СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF FORMING ANTIFRICTION COATING OF CONTACTING FRICTION SURFACES

Изобретение относится к смазочным композициям, в частности к составам для обработки пар трения, 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 серпентинсодержащего материала, вспученного вермикулита и углеводородного связующего. В качестве серпентинсодержащего материала используют серпентинит при следующем соотношении компонентов в составе смеси дисперсных твердых частиц, мас. %: серпентинит 80-93, модифицированный вспученный вермикулит 7-20, 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 2487192, МПК C23C 26/00, B23P 6/00, 2013).
Недостаток этого решения - существенная абразивность компонентов материала, отделение которых от серпентина практически невозможно или очень трудоемко, что ограничивает применение данного состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей до случаев обработки поверхностей, имеющих задиры, нагартовки на вязких, тугоплавких металлах (в пределах допуска). Кроме того, серпентинит даже из одного месторождения существенно отличается по химическому составу и структуре и, соответственно, по триботехническим характеристикам.
Известен также способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих трущихся поверхностей, заключающийся в размещении между ними антифрикционной композиции, содержащей смешанную с углеводородным связующим смесь 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.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение триботехнических характеристик антифрикционной композиции.
Технический результат, проявляющийся при решении задачи изобретения, выражается в снижении фрикционных качеств смеси за счет замены природного серпентинита искусственным полимагнийфенилсилоксаном, который имеет стабильные химический состав и структуру. При этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие, благодаря этому повышаются стабильность, прочность и долговечность антифрикционного покрытия.
Поставленная задача решается тем, что способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих трущихся поверхностей, заключающийся в размещении между ними антифрикционной композиции, содержащей смешанную с углеводородным связующим смесь дисперсных серпентинсодержащего материала и вспученного вермикулита, отличается тем, что в качестве серпентинсодержащего материала используют искусственный полимагнийфенилсилоксан, которым модифицируют вспученный вермикулит, который при крупности твердых частиц предпочтительно не более 1 мкм вводят в дизельное топливо из расчета 220-300 г/литр, после чего смесь подвергают гидродинамической кавитационной диспергации до получения крупности твердых частиц, предпочтительно от 0,05 мкм до 0,1 мкм. Кроме того, гидродинамическую кавитационную диспергацию осуществляют с частотой около 200 Гц, предпочтительно около 30 минут
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 качестве серпентинсодержащего материала используют искусственный полимагнийфенилсилоксан» обеспечивает возможность использования недорогого полимагнийфенилсилоксана для модифицирования природного вермикулита и возможность плакирования частиц вермикулита. При этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие.
Признак, указывающий на то, что полимагнийфенилсилоксан используют «в качестве модификатора вермикулита», обеспечивает формирование в межслоевом пространстве вермикулита дополнительные плоскости скольжения, что усиливает его антифрикционные свойства.
Признак «… при крупности твердых частиц, предпочтительно не более 1 мкм …» обеспечивает минимизацию проявлений абразивности антифрикционной композиции модифицирующей контактирующие трущиеся поверхности.
Признаки, указывающие, что вермикулит, модифицированный полимагнийфенилсилоксаном, «вводят в моторное масло из расчета 220-300 г смеси на литр и подвергают гидродинамической кавитационной диспергации» и «гидродинамическую кавитационную диспергацию осуществляют с частотой около 200 Гц, предпочтительно около 30 минут», определяют режимные параметры способа, обеспечивающие получение антифрикционной композиции. При этом использование в качестве связующего дизельного топлива обеспечивает возможность использования распространенного жидкого углеводородного связующего.
