СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА КОНТАКТИРУЮЩИХ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЯХ ИЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ КОМПОЗИЦИИ И СОСТАВ УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ КОМПОЗИЦИИ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF ANTI-FRICTION COATING ON CONTACT RUBBING SURFACES OUT OF ULTRA-DISPERSED COMPOSITION AND FORMULATION OF ULTRA-DISPERSED COMPOSITION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к составам смазочных материалов для узлов трения как из сплавов на основе железа, так и цветных металлов, а также к способам получения подобных составов, и может быть использовано в качестве добавки к смазочным маслам двигателей внутреннего сгорания, механизмов, устройств или в качестве твердосмазочных материалов, и может найти применение в автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании морских и речных судов, оборудовании горно-обогатительных комбинатов, в насосном оборудовании, газо- и нефтепроводов и т.п.
Известен способ получения и состав смазочной композиции для формирования противоизносных и антифрикционных свойств поверхностных слоев трущихся деталей (патент РФ № 2351640, МПК С10М 177/00, опубл. 10.04.2009). В известном способе используют набор природных минералов, имеющих следующее соотношение компонентов, мас.%:
серпентин (лирдит и хризотил)
80-87
хлорит
2-3
магнетит
1-2
амакинит
1-2
кальцит
0,5-1
рентгенаморфная фаза
9-12,
а непосредственно перед дезинтеграцией в жидкий смазочный материал вводят соли жирных кислот мягких металлов и глицерин, образующие с частицами минералов в процессе их диспергирования коллоидный раствор.
Недостатком этого способа и состава является низкое качество образуемого покрытия, которое не обеспечивает достаточную износостойкость трущихся элементов.
Известен состав для повышения противоизносных и антифрикционных свойств узлов трения (патент РФ № 2243252, МПК С10М 125/00, опубл. 27.12.2004).
Состав содержит смазочный материал и измельченный природный минерал с дисперсностью не более 10 мкм, содержащий, мас.%: серпентин (лизардит и хризотил) 78-85, хлорит 2-3, магнетит 1-2, амфибол 1,5-2, кальцит 0,5-1, рентгенаморфная фаза 9-12, амакинит 1-2.
Недостатком данного состава являются низкие и невоспроизводимые триботехнические характеристики из-за возможного изменения химического состава в процессе механохимической активации.
Известен триботехнический состав (патент РФ № 2188227, МПК С10М 125/00, опубл. 27.02.2002). Данный триботехнический состав содержит смесь природных минералов с преимущественным содержанием гидросиликатов магния, мас.% хризотил 72-78, магнетит 14-16, тальк 0,5-1,5, кальцит 4-6, клинохлор 1-3, термолит 1-3, кварц не более 1. Дисперсность смеси предпочтительно составляет 0,01-100 мкм.
Недостатком являются низкие триботехнические характеристики сопряженной пары вследствие возможного внедрения абразивных частиц при микрошлифовании трущихся поверхностей.
Известен также способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих трущихся поверхностей, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного, формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим (патент РФ 2160856, МПК F16C 33/14, опубл. 20.12.2000). В качестве формирующего антифрикционное покрытие вещества используют композицию природных минералов, содержащую, мас.%:
Mg<sub>3</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>5</sub>(OH)<sub>4</sub>
10-60
MgFe<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
10-60
MoS<sub>2</sub>
1-20
Сопутствующие редкоземельные элементы
0,1-10
Н<sub>2</sub>О
не более 5.
Предварительно механоактивацию можно проводить с пульсацией давления 0,01-10 МПа при 100-200°С.
Недостатком этого способа является содержание продуктов окислов металлов и карбидов, что отрицательно влияет на конечный результат стабильности процессов упрочнения и восстановления. В этом способе минеральную композицию диспергируют с помощью жидкостного диспергатора при изменении давления от 0 до 40 МПа при постоянном давлении инертного газа от 0,1-0,5 атм. Поэтому недостатком данного способа является то, что для качественного помола (перемешивания) требуется больше затраты (по времени и энергии) и он не дает гарантии получения высокодисперсных эмульсий до размера 0,01 мкм.
