Композиция для самоотверждающегося антифрикционного покрытия

Композиция для самоотверждающегося антифрикционного покрытия

Реферат

Изобретение относится к антифрикционным самоотверждающимся покрытиям на полимерном связующем, применяемым в машиностроении для нанесения на детали узлов трения, работающих без смазки. Покрытия особенно эффективны для нанесения на детали, нагрев которых невозможен или затруднителен (крупногабаритные детали, полевые условия, восстановление поверхности трения без разборки механизма, недопустимость нагрева материала детали).

Известна композиция для антифрикционного покрытия, содержащая (мас.ч.): фенолоформальдегидную смолу резольного типа (100), эпоксидную диановую смолу (8-32), смесь графита с дисульфидом молибдена, взятых в соотношении 9:1-11:1 (45-70), кремниевую кислоту (1-6), дифениламин (0,1-0,7) [Патент РБ 5531, МПК С 08 L 61/10, С 08 J 5/16, 2003 (опубл.)]. Покрытия, изготовленные из данной композиции, имеют низкий коэффициент трения и высокую износостойкость, однако, покрытие может быть получено только при нагревании до температуры 160±10°С в течение не менее 30 мин.

Известна композиция для антифрикционного покрытия, содержащая (мас.ч.): ненасыщенную полиэфирную смолу (100), нафтенат кобальта (0,6-8,0), перекисный инициатор (0,8-4,0), смесь дисульфида молибдена с графитом, взятых в массовом отношении 8,5:1-11,5:1 (12-57), аэросил (0,3-2,4) и оксид цинка (3-15) [Патент РБ 5677, МПК С 08 L 67/06, С 08 J 5/16, 2003 (опубл.)]. Композиция отверждается без воздействия температуры, однако имеет сложный состав и технологию применения: в готовую композицию непосредственно перед изготовлением необходимо вводить ускоритель и инициатор полимеризации и быстро использовать полученную смесь. Уже через 30 минут смесь может оказаться непригодной для применения. Кроме того, известное покрытие обладает невысокими антифрикционными свойствами.

Также известно антифрикционное твердосмазочное покрытие, содержащее (мас.%): дисульфид молибдена (50-70), коллоидный графит (7-20), усы карбида кремния β-модификации с отношением длины к диаметру 30-300 (0,15-1,1) и эпоксифенольный лак [Патент РФ 2017800, МПК С 10 М 169/04, 1994 (опубл.)]. Недостатком покрытия является низкая фрикционная долговечность и дефицитность одного из компонентов - усов карбида кремния.

Кроме того, известен состав для нанесения антифрикционных покрытий, содержащий (мас.%): полиэфирную смолу на основе фталевого ангидрида, адипиновой кислоты и глицерина при их молярном соотношении (0,45-0,55):(0,55-0,45):(0,60-0,70) с кислотным числом 150-270 мг КОН (10-25), коллоидный графит, дисульфид молибдена или их смесь (2-20) и органический растворитель [Патент РФ 2031912, МПК С 08 L 67/08, 1995 (опубл.)]. Покрытие имеет высокую адгезию к алюминиевой подложке, но невысокие антифрикционные свойства.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является композиция для антифрикционного покрытия, содержащая (мас.ч./мас.%): дисульфид молибдена (50/33,3) и лак БФ-2 или БФ-4 (100/66,7) [Авторское свидетельство СССР 154345, МПК С 09 D 3/48, 1963 (опубл.) - прототип]. Недостатком известной композиции являются невысокие антифрикционные свойства, что проявляется в повышенном коэффициенте трения, узком диапазоне рабочих нагрузок, высокой износостойкости. Кроме того, известная композиция обладает невысокой адгезией к стальным поверхностям и требует обязательной термообработки при 170-180°С в течение 1-1,5 часов.

Задача изобретения - повышение антифрикционных свойств, адгезии к стали и исключение необходимости воздействия температуры.

