КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ИНГИБИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ С УВЕЛИЧЕННОЙ МАСЛОЕМКОСТЬЮ И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ИНГИБИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ С УВЕЛИЧЕННОЙ МАСЛОЕМКОСТЬЮ
COMPOUND FOR RECEIVING OF POLYMEROUS INHIBITED COATING WITH INCREASED OIL ABSORBTION AND PLATING METHOD OF POLYMEROUS INHIBITED COATING WITH INCREASED OIL ABSORBTION

Изобретение относится к области получения полимерных покрытий в качестве смазочных и защитных средств металлических изделий и может быть использовано в машиностроении, например, при производстве подшипников, в энергетике в узлах трения, работающих в экстремальных условиях и, прежде всего, в режиме «масляного голодания», а также при хранении и транспортировке металлосборочных изделий в условиях цеховых и складских помещений.
Известна композиция для получения полимерного покрытия (патент США №4064028, МПК C25D 13/00, оп. 1977 г.), содержащая диспергируемую в воде акриловую смолу. Известная композиция предполагает формирование полимерного антифрикционного покрытия методом электроосаждения в кислой среде. Однако при сушке такие покрытия могут быть подвержены деструкции и разрушению металла под пленкой, а высокая температура сушки (130-300°С) приводит к потере твердости металла, что неприемлемо для марок стали, используемых при изготовлении подшипников. Кроме того, полученные пленки не обладают маслоемкостью, более того, наблюдается олеофобность таких пленок, что затрудняет работу изделий с трущимися поверхностями.
2
2
Многолетний опыт работы авторов в подшипниковой промышленности позволил им установить взаимосвязь маслоемкости поверхностных слоев изделий с работоспособностью подшипников. Так, значения маслоемкости металлических покрытий (никель, медь, серебро, свинец, хром молочный, никель-бор, дисульфид молибдена, нитрид титана) подшипников качения «с повышенным ресурсом работоспособности» находятся в пределах 0,00083-0,0011 мг/мм. При этом установлено, что значение маслоемкости металлических покрытий зависит от содержания присадок в маслах и смазках (серы, антиоксидантов и др.). Например, незначительное количество серы ухудшает структуру и свойства свинца, меди, серебра за счет того, что образование сульфидных соединений этих металлов снижает смачиваемость поверхности маслами и смазками, в результате чего маслоемкость уменьшается до значений ниже 0,00045 мг/мм, что соответствует значениям маслоемкости чистых (без покрытий) сталей типа ШХ-15; 95Х18; Ст.3; 08КП и др.
В отличие от металлических покрытий полимерные покрытия не подвержены влиянию присадок в маслах и смазках.
Наиболее близкой к описываемому изобретению является композиция для получения антифрикционного олеофильного полимерного покрытия (патент РФ №2023763, МКП C25D 13/00, оп. 1994 г.), включающая акриловый сополимер.
Известная композиция предназначена для нанесения пленок только способом электрофореза, который, кроме сложности и значительных энергозатрат на его осуществление, предполагает операцию долговременной (8-40 часов) выдержки полученной полимерной пленки в рабочей смазке или масле с целью создания на ней реакционного олеофильного поверхностного слоя.
Кроме того, как показала практика, пленки, полученные на основе известной композиции, имеют ряд эксплуатационных недостатков, а именно:
- отсутствие ресурсного эффекта действия, поскольку созданный в результате выдержки пленки в рабочей смазке поверхностный олеофильный реакционный слой способствует улучшению только режима приработки пар трения, но при этом быстро изнашивается вследствие недостаточной адгезии к основному полимерному покрытию и, прежде всего, в условиях воздействия в зоне трения повышенных контактных нагрузок;
- двухслойное покрытие (полимер + реакционный слой) имеет склонность к набуханию (за счет влагопоглощения), что приводит к резкому снижению адгезионных свойств основного полимерного покрытия, особенно при использовании деталей с таким покрытием в период их межоперационного хранения и транспортировки в цеховых и складских помещениях с резкими перепадами температур (более ±15°С) и относительной влажностью выше 70%.
Таким образом, технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в получении исходного ингибированного полимерного покрытия, обладающего увеличенной маслоемкостью при его эксплуатации с рабочими маслами и смазками в условиях повышенных контактных давлений (до 1000 МПа) и способного работать без набухания во влажной атмосфере.
Также технический результат состоит в упрощении способа нанесения полимерных покрытий на металлические изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что композиция для получения ингибированного полимерного покрытия с увеличенной маслоемкостью, включающая диспергированную в воде дисперсию акрилового сополимера, содержит ингибитор коррозии на основе аминов растительного происхождения Малкор А в количестве, достаточном для получения заданной маслоемкости покрытия.