Известен также способ получения присадок к смазочным материалам, заключающийся в введении в основу присадки легирующих элементов путем трения скольжения образцов из легирующих элементов в среде основы присадки при нагрузках и скоростях, обеспечивающих образование продуктов изнашивания коллоидной дисперсии и малорастворимых соединений легирующих элементов (а.с. № 1643597, МПК С10М 177/00, опубл. 23.04.1991).
Недостатком известного способа является ограниченность в материалах легирования по твердостным характеристикам, а также недостаточное количество присадки из-за скоротечности нахождения легирующих элементов в зоне контакта (активации) снижающей протекание химического взаимодействия легирующих элементов, хемосорбционных и сегрегационных процессов.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является принятый за прототип способ формирования антифрикционного покрытия контактирующих трущихся поверхностей, включающий размещение между контактирующими трущимися поверхностями смеси связующего и предварительно измельченной композиции упрочняющего вещества, в качестве упрочняющего вещества используется композиция, содержащая, мас.%:
Баумит (Mg, Mh, Fe, Zn)<sub>3</sub> (Si, Al)<sub>2</sub>O<sub>5</sub>(ОН)<sub>4</sub>
10-60
Клинохлор (Mg<sub>5</sub>AI) (Si, AI)<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>8</sub>
10-60
Титанит (CaTiSiO<sub>5</sub>)
1-15
Двуокись кремния (SiO<sub>2</sub>)
5-10
Вода (H<sub>2</sub>O) не более
5
(патент РФ № 2204623, МПК С23С 24/02, С23С 26/00, опубл. 20.05.2003).
Недостатком известного способа и антифрикционного состава также является низкие триботехнические характеристики обработанных сопряжении агрегатов и машин таких, как ДВС, трансмиссии, стрелочные переводы, технологическое газо- и нефтеоборудование.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение свойств рабочих поверхностей трибологического узла - уменьшение величины коэффициента трения и износа, повышение прочностных характеристик, а также изменение геометрии пятна контакта с изменением зазора в сопряжении, образуя защитный слой.
В результате использования предлагаемого изобретения улучшаются триботехнические характеристики сопряжении агрегатов и машин таких, как ДВС, трансмиссии, стрелочные переводы, технологическое оборудование, появляется упругодеформационная стойкость контактирующих поверхностей, решается проблема износа и долговечности машин и механизмов, работающих при повышенных механических и температурных режимах.
2
3
2
2
2
3
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе формирования антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях из ультрадисперсной композиции, включающий размещение между трущимися поверхностями смеси связующего из минерального масла и предварительно измельченной композиции упрочняющих веществ, используют композицию, содержащую легирующие элементы, представляющие собой окись лантана LaO, окись цинка ZnO, триэтаноламин ТЭА, двуокись титана TiO - анатаз и серпентин, химический состав которого состоит из окиси магния MgO, двуокиси кремния SiO, примесей окислов железа FeO и никеля NiO, и воды в следующем соотношении, мас.%:
Окись лантана La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0.1-3
Окись цинка ZnO
0.5-1
Триэтаноламин ТЭА
0.01-0,1
Двуокись титана TiO<sub>2</sub>
1.0-4
Окись магния MgO
43.0
Двуокись кремния SiO<sub>2</sub>
44.1
Окись железа Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0.1-0,2
Окись никеля NiO
0.1-0.3
Вода H<sub>2</sub>O
не более 5.3
при этом смесь связующего из минерального масла и композиции получают путем введения композиции в связующее в режиме автоколебаний с генерированием гидродинамических колебаний давления в диапазоне частот 6-50000 Гц с получением дисперсно-упорядоченной композиции с размером частиц 10-100 нм, а формирование антифрикционного покрытия осуществляют путем азотирования при трении контактирующих поверхностей за счет крекинга триэтаноламина с образованием поверхностных нитридов титана, железа и никеля и лантанидов железа и никеля.