Поставленная задача решается за счет того, что композиция для самоотверждающегося антифрикционного покрытия, содержащая дисульфид молибдена и лак, содержит в качестве лака полиакриловый лак и дополнительно - кристаллический иод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дисульфид молибдена	10,0-18,0
Кристаллический иод	0,2-0,6
Полиакриловый лак	Остальное,

а также за счет того, что она дополнительно содержит ультрадисперсный β-сиалон в количестве 0,2-0,5 мас.%.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В качестве связующего для изготовления композиции используется полиакриловый лак марок АК-113 и АК-113Ф по ГОСТ 23832-79, представляющий собой раствор полиакриловой смолы в смеси органических растворителей (этиловый и бутиловый спирты, толуол, ксилол, бутилацетат) с добавлением модификатсров. В отличие от большинства полимерных смол, он не требует для своего отверждения воздействия температуры, что делает его незаменимым в том случае, если нагрев деталей, на которые наносится покрытие, невозможен или противопоказан. В отличие от простого спиртового раствора полиакриловой смолы лак содержит комплексный растворитель и ряд модификаторов, значительно улучшающих свойства получаемых покрытий.

Дисульфид молибдена является одной из самых лучших сухих смазок, применяемых для изготовления твердых смазочных покрытий. При содержании дисульфида молибдена менее 10 мас.% повышается коэффициент трения покрытия, а при содержании более 18 мас.% снижается износостойкость и адгезия.

Кристаллический иод играет роль противоизносной антифрикционной присадки, значительно снижая коэффициент трения, износ как покрытия, так и сопряженного контртела, расширяет диапазон рабочих нагрузок. При содержании иода менее 0,2 мас.% противоизносный эффект незаметен, а введение иода в количестве более 0,6 мас.% не приводит к дополнительному положительному эффекту.

Дополнительное введение в композицию ультрадисперсного β-сиалона позволяет уменьшить коэффициент трения и интенсивность изнашивания антифрикционного покрытия.

Ультрадисперсный β-сиалон получают плазмохимическим синтезом. Он представляет собой твердый раствор на основе нитрида кремния, в котором атомы азота частично заменены кислородом, а атомы кремния - алюминием. В предлагаемой антифрикционной композиции использован ультрадисперсный β-сиалон фирмы "Plasma. Keramic. Technologija Ltd" (Литва).

Характеристики ультрадисперсного β-сиалона приведены в таблице 1.

Будучи введенным в антифрикционную композицию, он играет роль модификатора трения, снижая коэффициент трения, особенно при высоких нагрузках. Форма частиц β-сиалона близка к сферической, в связи с чем можно предположить, что при трении микросферы β-сиалона способны играть роль тел качения, что и приводит к значительному снижению коэффициента трения. Введение в композицию β-сиалона в количестве менее 0,2 мас.% не приводит к снижению коэффициента трения, а введение β-сиалона более 0,5% не приводит к дополнительному эффекту, но значительно повышает стоимость материала покрытия.

Композицию для самоотверждающегося антифрикционного покрытия готовят следующим образом. В стандартном полиакриловом лаке растворяют кристаллический иод. Затем вводят порошкообразный дисульфид молибдена и тщательно перемешивают. После этого, при необходимости, вводят ультрадисперсный β-сиалон. Для его равномерного распределения в объеме композиции целесообразно применять ультразвуковое диспергирование. Готовую композицию наносят на рабочую поверхность детали узла трения методом распыления, окунания или кистью. При необходимости для снижения вязкости композиции ее можно разбавлять растворителем марки Р-5 (ГОСТ 7827-74). Полученное покрытие сушат при температуре 20±5°С в течение 0,5-2 часов. Время высыхания зависит от толщины покрытия.

Антифрикционную композицию по прототипу готовили следующим образом.

В лак марки БФ-2 (ГОСТ 12172-74) вводили дисульфид молибдена и тщательно перемешивали. Полученную суспензию наносили на поверхность трения испытуемого образца. После сушки в течение 15 мин наносили второй слой покрытия, который также высушивали в течение 15 мин, а затем термообрабатывали при температуре 170-180°С в течение 1,5 часов.

Составы композиций по изобретению приведены в табл.2. Сравнительные свойства покрытий, изготовленных согласно изобретению и по пототипу, приведены в табл.3. Как следует из данных, приведенных в табл.3, покрытие, изготовленное из предлагаемой композиции, обладает рядом более высоких показателей.

Так, максимальная рабочая нагрузка у предлагаемого покрытия составляет 8,75-10,0 МПа, в то время как покрытие по прототипу не работоспособно при нагрузках более 3,75 МПа. Коэффициент трения предлагаемого покрытия в основном диапазоне рабочих нагрузок значительно ниже, чем у покрытия по прототипу. Интенсивность изнашивания покрытия согласно изобретению в 1,2-1,5 раз ниже, чем у известного покрытия. Адгезия к стали у предлагаемого покрытия в 1,2-1,5 раз выше, чем у покрытия по прототипу.