Признаки, указывающие на то, что «смесь подвергают гидродинамической кавитационной диспергации до получения крупности твердых частиц, предпочтительно от 0,05 мкм до 0,1 мкм», обеспечивают эффективность работы композиции и ее гидродинамическую кавитационную активацию. При этом заданный диапазон дисперсности твердых частиц определен опытным путем, причем нижний предел 0,05 мкм фактически является индикатором отсутствия в смеси частиц с крупностью 1 и более мкм. Основное предназначение диапазона -
исключение из состава суспензии твердых частиц, работающих как абразив, наносящих царапины (соизмеримые по своей глубине с крупностью частиц), поскольку по нашим данным крупности частиц от 1 мкм и выше, особенно в отношении алюмосиликатов (источником которых является вермикулит) и окислов алюминия, кремния и других элементов, являются существенно твердыми материалами, способными разрушить любое металлическое покрытие и металл.
Заявленный способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан рентгенофазный анализ полимагнийфенилсилоксана; на фиг. 2 приведен рентгенофазный анализ исходного вермикулита; на фиг. 3 приведен рентгенофазный анализ вермикулита, модифицированного полимагнийфенилсилоксаном; на фиг. 4а - топография поверхностей образцов из стали 45 (твердость 223 НВ) после упрочнения магнийфенилсилоксаном; на фиг. 4б - топография поверхностей образцов из стали 45 (твердость 223 НВ) после упрочнения вермикулитом, модифицированным магнийфенилсилоксаном.
100
100
Полимагнийфенилсилоксан был выбран в качестве модификатора, так как он имеет слоистую структуру с d (фиг. 1), близкую к d вермикулита (фиг. 2), легко растворим в органических растворителях и таким образом его легко наносить на поверхность алюмосиликата.
Полимагнийфенилсилоксан был получен по методу, описанному в А.С. №1060633 (СССР). Способ получения полиметаллоорганосилоксанов / А.В. Аликовский, Г.Я. Золотарь, Н.П. Шапкин, В.И. Бессонова, В.Я. Шапкина. Опубл. бюлл. изобр. №12, 1983.
2
2
6
5
3
2
1,5
n
Пример. К раствору 6,1 г (0,03 М) MgCl·6HO в 42 мл (0,6 М) ДМСО и 100 мл толуола прибавляли 5,2 г (0,02 М) тринатровой соли CHSi(ONa)·l,9HO. Синтез вели при температуре кипения растворителей в течение 8 ч до прекращения выделения воды в ловушку Дина-Старка. Из раствора полимер осаждали четырехкратным избытком воды, фильтровали и сушили. Выход растворимой фракции составлял 3,0 г (78,9%). Состав рассчитан на основе данных элементного анализа [(PhSiO)MgO]. Найдено: C=47,0%, Si=17,4%, Mg=10,3%, Si/Mg=1,5.
Полученный полимагнийфенилсилоксан был использован для модифицирования поверхности вермикулита.
Пример. К 47,5 г суспензии вермикулита (диаметр частиц менее 0,1 мкм) в 50 мл толуола прилили 2,5 г полимагнийфенилсилоксана в 20 мл толуола, смесь кипятили в течение 2 ч с отбором воды в ловушку Дина-Старка. Толуол отгоняли, модифицированный вермикулит сушили на воздухе. На ВИК-спектре полимагнийфенилсилоксана и модифицированного вермикулита наблюдаются полосы С-Н и Si-Ph, которые в модифицированном вермикулите значительно ослаблены за счет уменьшения концентрации полимагнийфенилсилоксана в 20 раз. Полосы Si-О, Si-O-Mg перекрываются полосами Si-O, Si-O-Mg, имеющимися в структуре вермикулита.
Данные РФА для исходного вермикулита и модифицированного полимагнийфенилсилоксаном представлены на фиг. 3. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре "Advance-D8" фирмы "Bruker". Данные рентгенофазового анализа (РФА) подтверждают предположение о модификации межслоевого пространства.
На дифрактограмме вермикулита, модифицированного полимагнийфенилсилоксаном, наблюдаются новые отражения слабой интенсивности с d=12,5:4,5 А°, которые отсутствуют в РФА исходного вермикулита. Близость межслоевых расстояний - у вермикулита 14,3 А, у полимагнийфенилсилоксана 12,5 А позволяет предположить, что полимагнийфенилсилоксан не только покрывает поверхность вермикулита, но и проникает в межслоевое пространство вермикулита вследствие слоистой структуры полимера.