Технический результат достигается также тем, что состав ультрадисперсной композиции для формирования антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях, содержит следующие компоненты, мас.%:
Окись лантана La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,1-3
Окись цинка ZnO
0,5-1
Триэтаноламин ТЭА
0,01-0,1
Двуокись титана TiO<sub>2</sub>
1,0-4
Окись магния MgO
43,0
Двуокись кремния SiO<sub>2</sub>
44,1
Окись железа Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,1-0,2
Окись никеля NiO
0,1-0,3
Вода Н<sub>2</sub>О
не более 5,3
2
2
4
Как известно, в процессе насыщения в поверхностный слой трущейся пары диффундируют атомы азота и углерода (Справочник. «Химико-термическая обработка металлов и сплавов.» /Под ред. Л.С.Ляховича. - М.: Металлургия, 1981, с.75). В зоне диффузии структура слоя состоит из карбонитридов типа Fe(N,C), F3(N,C), Fe(N,C), а толщина диффузионного слоя зависит от температуры в зоне пятна трения, продолжительности процесса и состава поверхности трущихся пар. Увеличение удельного объема поверхности при азотировании сопровождается увеличением геометрических размеров деталей, так называемым «припуханием» или «наращиванием». Размеры деталей в среднем увеличивается на 4-6% в зависимости от толщины диффузионного слоя.
Термодиффузионное насыщение предлагаемым составом поверхностей трения значительно сокращает время приработки. Так, например, при испытаниях на износ стали 20 в течение 1 часа момент трения уменьшается с 9-10 до 1 кг/см. В условиях работы трущейся пары при граничном трении применение азотированного слоя с развитой пористостью в карбонитридной зоне является необходимым условием для удержания смазки.
Указанное процентное соотношение компонентов состава, а также границы технологических параметров определяют следующими условиями:
Наличие в твердой добавке серпентина в присутствии легирующих элементов позволяет обеспечить не только образование на поверхностях в процессе трения качения диффузионного покрытия, содержащего легирующие элементы, за счет эффектов шаржирования, сегрегации, но и растворения тугоплавких частиц в легкоплавких эвтектиках. При наличии в смеси легирующих элементов в присадке менее 0,01 мас.% недостаточно проявляются свойства легирующих элементов, более 12 мас.% приводит к излишнему расходованию легирующих элементов. Содержание триэтаноламина менее 0,01 мас.% сказывается на снижении микродвердости поверхности контракта, а более 0,5 мас.% не дает увеличения твердости в зоне контакта.
Указанные признаки необходимы и достаточны для выполнения задачи и получения технического результата.
Предлагаемый способ и состав в виде дисперсно-упорядоченной композиции реализуется следующим образом.
Предварительное измельчение композиции проводят за счет взаимодиффузии в твердом состоянии с помощью гидродинамического кавитационного устройства (патент РФ № 2365404, Бюл. № 24, 2009). В качестве связующего используют минеральное масло, а внесение предлагаемой композиции в связующее осуществляют в режиме автоколебаний и генерирование гидродинамических колебанию давления в полосе частот 6-50000 Гц, получается дисперсно-упорядоченная композиция с размером частиц 10-100 нм.
2
3
Формирование антифрикционного покрытия осуществляют при низкотемпературном диффузионном насыщении трущихся поверхностей, азотирование проводят при трении контактирующих поверхностей нитридообразующими элементами в жидкой связующей среде при крекинге триэтаноламина в присутствии окиси лантана (LaO) с образованием поверхностных нитридов титана, железа и никеля, а также лантанидов железа и никеля.
Предлагаемый состав вводят в концентрациях от 0,1 до 1,0 мас.% в нефтяное масло КС-19 (ГОСТ 9243-75) без присадок. Введение предлагаемой ультрадисперсной композиции в масло осуществляют путем термомеханического диспергирования в течение 1 часа при температуре 80-85°С.
к
с
и
Триботехнические свойства масел и смазок с добавкой ультрадисперсной композицией исследовали на четырехшариковой машине трения ЧШМ-3.2 по ГОСТ 9490-75. При этом определяют следующие показатели: критическую нагрузку (Р), характеризующую начало перехода узла трения из режима нормального изнашивания в режим повреждаемости, что фиксируется по скачкообразному увеличению диаметра износа; нагрузку сваривания (Р), наименьшую нагрузку, при которой происходит катастрофическое возростание износа, приводящее к свариванию шаров; диаметр пятна износа (Д), характеризует интенсивность изнашивания металла трущихся поверхностей при умеренных нагрузках (400Н) и длительном времени контакта (1 час).