Кроме того, несомненным преимуществом предлагаемой композиции является его самополимеризуемость, т.е. отсутствие необходимости термообработки покрытия, что значительно расширяет области ее применения.

Примеры II, VI и IX показывают, что дополнительное введение в состав β-сиалона позволяет улучшить антифрикционные свойства покрытия.

Таблица 2Составы композиций, мас.%
Компонент	I	Заявляемые составы	X	XI	XII
		II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Дисульфид молибдена	8	10,0	10,0	14,0	16,5	16,5	16,75	18,0	18,0	20,0	17,0	-
Кристаллический иод	0,8	0,6	0,6	0,5	0,5	0,25	0,25	0,2	0,2	0,1	-	0,25
β-сиалон	0,1	0,2	-	-	-	0,25	-	-	0,5	-	-	-
Полиакриловый лак марки
АК-113	91,1	-	-	-	83,0	83,0	83,0	81,8	81,3	79,9	83,0	99,75
АК-113Ф	-	89,2	89,4	85,5	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 3Сравнительные свойства композиций
Характеристика	Прототип а.с. СССР №154345	I	Заявляемый состав	X	XI	XII
			II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Коэффициент трения при скорости 0,5 м/с и нагрузке, МПа:
2,5	0,12	0,23	0,12	0,12	0,12	0,12	0,09	0,12	0,13	0,12	0,23	0,14	0,23
3,75	0,18	0,25	0,09	0,10	0,11	0,10	0,08	0,11	0,12	0,11	0,25	0,20	задир
5,0	задир	задир	0,08	0,09	0,10	0,09	0,09	0,10	0,10	0,10	0,28	0,21
6,25			0,07	0,08	0,09	0,11	0,08	0,08	0,13	0,11	задир	задир
7,5			0,10	0,12	0,11	0,13	0,10	0,10	0,15	0,14
8,75			0,16	0,17	0,14	0,14	0,13	0,13	0,16	0,15
10,0			задир	задир	0,16	0,14	0,14	0,15	задир	задир
Интенсивность изнашивания, 10-8 (V=0,5 м/с, Р=2,5 МПа)	4,2-6,7	4,4	3,8	2,6	3,0	3,2	2,8	3,6	3,0	2,8	4,5	4,8	6,8
Адгезионная прочность к стали, МПа	0,26-0,30	0,40	0,40	0,40	0,40	0,38	0,38	0,38	0,37	0,37	0,37	0,38	0,40

Контрольные примеры I и X показывают, что выход за заявляемые пределы содержания компонентов приводит к ухудшению всех показателей, в первую очередь к снижению максимальной рабочей нагрузки. Контрольный пример XI показывает, что исключение из основного состава иода приводит к снижению антифрикционных свойств. Контрольный пример XII показывает, что исключение из основного состава дисульфидамолибдена делает покрытие неработоспособным.

Таким образом, только полное сочетание отличительных признаков позволяет достичь положительного эффекта.

Фрикционные испытания проводили на машине трения СМТ-1 по схеме вал - частичный вкладыш при скорости скольжения 0,5 м/с и удельных нагрузках 2,5-10,0 МПа. Покрытие наносили на фольгу из стали 3, закрепленную на вкладыш с площадью рабочей поверхности 2 см². В качестве контртела использовали ролик из стали 45 с исходной шероховатостью R_a≤0,32 мкм. Адгезионную прочность покрытий измеряли на разрывной машине на стальных образцах шириной 10 мм, склеенных внахлест с площадью перекрытия 1 см².

Предлагаемая композиция была испытана для восстановления изношенных поверхностей подшипников скольжения гидроагрегатов на ПО "Гидроавтоматика" (г.Гомель) и показала высокую работоспособность, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость".

1. Композиция для самоотверждающегося антифрикционного покрытия, содержащая дисульфид молибдена и лак, отличающаяся тем, что в качестве лака содержит полиакриловый лак и дополнительно - кристаллический иод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дисульфид молибдена	10,0-18,0
Кристаллический иод	0,2-0,6
Полиакриловый лак	Остальное

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ультрадисперсный β-сиалон в количестве 0,2-0,5 мас.%.