Для реализации заявленного способа используют известное оборудование, обеспечивающее дезинтеграцию компонентов композиции и их последующую гидродинамическую кавитационную активацию.
2
В качестве ингредиентов композиции используют вермикулит, полимагнийфенилсилоксан и моторное масло, например, М-14-Д(цл 30) ГОСТ 12337-84.
Вермикулит имеет следующий элементный состав:
0.8
0.4
2.1
9
2
3
0.9
Его брутто-формула: Mg·Fe·Al·SiO·HO·(CaSiO). Крупность размола вермикулита (до его модифицирования) - до 0,5-1,0 мкм.
Пример. Модифицирование вермикулита полимагнийфенилсилоксаном осуществляют следующим способом. 9,7 г вермикулита обрабатывают раствором 0,3 г полимагнийфенилсилоксана в 25 мл толуола. После нагрева до кипения полученную суспензию отделяют фильтрованием и сушат на воздухе.
2
Для получения композиции вермикулит, модифицированный полимагнийфенилсилоксаном, вводят в моторное масло (например, марки М-14-Д(цл 30) ГОСТ 12337-84) из расчета 220-300 г смеси на литр и подвергают гидродинамической кавитационной диспергации» с частотой около 200 Гц в течение 30 минут.
Формирование антифрикционного покрытия на поверхности трения можно осуществлять фрикционным методом. Модифицирующий состав, состоящий из модифицирующего материала и масла, наносят на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данную смесь подают в зону трения каждые 15-20 с капельным методом. При модифицировании конструкционных сталей (например, 45, 40Х и др.) предпочтительным является режим ступенчатого увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности: с интервалом 10 Н/мм, минимальная величина усилия 10 Н/мм, максимальная - 40 Н/мм, время воздействия при каждой нагрузке 1 минута. Толщина модифицированного слоя достигает 2-3 мкм.
Исследования триботехнических свойств покрытий проводили на универсальной машине трения модели УМТВК производства АО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти) по схеме «ролик - колодка» при постоянной скорости скольжения 0,71 м/с. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали 45 в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм. На исследуемых судовых СОД шейки коленчатых валов имеют твердость в интервале от 164 НВ до 58 HRC, поэтому часть образцов изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость находилась в диапазоне 190-225 НВ (средняя величина твердости 212 НВ), часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения величин твердости 44±1, 54±1 и 62±1 HRC. Часть образцов различной твердости модифицировали. Перед проведением испытаний образцы полировали до Ra=0,32 мкм.
2
В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из различных типов вкладышей СОД. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки М-14-Д(цл 30) ГОСТ 12337-84.
Модифицирование поверхности вращающегося образца проводили фрикционно-механическим методом при нагрузке 400 Н в течение 1 мин. Толщина модифицированного слоя достигает 1 мкм.
Анализ результатов сравнительных триботехнических испытаний пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» при различных упрочняющих покрытиях позволил установить:
- применение модифицирования шеек вала минеральными и органоминеральными материалами вне зависимости от ее исходной твердости позволяет повысить как ее износостойкость, так и трибосопряжения «шейка вала - вкладыш подшипника» не менее чем в 2 раза;
- эффективность от модифицирования шеек вала минеральными и органоминеральными материалами возрастает по мере снижения твердости шеек вала;
- наиболее высокие триботехнические характеристики достигаются при применении материалов: полимагнийфенилсилоксана и вермикулита, модифицированного полимагнийфенилсилоксаном, которые позволяют повысить износостойкость трибосопряжения до 8 раз (для незакаленной стали) в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в 2 раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира (табл. 1).