Предпочтительно выбирать следующее соотношение компонентов мас.%:
Акриловый сополимер
2,0-4,0, или 10
Малкор А
5,0-10,0
Вода
до 100
При этом в качестве акрилового сополимера могут быть использованы стирол-акриловый или полиуретан-акриловый сополимеры.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ингибированного полимерного покрытия с увеличенной маслоемкостью, включающем осаждение полимерного покрытия из раствора, содержащего диспергированную в воде дисперсию на основе акрилового сополимера, на металлическое изделие с последующей его температурной обработкой, в раствор вводят ингибитор коррозии на основе аминов растительного происхождения Малкор А в количестве, необходимом для получения заданной маслоемкости покрытия, при этом осаждение проводят контактным методом при температуре раствора 25-30°С в течение 1-5 минут, а температурную обработку проводят при температуре 70-100°С в течение 1-5 минут.
Целесообразно ингибитор коррозии Малкор А вводить в количестве 5,0-10,0 мас.%.
При этом осаждение может быть проведено методом погружения в раствор, или его распылением, или нанесением слоя раствора кистью.
Установлено, что при введении ингибитора коррозии на основе аминов растительного происхождения Малкор А в диспергированную в воде дисперсию акрилового сополимера и нанесении такого раствора на изделие полученная полимерная пленка приобретает свойства «объемной маслоемкости» по подобию «поролоновой губки», т.е. чем больше давление, оказываемое на пленку, тем больше рабочей смазки выдавливается в зону трения. Таким образом, полученный эффект «объемной маслоемкости» способствует гарантированному созданию барьерной масляной пленки и предотвращает «схватывание» сопряженных металлических пар трения, особенно при наличии в узлах трения линейных или угловых перемещений.
При осаждении пленки покрытия происходит химическое взаимодействие наиболее активных реагентов раствора с металлом, в результате чего имеет место модифицирование его поверхности с образованием структуры ингибированной полимерной пленки с повышенной маслоемкостью.
2
Значения маслоемкости ингибированных полимерных покрытий в соответствии с изобретением при концентрациях в композиции акрилового сополимера от 2,0 до 10 мас.%, а ингибитора коррозии Малкор А от 5,0 до 10 мас.% составляют 0,0021-0,0025 мг/мм, что более чем в два раза превышает значения маслоемкости известных металлических и полимерного покрытий и более чем в пять раз выше значений маслоемкости чистых (без покрытий) металлов и сплавов, у которых режим «масляное голодание» - частое явление.
Способ получения полимерного ингибированного покрытия в соответствии с изобретением осуществляют следующим образом.
Предварительно металлическую поверхность очищают и обезжиривают. Металлическая поверхность может быть фосфатирована или оксидирована.
В зависимости от заданной толщины покрытия выбирают оптимальное количество дисперсии акрилового сополимера и диспергируют его в воде. Минимальное количество акрилового сополимера определяется практической целесообразностью толщины создаваемого полимерного покрытия (как правило, не менее 0,1 мкм) и опасностью появления непрокрытых участков поверхности металла. Максимальное количество акрилового сополимера ограничено величиной вязкости получаемого раствора, поскольку при повышенной вязкости в процессе температурной обработки (сушки) на деталях образуются дефектные наплывы покрытия с малой прочностью сцепления с основой металла.
В полученный водный раствор дисперсии акрилового сополимера вводят ингибитор коррозии на основе аминов растительного происхождения «Малкор А» (производство Фирмы «Технобиор», ТУ 2415-004-56478541-060), с учетом того, что повышенное количество ингибитора коррозии приводит к снижению стабильности раствора в результате возникновения эффекта коагуляции раствора при длительном его использовании.
Температуру осаждения выбирают из условия сохранения гарантированной стабильности состава раствора 25-30°С.
Время обработки изделия раствором выбирают в зависимости от заданной толщины наносимой пленки, и оно составляет 1-5 мин.
Деталь с нанесенным покрытием подвергают температурной обработке путем теплообработки горячей сушкой в течение 1-5 минут при температуре 70-100°С до затвердевания пленки и полного удаления остатков влаги из пленки. Условия теплообработки зависят от заданной толщины пленки, массы детали и ее геометрической формы.
В примерах 1-3 показаны конкретные варианты реализации описываемого изобретения для получения покрытий до 1 мкм.
Пример 1. В емкость с водой при температуре 28°С вливают дисперсию стирол-акрилового сополимера марки «Акрэмос 101» (производитель: ООО «ЛАКМА ДиС», ТУ 2241-134-057575593-2000) в количестве 2,0 мас.% и перемешивают до получения равномерного диспергированного раствора. В полученный раствор вводят ингибитор коррозии «Малкор А» в количестве 5,0 мас.%.
2
В качестве опытных деталей используют образцы площадью 2000 мм из стали ШХ-15, применяемой для изготовления подшипников.
Нанесение ингибированной полимерной пленки осуществляют погружением деталей в полученный раствор и выдержкой в растворе в течение 3 минут, после чего образцы извлекают из раствора и подвергают температурной обработке. Теплообработка проводится при температуре 80°С в течение 2 мин.
