Результат интеллектуальной деятельности: БРИКЕТИРОВАННАЯ ГРАФИТОВАЯ СМАЗКА

Изобретение относится к продуктам, предназначенным для обработки нагретых металлических поверхностей трения, а именно рабочей поверхности инструмента для обработки металлов давлением, и может быть использовано при изготовлении горячекатаных изделий и труб на раскатных, калибровочных и редукционных станах.

Известно нанесение твердого смазочного покрытия (а.с. СССР №150329, F16N 15/00, опубл. сентябрь 1962, БИ №18), которое заключается в нанесении смазки на поверхность трения с непрерывной подачей твердого смазывающего элемента и обеспечивает образование смазочной пленки при минимальном износе смазывающего элемента. В качестве смазывающего элемента используют спрессованный дисульфид молибдена или нитрид бора, в том числе с полиамидной смолой в качестве связующего.

Недостатком использования данного смазывающего элемента является плохое сцепление смазывающих частиц с обрабатываемой поверхностью, в результате чего снижается эффективность действия смазки. На контакте трущихся поверхностей увеличивается коэффициент трения, что приводит к преждевременному износу деталей и выходу их из строя.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является твердая графитовая смазка для прокатных валков (Патент Японии №57-36960, С10М 5/02, С10М 7/04, опубл. 06.08.1982), которая представляет собой графитовые блоки, полученные формованием графитового порошка с добавкой связующего и пропитанные в течение 5÷30 часов жидким смазочным средством или средством, которое становится жидким при нагреве, типа воска, растительного, минерального или синтетического масел. Полученные графитовые блоки имеют твердость по Шору 20÷50 и прочность более 40 кгс/см².

Недостатком данного технического решения является использование в качестве пропитывающего средства воска и масел, которые выгорают при горячей обработке давлением. При этом происходит нарушение сплошности смазочного покрытия, а также образование большого количества дыма, гари и копоти. В результате наблюдается снижение стойкости инструмента, качества прокатываемого изделия и одновременно происходит загрязнение окружающей среды.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении стойкости инструмента и качества наружной поверхности изделий.

Поставленная задача решается согласно изобретению с помощью брикетированной графитовой смазки, используемой при горячей обработке металлов давлением, представляющей собой графитовые блоки, пропитанные водным раствором, содержащим поверхностно-активное вещество и неорганические плавкие компоненты, причем последние выбирают из группы гидратированных солей натрия и калия фосфорсодержащих кислот либо их смесей, предпочтительно из группы ортофосфатов, и/или гидрофосфатов, и/или полифосфатов, и/или метафосфатов, либо их смесей. Неорганические плавкие компоненты выбирают особенно предпочтительно из группы, включающей дигидрофосфат натрия (NaH₂PO₄), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄), гидрофосфат натрия (Na₂HPO₄), ортофосфат натрия (Na₃PO₄), триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀), триметафосфат натрия [(NaPO₃)₃], полифосфат натрия [(NaPO₃)_n], триполифосфат калия (K₅P₃O₁₀), триметафосфат калия [(KPO₃)₃], полифосфат калия [(KPO₃)_n] и их смеси. При этом неорганические плавкие компоненты содержатся в пропитывающем водном растворе в количестве от 1,5 до 40 мас.%, предпочтительно от 2,5 до 35 мас.%, особенно предпочтительно от 3,5 до 30 мас.%. Поверхностно-активное вещество содержится в растворе в количестве от 0,2 до 30 мас.%, предпочтительно от 0,5 до 25 мас.%, особенно предпочтительно от 1,0 до 20 мас.% и выбирают его из группы солей алкилароматических сульфокислот, а именно солей щелочных металлов алкилбензосульфокислоты. Кроме того, графитовые блоки пропитывают водным раствором по меньшей мере в течение 5 дней, предел прочности графитового блока при сжатии составляет 100÷150 кгс/см², плотность графитового блока составляет 1,35÷2,10 г/см³.