Температура циркуляционного смазочного масла на входе в дизель для обеспечения заданной вязкости в зависимости от марки двигателя находится в пределах 40-60°C. Для определения влияния температуры циркуляционного смазочного масла на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 - антифрикционное покрытие» были проведены ускоренные испытания в течение 1 ч при нагрузке 400 Н в условиях трения при граничной смазке. Установлено (табл. 2), что:
- при температуре циркуляционного масла свыше 40°C в трибосопряжении с неупрочненной сталью в условиях трения при граничной смазке резко возрастают: коэффициент трения, температура в зоне трибоконтакта и скорость изнашивания антифрикционного слоя вкладыша, что создает предпосылки для схватывания и задира и, соответственно, создания аварийной ситуации на дизеле;
- модифицирование поверхности стали полимагнийфенилсилоксаном и вермикулитом, модифицированным полимагнийфенилсилоксаном позволяет во всем диапазоне температур подогрева смазки повысить износостойкость сопряжения, снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта и, соответственно, существенно повысить долговечность трибоузла. Причем по мере увеличения температуры подогрева масла эффект от модифицирования стали возрастает: уменьшаются величины скорости изнашивания стали и трибосопряжения в целом.
Анализ топографии испытуемых образцов показывает, что оптимальной топографией, обеспечивающей минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля, обладает поверхность стали после ее упрочнения вермикулитом, модифицированным магнийфенилсилоксаном (фиг. 4б). Профили микронеровностей после упрочнения вермикулитом, модифицированным магнийфенилсилоксаном, близки к ровной линии. Минимальные параметры шероховатости также характерны для данной композиции (табл. 3). Периодические микронеровности, расположенные на поверхности по направлению упрочнения и не имеющие острых выступов, обеспечивают получение поверхности, обладающей хорошей смазкоудерживающей способностью в условиях трения при граничной смазке, и высокую износостойкость. Благодаря минимальному удельному давлению на сопряженные поверхности и обеспечению наличия смазки уменьшается износ поверхности, сопряженной с композиционным покрытием, а также коэффициент трения и температура в трибоконтакте.
Примечание. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе - перпендикулярно направлению вращения образца.
При использовании заявленной композиции проявляются несколько эффектов, обеспечивающих повышение антифрикционных свойств композиции:
- скольжение относительно друг друга силикатных слоев модифицированного вермикулита;
- образование антифрикционного слоя за счет внедрения в кристаллическую решетку испытуемого материала ионов кремния, магния и алюминия, при этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие. Доказательством этого является исследование полученного покрытия с помощью рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС - см. фиг. 2) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Морфологию поверхности образца исследовали с помощью атомно-силового микроскопа марки NTMDT Solver Р46.
α
Рентгеновский фотоэлектронный спектр получали на сверхвысоком вакуумном фотоэлектронном спектрометре фирмы "Omicron" (Германия) с полусферическим электростатическим анализатором (радиус кривизны 125 мм). В качестве источника - рентгеновская пушка с магниевым анодом (линия MgK 1253.6 эв).
-7
Перед исследованием с помощью АСМ и РЭС поверхность образца очищали от органической пленки травлением аргоном трижды непосредственно в камере фотоэлектронного спектрометра при вакууме 10 Торр и напряжении 1000 вольт в точке.
Полученный состав металлокерамической пленки на глубине до 100 нм выражается в атомных процентах:
- при упрочнении магнийфенилсилоксановым полимером: Fe=34.2, О=49.9, С=14.6, N=0.6, Ca=0.7;
3) при упрочнении вермикулитом, модифицированным магнийфенилсилоксаном: О=45.6, Fe=21.2, Al=18.7, С=10.7, Si=2.9, Са=1.1, N=0.5.
Высокое содержание углерода, кремния и алюминия свидетельствует об образовании антифрикционного металлокерамического покрытия, которое хорошо просматривается на снимках поверхностей, модифицируемых композициями различного состава, сделанных с помощью АСМ (фиг. 4а и фиг. 4б).