Пример 2. Получение полимерной пленки осуществляют аналогично примеру 1, но используют акриловый сополимер марки «ЛЕНТЕКС М4» (производитель: ООО «НОРД-СИНТЕЗ», ТУ 2241-001-47923137-01) в количестве 4,0 мас.%. При этом ингибитор коррозии «Малкор А» вводят в количестве 10 мас.%.
Пример 3. Получение полимерной пленки осуществляют аналогично примеру 1, используют полиуретан-акриловый сополимер марки «Паркетти-Ясся» (производитель: Фирма «TIKKURILA» в количестве 10,0 мас.%. При этом ингибитор коррозии «Малкор А» вводят в количестве 10 мас.%.
В таблице приведены результаты испытаний на маслоемкость полученных в примерах 1-3 полимерных пленок, 4-й пример приведен для пленок, полученных из композиции и по способу-прототипу.
Испытания на маслоемкость проводят в соответствии с ГОСТ 9.302-88 (метод 8), трибологические свойства (несущая способность, износ контртела) измеряют на приборе трения ОАО ВНИПП, коррозионную (защитную) стойкость определяют по ГОСТ 9.054-75.
Для определения маслоемкости образцы с нанесенной на них способом в соответствии с описываемым изобретением ингибированной полимерной пленкой взвешивают и погружают в индустриальное масло типа И-12 (ГОСТ 20799-75), нагретое до температуры 130°С, и выдерживают в нем до температуры остывания 20±5°С. Далее образцы извлекают из масла, удаляют фильтровальной бумагой поверхностный избыток масла и взвешивают на аналитических весах типа ВЛР-200 (ГОСТ 24104-80) с погрешностью до ±0,5 мг.
2
Маслоемкость (М) в единицах мг/мм вычисляют по формуле
где
m - масса образца после погружения в масло (мг);
1
m - масса образца до погружения в масло (мг);
2
S - площадь поверхности образца (мм).
2
Для определения влияния маслоемкости полимерных ингибированных покрытий на несущую способность пар трения со смазкой проводят трибологические сравнительные лабораторные испытания на машине трения, работающей по принципу - трение неподвижного шарика из стали ШХ-15 по вращающейся плоскости - шайбе из стали ШХ-15 с полимерным ингибированным покрытием. Рабочая смазка Литол-24. Угловая скорость вращения шайбы 1400 об/мин, линейная скорость 1,52 м/сек. Нагрузка шарика на шайбу составляет 0,124 кг. Время испытаний 1 час. Конечное установившееся контактное (удельное) давление (кг/мм) после испытаний рассчитывают по формуле
, где
Р - нагрузка шарика на шайбу (кг);
2
S - площадь пятна износа на шарике (мм).
max,нач
Площадь пятна износа и диаметр пятна износа на шарике определяют после испытаний с помощью микроскопа МБС-2 с приставкой окуляра сетки при увеличении 4×8. При диаметре шарика, равном 4 мм, и нагрузке 0,124 кг первоначальное напряжение сжатия, рассчитанное по Герцу для точечных контактов системы плоскость - шар, составляет σ=7000 кг/см.
Коррозионную стойкость исходных (без рабочих смазок) полимерных ингибированных покрытий определяют по ГОСТ 9.054-75 (метод 1) с периодической конденсацией влаги на образцах. Испытания проводят с автоматически регулируемой температурой (42±2°С) и установившейся относительной влажностью φ=95÷100%.
Относительная влажность и температура в камере контролируются круглосуточно с помощью сертифицированного термогигрометра марки ИВА-6АР с пределами допускаемой абсолютной погрешности измерения по влажности ±3%, по температуре ±0,5°С. Продолжительность испытаний составляет 60 суток, что по ГОСТ 9.509-89 составляет ориентировочный расчетный срок защиты (при отсутствии коррозионных поражений на образцах) не менее двух лет для условий хранения деталей с защитным средством в атмосфере в условиях категории «4» по ГОСТ 15150-69 (цеховые и складские помещения).
Приведенные в таблице данные показывают, что введение ингибитора коррозии на основе аминов растительного происхождения в дисперсию акрилового сополимера приводит к увеличению маслоемкости полимерного покрытия по сравнению с покрытиями, полученными по известному методу более чем на 100%, при этом износ шарика уменьшается в 4,5-5 раз, и, как следствие, получают несущую способность пар трения, превышающую в два раза известные решения, что гарантированно обеспечивает повышение работоспособности пар трения в условиях высоких контактных нагрузок и скоростей перемещения в режиме недостаточно жидкостного масляного смазывания.
Таким образом, композиция для получения антифрикционного олеофильного полимерного покрытия с увеличенной маслоемкостью и способ нанесения такого покрытия в соответствии с изобретением позволяют достаточно простым, безопасным и экологически чистым способом без использования энергоемких операций получать качественные защитные покрытия на металлических изделиях, обладающих собственной маслоемкостью.