Графитовые блоки пропитывают водным раствором, содержащим поверхностно-активное вещество и неорганические плавкие компоненты. Использование поверхностно-активного вещества, выбранного из группы солей алкилароматических сульфокислот, а именно солей щелочных металлов алкилбензосульфокислоты, с содержанием в растворе в количестве от 0,2 до 30 мас.%, предпочтительно от 0,5 до 25 мас.%, особенно предпочтительно от 1,0 до 20 мас.%. позволяет увеличить адгезию графита к поверхности инструмента, что способствует образованию устойчивого графитового слоя и увеличению концентрации графита на поверхности инструмента и, как следствие, приводит к повышению разделительной способности смазочного слоя. Содержание поверхностно-активного вещества в растворе менее 0,2 мас.% не позволяет получить устойчивый графитовый слой на поверхности инструмента. Содержание поверхностно-активного вещества в растворе более 30 мас.% не приводит к дальнейшему повышению адгезионных свойств графитового блока.

Введение в пропитывающий водный раствор неорганических плавких компонентов в количестве от 1,5 до 40 мас.%, предпочтительно от 2,5 до 35 мас.%, особенно предпочтительно от 3,5 до 30 мас.% позволяет внедрить в шероховатую поверхность нагретого инструмента, в частности валков, плавкие ингредиенты, обеспечивающие на контакте валок - деформируемый металл полужидкостное трение. Содержание неорганических плавких компонентов в пропитывающем растворе в количестве менее 1,5 мас.% не позволяет получить устойчивый сплошной разделительный слой, а содержание неорганических плавких компонентов в количестве более 40 мас.% приводит к ухудшению пропитывающих свойств раствора.

Неорганические плавкие компоненты выбирают из группы гидратированных солей натрия и калия фосфорсодержащих кислот либо их смесей, предпочтительно из группы ортофосфатов, и/или гидрофосфатов, и/или полифосфатов, и/или метафосфатов, либо их смесей, особенно предпочтительно из группы, включающей дигидрофосфат натрия (NaH₂PO₄), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄), гидрофосфат натрия (Na₂HPO₄), ортофосфат натрия (Na₃PO₄), триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀), триметафосфат натрия [(NaPO₃)₃], полифосфат натрия [(NaPO₃)_n], триполифосфат калия (K₅P₃O₁₀), триметафосфат калия [(KPO₃)₃], полифосфат калия [(KPO₃)_n] и их смеси. Использование данных компонентов обеспечивает растворимость в воде и легкоплавкость смазки. При этом обеспечивается эффективное разделение контактных поверхностей между инструментом и деформируемым металлом, снижение трения, что в конечном итоге повышает стойкость инструмента и качество готовой продукции.

Графитовые блоки изготавливают плотностью 1,35÷2,10 г/см³, при этом предел прочности графитового блока при сжатии составляет 100÷150 кгс/см², что обеспечивает механическую целостность графитового блока во время эксплуатации, образование смазывающего слоя необходимой толщины на поверхности инструмента, повышает ресурс (время) его использования и, таким образом, повышает стойкость инструмента и качество готовой продукции. При значениях плотности графитового блока и предела прочности менее нижнего значения каждой характеристики увеличивается вероятность разрушения блоков. Изготовление графитовых блоков плотностью более 2,10 г/см³ не обеспечивает необходимой толщины смазывающего слоя на поверхности инструмента, а значение предела прочности графитового блока более 150 кгс/см² приводит к повышению стоимости блоков, трудоемкости изготовления.

Графитовые блоки пропитывают водным раствором, содержащим поверхностно-активное вещество и растворимые в воде неорганические плавкие компоненты не менее 5 дней, что обеспечивает полное заполнение пористого пространства графитового блока пропитывающим раствором. Повышается адгезия и равномерность нанесения смазывающего состава, что, в свою очередь, позволяет повысить стойкость инструмента и качество готовой продукции.

