Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях

Изобретение относится к смазочным композициям 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 композиции для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, представляющий собой смесь вспученного вермикулита, полимагнийфенилсилоксана и углеводородного связующего. Полимагнийфенилсилоксан используется для модифицирования поверхности вермикулита, 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 2559077, МПК С23С 26/00, В23Р 6/00, 2015).

Недостаток этого решения - существенная абразивность компонентов материала, входящих в состав вермикулита, что ограничивает применение данного состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей до случаев обработки поверхностей, имеющих задиры, нагартовки на черных металлах (в пределах допуска).

Известен также способ получения антифрикционного покрытия контактирующих трущихся поверхностей, заключающийся в размещении между ними антифрикционной композиции, модифицирующей контактирующие трущиеся поверхности, содержащей смешанную с углеводородным связующим смесь природных дисперсных серпентинсодержащего материала и вспученного вермикулита (см. RU 2361015, МПК С23С 26/00, В23Р 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.

Известен способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях, включающий размещение между контактирующими трущимися поверхностями антифрикционной композиции, содержащей вермикулит, модифицированный магнийфенилсилоксаном, и углеводородное связующее, при этом антифрикционную композицию подвергают гидродинамической кавитационной диспергации с частотой около 200 Гц предпочтительно не менее 30 мин с получением дисперсных твердых частиц крупностью меньше 1 мкм (см. RU 2559077, МПК С23С 26/00, 2015).

Недостаток этого решения - существенная абразивность вермикулита, что ограничивает применение данного состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, имеющих задиры.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение триботехнических характеристик антифрикционной композиции.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в снижении фрикционных качеств композиции за счет удаления значительной части абразивных элементов, таких как Al₂O₃, TiO₂ и др. При этом обеспечивается возможность изменения структуры вермикулита при использовании недорогого и широко распространенного вермикулита. Кроме того, обеспечивается возможность плакирования частиц модифицированного вермикулита при использовании полистирола. При этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие. Благодаря этому повышаются стабильность, прочность и долговечность антифрикционного покрытия.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих трущихся поверхностях, включающий размещение между контактирующими трущимися поверхностями антифрикционной композиции, содержащей модифицированный вермикулит и углеводородное связующее, при этом антифрикционную композицию подвергают гидродинамической кавитационной диспергации с частотой около 200 Гц предпочтительно не менее 30 мин с получением дисперсных твердых частиц крупностью меньше 1 мкм, отличается тем, что в процессе модификации вермикулит обрабатывают раствором 6-12% соляной кислоты из расчета ее 10-15 мл на 1 г вермикулита, после чего сухой вермикулит крупностью 5-20 нм вводят в раствор полистирола в толуоле, содержащий 1 г полистирола на 100 мл толуола, после чего суспензию с помешиванием доводят до кипения и кипятят 5 часов, после чего суспензию фильтруют, осадок сушат на воздухе в течение 24 часов.

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 процессе модификации вермикулит обрабатывают раствором 6-12% соляной кислоты из расчета 10-15 мл 6-12% соляной кислоты на 1 г вермикулита», позволяет уменьшить как количество абразивных элементов, так и размер частиц на два порядка.

Признаки, указывающие, что «сухой вермикулит крупностью 5-20 нм вводят в раствор полистирола в толуоле, содержащий 1 г полистирола на 100 мл толуола, после чего суспензию с помешиванием доводят до кипения и кипятят 5 часов, после чего суспензию фильтруют, осадок сушат на воздухе в течение 24 часов», приводят к понижению величины максимальной сорбции как основного, так и кислотного красителя (табл. 2). Это связано прежде всего с уменьшением удельной поверхности и повышением гидрофобности.

Заявленный способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана морфология поверхности исходного вермикулита; на фиг. 2 - морфология поверхности вермикулита, обработанного кислотой; фиг. 3 - дифрактограмма исходного вермикулита; фиг. 4 - дифрактограмма вермикулита после модификации 12% соляной кислотой; на фиг. 5 - дифрактограмма вермикулита, обработанного полистиролом; фиг. 6 - ИК-спектры исходного вермикулита.

Способ осуществляют следующим образом.

Вермикулит обрабатывают раствором 6-12% соляной кислоты (на 1 г вермикулита 10-15 мл 6-12% соляной кислоты). Для получения композита 10 г вермикулита, обработанного 6-12%-ным раствором соляной кислоты, помещают в колбу объемом 0,25 л, приливают 50 мл раствора полистирола в толуоле (50 мл толуола + 0,5 г полистирола), с помешиванием доводят до кипения и кипятят в течение 5 часов. Далее суспензию фильтруют, осадок сушат на воздухе в течение 24 часов. Количественный выход продукта составил 10,6 г.

Количество кремния после обработки вермикулита кислотой увеличивается за счет значительного снижения содержания магния, алюминия и железа (табл. 1), а также частично из-за высокого значения рН, равного 10.