Анализ данных триботехнических испытаний (таблица) образцов масел показывает возможность улучшения противозадирных характеристик исследуемых образцов за счет введения добавки предлагаемой ультрадисперсной композиции. Показатель критической нагрузки возрастает на 11-19%, нагрузки сваривания на 6-13%. Оптимальная концентрация твердых добавок в маслах, при которых достигается максимальный эффект трибологического действия, составляет от 3 до 10%.
Триботехнические свойства масел и литиевых смазок с добавкой улътрадисперсной композиции (УДК)
Содержание ультрадисперсной композиции (УДК) %
Показатели
Р<sub>к</sub>, Н
Р<sub>с</sub>, Н
Масло КС-19
Без УДК
630
1330
0,1
710
1410
10
750
1410
Вторая группа испытаний приготовленных составов ультрадисперсных композиций проводилась на машине трения СМТ-1. Режимы пары трения: скорость скольжения 1 м/с; трение граничное: в процессе испытаний нагрузка увеличивалась до момента схватывания образцов. Установлено, что триботехнические свойства смазочного материала, при введении ультрадисперсной композиции (УДК) улучшились: коэффициент трения при введении УДК в масле снижался, в зависимости от нагрузки на образцы, на 10-60%, при одновременном снижении изнашивания более чем на 85%. Улучшение триботехнических параметров смазочных композиций можно объяснить повышением микродвердости поверхности пары трения. В зависимости от нагрузки микротвердость поверхности трения увеличилась на 45-65%.
Пример 1. Ремонт и защита от износа двигателей и тяговых редукторов локомотивов предлагаемой ультрадисперсной композицией
Использовали композицию в следующем соотношении, мас.%:
Окись лантана (La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
3,0
Окись цинка (ZnO)
1,0
Триэтаноламин (ТЭА)
0,1
Двуокись титана (TiO<sub>2</sub>)
3,0
Окись магния (MgO)
43,0
Двуокись кремния (SiO<sub>2</sub>)
44,1
Окись железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0,2
Окись никеля (NiO)
0,3
Вода (Н<sub>2</sub>О)
5,3
2
В качестве связующей среды выбирают жидкую основу, состоящую из минерального масла М-14Г (ГОСТ 12337-84). Концентрация серпентина 5 мас.%.
После обработки предлагаемым составом дизеля локомотива ЧН 26/26 и тягового редуктора Клинского ППЖТ, КЛИНОРОМТРАНСА локомотив имел нароботку 1080 часов. Отмечено уменьшение расхода масла на 30%, повышена мощность тепловоза, уменьшение дымности отработанных газов, уменьшение вибраций и шума на 30-40%.
2
2
2
Пример 2. Обработка предлагаемой композицией узлов трения: сталь ХВГ (НРС 30) по стали ХВГ (НРС 35) смазка моторное масло на стендах МТ-1 при нагрузках до 120 кг/см показала, что нагрузка задира повышается с 25 кг/см до 72 кг/см, при этом коэффициент трения снижается в 4 раза.
Использовали композицию в следующем соотношении, мас.%:
Окись лантана (La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
3,0
Окись цинка (ZnO)
1,0
Триэтаноламин (ТЭА)
0,1
Двуокись титана (TiO<sub>2</sub>)
4,0
Окись магния (MgO)
43,0
Двуокись кремния (SiO<sub>2</sub>)
44,1
Окись железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0,2
Окись никеля (NiO)
0,3
Вода (H<sub>2</sub>O)
4,3.
В качестве связующей среды выбирают жидкую основу, состоящую из минерального масла И-20А (ГОСТ 10511-78). Концентрация серпентина 5 мас.%.
Предлагаемая смазочная композиция может продлить срок службы узлов трения машин и оборудования.