При пропитке графитовых блоков менее 5 дней не происходит полного заполнения пористого пространства, снижается адгезия графита к поверхности инструмента, не обеспечивается равномерность нанесения смазывающего состава, снижается стойкость инструмента. Более длительное время пропитки не приводит к дальнейшему улучшению свойств графитового блока.

В результате применения заявляемой брикетированной графитовой смазки обеспечивается гарантированное разделение контактных поверхностей, происходит значительное снижение трения на контактных поверхностях и уменьшение износа инструмента. Кроме того, не происходит налипания металла на рабочую поверхность инструмента, повышается его стойкость и качество наружной поверхности проката. Отсутствие в составе заявляемой смазки масел и воска исключает горение этих веществ с образованием дыма, гари и копоти, что способствует улучшению экологии окружающей среды.

Промышленные испытания предлагаемой смазки осуществляли на калибровочном стане термического отдела ТПЦ ОАО «Таганрогский металлургический завод» при производстве труб размером 177,8×9,19 мм и 177,8×11,51 мм из стали марки 22ХГ2А (группа прочности Р110). Всего было прокатано 740,2 т труб. Температура прокатки составляла 560÷590°C; температура инструмента, в частности валков, в районе нанесения смазки составляла 50÷80°C. При этом фиксировали параметры прокатных валков до и после проведения прокаток (среднюю твердость, отклонение профиля калибра).

Графитовые блоки пропитывали, в частности, в течение 5 дней в водном растворе, содержащем 20% неорганического плавкого компонента, выбранного из группы, включающей дигидрофосфат натрия (NaH₂PO₄), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄), гидрофосфат натрия (Na₂HPO₄), ортофосфат натрия (Na₃PO₄), триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀), триметафосфат натрия [(NaPO₃)₃], полифосфат натрия [(NaPO₃)_n], триполифосфат калия (K₅P₃O₁₀), триметафосфат калия [(KPO₃)₃], полифосфат калия [(KPO₃)_n] и их смеси, и 15% поверхностно-активного вещества, выбранного из группы солей щелочных металлов алкилбензосульфокислоты.

При этом плотность графитового блока составляла 1,89 г/см³, предел прочности графитового блока при сжатии - 115 кгс/см². Графитовые блоки прижимали к поверхности инструмента охладителем (водой) под давлением 0,3÷0,4 бар, охлаждающая вода через центральные каналы гильз стабильной струей выходила на рабочую поверхность инструмента, в частности валков, навстречу их вращения.

Кроме того, проводили прокатку без использования брикетированной графитовой смазки при производстве труб размером 177,8×9,19 мм и 177,8×10,36 мм из стали марки 22ХГ2А (группа прочности Р110). Всего было прокатано 637,9 т труб. При этом также фиксировали параметры прокатных валков до и после проведения прокаток (среднюю твердость, отклонение профиля калибра).

Результаты проведения промышленных испытаний с использованием и без использования предлагаемой смазки представлены в таблице.

Для расчета значений среднего удельного износа валков взято среднее значение отклонения профиля по вершине калибра.

Средний удельный износ валков клетей калибровочного стана составил:

- опытная прокатка - 0,00035 мм/т труб;

- контрольная прокатка - 0,00048 мм/т труб.

Как видно из таблицы, применение предлагаемой смазки позволило повысить стойкость валков за счет снижения среднего удельного износа валков в среднем в 1,5 раза. Кроме того, при использовании предлагаемой смазки происходит снижение количества дефектов на наружной поверхности готовых изделий (продольные риски), повышается точность наружного диаметра и качество поверхности прокатанных изделий и возрастает выход годного.

Использование предлагаемой брикетированной графитовой смазки позволяет повысить стойкость инструмента, предназначенного для наружной горячей обработки металла давлением, повысить качество наружной поверхности изделия и улучшить экологию окружающей среды за счет снижения выбросов смазочного продукта.