Исходный вермикулит после механической активации (фиг. 1) имеет плотную кристаллическую поверхность гидрослюды и размер частиц примерно 5 мкм. После обработки кислотой размеры частиц уменьшаются до 6-10 нм (фиг. 2). Таким образом, модифицирование вермикулита кислотой позволяет уменьшить как количество абразивных элементов, так и размер частиц на два порядка.

Вермикулит имеет слоистую структуру, причем размер «галереи» [1] равен 14,3 Ǻ - 9,2 Ǻ = 5,1 Ǻ. При обработке кислотой происходит увеличение размера «галереи» за счет извлечения ионов алюминия, железа и магния.

Известно, что минералы (серпентинит, алюмосиликат и т.д.) в исходном состоянии имеют кристаллическую структуру, однако полиморфные структуры обладают большей износостойкостью. Для полиморфитизации алюмосиликата его подвергли кислотному гидролизу и последующему модифицированию. После кислотного гидролиза дифрактограмма алюмосиликата (фиг. 4) разрушается и становится аморфной. На дифрактограмме имеются отражения в области 2° и 22°, т.е. полученная структура очень похожа на структуру перлита, не характерную для вермикулита. Первое отражение, отвечающее межплоскостному расстоянию несколько сдвигается в область малых углов, т.е. больших расстояний (22 Ǻ). При этом второе отражение, отвечающее расстоянию внутри силоксановой цепи не изменяется. Изменение для d₁ составляет примерно 10,5 Ǻ.

На дифрактограмме образца вермикулита, обработанного полистиролом, наблюдается интенсивное отражение d₁₀₀, 14.00 Ǻ. «Галерея» в этом случае несколько меньше - на 0.3 Ǻ (около 2%) по сравнению с исходным вермикулитом (фиг. 5). Сравнение спектров (фиг. 3 и 5) показывает, что исчезают отражения в средней части спектра, отвечающие высокой степени кристалличности. Это связано с появлением полимерного углеродсодержащего покрытия на поверхности гранул вермикулита.

Обработка вермикулита полистиролом приводит к понижению величины максимальной сорбции как основного, так и кислотного красителя (табл. 2). Это связано прежде всего с уменьшением удельной поверхности и повышением гидрофобности. Последнее подтверждается данными ИК-спектроскопии. В ИК-спектре образца, обработанного полистиролом, практически исчезают полосы поглощения при 3200-3600 см^-1, отвечающие колебаниям связи Н-O силанольного гидроксила и адсорбировано-связанной воды. При этом наблюдаются полосы при 3026-3000 см^-1, отвечающие валентным колебаниям связи С-Н в фенильном радикале.

Таким образом, модификация вермикулита полистиролом приводит к изменению природы поверхности за счет появления углеродсодержащего покрытия.

Модифицированный вермикулит вводят в дизельное топливо из расчета 220-300 г смеси на литр и подвергают гидродинамической кавитационной диспергации с частотой около 200 Гц предпочтительно не менее 30 минут, которые определяют режимные параметры способа, обеспечивающие получение антифрикционной композиции.

Модифицирование поверхности вращающегося образца проводили фрикционно-механическим методом при нагрузке 400 Н в течение 1 мин. Толщина модифицированного слоя достигает 1 мкм.

Нагрузку при формировании покрытия и трибоиспытаниях изменяли в соответствии с режимами, приведенными в табл.3. Время получения покрытия и трибоиспытаний каждой пары трения составляло 1 час.

Исследования триботехнических свойств покрытий проводили на универсальной машине трения модели УМТВК производства АО «АвтоВАЗ» по схеме «ролик - колодка» при постоянной скорости скольжения 0,63 м/с. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали 40Х твердостью 230 НВ в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм. Перед проведением испытаний образцы полировали до Ra=0,32 мкм.

В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из вкладышей судовых среднеоборотных дизелей типа «Rillenlager» («Miba» 33). Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки М-14-Д2(цл 30) ГОСТ 12337-84.

В результате сравнительных испытаний установлено (табл. 4), что модифицирование стали композитом вермикулит + HCl + полистирол существенно снижает скорость изнашивания стали при нанесении покрытия по сравнению с композитом вермикулит + полимагнийфенилсилоксан (ПМФС) (более чем в 3 раза).

В процессе триботехнических испытаний пары трения «вал - вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях установлено, что скорость изнашивания стали, модифицированной композитом вермикулит + HCl + полистирол, меньше в 2 раза по сравнению с покрытием, полученным при использовании композита вермикулит + ПФС, скорость изнашивания антифрикционного покрытия вкладыша также ниже.

Литература

1. S. Sinha Ray, М. Bousmina. Biodegradable polymers and their layered silicate nanocomposites // Progress in Materials Science. - 2005. - V. 50. - P. 962-1079.