий - 2-3%, железо - 3-5%.
При добавлении к заявляемой композиции ППМ-21-2 жидкого носителя образуется стойкая ультрадисперсная суспензия, которую вносят в узел трения. На первой стадии (стадия приработки) происходит частичное истирание (уменьшение шероховатости) непосредственно трущихся поверхностей сопряженных деталей узлов трения, затем начинается диффузионное проникновение активных элементов композиции непосредственно в трущиеся поверхности, в результате исправляются микродефекты поверхности и на ней формируется сервовитная пленка, позволяющая значительно снизить коэффициент трения. Диффузионные процессы увеличивают твердость и усталостную прочность подповерхностного слоя, что повышает долговечность и износостойкость узлов трения.
2
На полупромышленных стендах в условиях трения скольжения были проведены сравнительные триботехнические испытания предлагаемой композиции и известных. Испытания проводили при давлении в паре трения от 5 до 100 кг/см и скорости скольжения в трибоконтакте до 4 м/с. Результаты испытаний приведены в таблице.
Триботехнические параметры
Суспензия композиции в веретенном масле, 30 г/л
ППМ-21-2
ППМ-21 прототип
НИОД-2*
Форсан**
Коэффициент трения
0,0015
0,0050
0,0090
0,0080
Износ, мм/год
Менее 0,1
Менее 0,1
0,1
0,1
* НИОД-2 разработан НИО «ЭНИОН-Балтика» (г.Санкт-Петербург).
** Форсан разработан ЗАО «Холдинговая компания «Форсан» (г.Москва).
Как видно из таблицы, предлагаемая композиция ППМ-21-2 существенно превосходит по триботехническим свойствам известные составы, в том числе прототип.
Сравнительные испытания термостойкости сервовитной пленки, образующейся на металлических поверхностях пар трения, показали, что при использовании композиции ППМ-21 (прототип) образующаяся защитная пленка выдерживает повышение температуры до 300-400°C, тогда как применение заявляемой композиции позволяет повысить температуру до 600-700°C.
Таким образом, предложена композиция для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения, которая обеспечивает снижение коэффициента трения и повышение термостойкости сервовитной пленки, что в результате позволяет повысить долговечность и износостойкость узлов трения механизмов и машин. Заявляемый способ приготовления предлагаемой композиции гарантирует ее высокую эффективность.