Патент на изобретение №2345110

(54) АНТИФРИКЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ

(57) Реферат:

Антифрикционное покрытие может быть использовано в шестеренных насосах для снижения трения и коррозионно-механического изнашивания в трибосопряжениях при воздействии на сопрягаемые детали химически активных реагентов, высоких температур и нагрузок и необходимости соблюдения при этом стабильности зазора. Антифрикционное покрытие состоит из трех слоев, внутреннего, промежуточного и верхнего, причем внутренний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак – 90 мас.ч. и алюмохромофосфатную связку – 10 мас.ч., промежуточный слой выполнен из чистого полиимидного лака – 100 мас.ч. и верхний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак – 90 мас.ч., графит коллоидный – 8 мас.ч. и лецитин – 2 мас.ч., толщина внутреннего слоя находится в пределах от 8 до 10 мкм, толщина промежуточного слоя находится в пределах от 16 до 20 мкм, толщина верхнего слоя находится в пределах от 24 до 30 мкм, а требуемая толщина покрытия достигается шлифованием верхнего слоя. В результате использования антифрикционного покрытия повышается долговечность узлов трения, в том числе шестеренных насосов, эксплуатируемых в химически активных средах. 2 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к антифрикционным покрытиям, используемым в шестеренных насосах для снижения трения и коррозионно-механического изнашивания между приводным валом и корпусом насоса и в других трибосопряжениях при воздействии на сопрягаемые детали химически активных реагентов, высоких температур и нагрузок и необходимости соблюдения при этом стабильности зазоров в трибосопряжениях.

Известен антифрикционный самосмазывающийся материал, используемый для покрытий, в котором в качестве связующего используется эпоксидная смола, а наполнителями являются полиамидная и кремнеземная ткань, дисульфид молибдена, бронзовый порошок и политетрафторэтилен (см. патент RU №2155198, кл. F16C 33/20, 27.08.2000).

Основным недостатком такого покрытия является высокий коэффициент трения.

Известно антифрикционное покрытие, содержащее твердые смазочные материалы – дисульфид молибдена, графит, нитрид бора и связующее на основе эпоксидной смолы, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: дисульфид молибдена – 25-58, графит – 25-58, нитрид бора – 7-16, связующее – 30-70, при этом покрытие наносится на металлическую поверхность тонкой пленкой из смеси твердых смазочных материалов и связующего (см. патент US №5482637, кл. F02B 77/02, 09.01.1996).

Эта композиция может быть использована в качестве антифрикционного износостойкого покрытия в узлах механизмов, эксплуатируемых в режиме сухого трения, при нагрузках до 10 кг/мм². Однако это покрытие имеет высокую пористость и не защищает металлическую подложку от коррозии при эксплуатации механизма в агрессивных средах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результат является антифрикционное покрытие, содержащее твердые смазочные материалы – дисульфид молибдена и графит, молибден и связующее на основе эпоксидной смолы, причем покрытие состоит из трех слоев, нижний из которых, прилегающий к металлической подложке, выполнен из молибдена, промежуточный слой выполнен из связующего без наполнителей, а верхний слой выполнен из связующего, в которое в качестве твердого смазочного материала введен графит (см. патент RU 2211260, кл. С23С 28/00, 27.08.2003).

Данное покрытие обеспечивает высокую износостойкость и низкий коэффициент трения сопряженных пар, прочность при сдвиге при работе в неагрессивных средах. Однако это покрытие не снижает коррозионно-механическое изнашивание пары трения при эксплуатации механизма в агрессивных средах, таких как щелочи и соляная кислота. Наряду с этим, покрытие, как и предыдущие аналоги, имея сравнительно низкую твердость, очень плохо поддается механическому шлифованию и полированию, что не позволяет использовать его для промышленного изготовления прецизионных деталей узлов трения, например шестерен насосов-дозаторов, перекачивающих агрессивные растворы.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение трибологических характеристик покрытия и придания ему свойств ингибитора коррозии, сопряженной с покрытием металлической пары трения, при его высокой твердости, прочности и адгезии к металлической подложке.

Техническим результатом является повышение долговечности антифрикционного покрытия, долговечности контртела и, соответственно, узла трения механизма в целом.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что антифрикционное покрытие состоит из трех слоев – внутреннего, промежуточного и верхнего, причем внутренний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак – 90 мас.ч. и алюмохромофосфатную связку – 10 мас.ч., промежуточный слой выполнен из чистого полиимидного лака – 100 мас.ч. и верхний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак – 90 мас.ч., графит коллоидный – 8 мас.ч. и лецитин – 2 мас.ч., при этом толщина внутреннего слоя находится в пределах от 8 до 10 мкм, толщина промежуточного слоя находится в пределах от 16 до 20 мкм, а толщина верхнего слоя находится в пределах от 24 до 30 мкм. Верхний слой шлифуют до требуемой толщины покрытия.

В антифрикционном покрытии каждый слой и его компоненты имеют свое функциональное назначение.

Прежде всего, использование полиимидного лака ПАК в качестве матрицы слоев покрытия позволяет покрытию работать в узлах трения, эксплуатируемых в химически активных средах при температурах до 300°С.

Высокие физико-механические характеристики полиимидов в сравнении с другими полимерами, в том числе твердость и предел прочности при растяжении, позволяют вести механическое шлифование и полирование полиимидных покрытий. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать промышленные партии деталей прецизионных механизмов, например насосов-дозаторов, со стабильно повторяющейся размерностью зазоров в трибосопряжениях.

Высокие смачивающие свойства полиимидного лака и связанная с этим равномерная толщина наносимого слоя позволяют проводить процесс нанесения покрытия путем использования обычных методов, например окунанием, кистью или распылением пульверизатором.

Внутренний слой покрытия – «адгезионный» служит для повышения адгезии полимерного покрытия к металлической поверхности, например поверхности приводного вала шестеренного насоса. Введение алюмохромофосфатной связки, относящейся к неорганическим клеям, в полиимидную матрицу позволило создать внутренний слой с высокой адгезией к металлической подложке, выдерживающий нагрев до 300°С и сохраняющий при этом высокую твердость. Этот слой по своим физико-механическим характеристикам, в том числе прочности при сжатии, растяжении, ударе и изгибе значительно превосходит характеристики других органических покрытий.

Промежуточный слой покрытия – «компенсационный», выполненный полностью из полиимидного лака, играет роль компенсатора давления в случае повышения температуры в трибосопряжении, например, при изменении температуры перекачиваемой насосом среды.

Верхний слой покрытия – «антифрикционный» выполняет несколько функций. Композиция коллоидного графита марки С-1 с полиимидным лаком придает покрытию свойства самосмазываемости. Введение в полиимидную матрицу лецитина, являющегося ингибитором коррозии, позволяет создавать при трении на поверхности контртела тонкие пленки, препятствующие его коррозионно-механическому изнашиванию, например изнашиванию корпуса шестеренного насоса-дозатора при вращении в нем приводного вала с покрытием. Именно верхний слой покрытия подвергается механической прецизионной шлифовке, а для особо точных изделий полировке для достижения номинальной точности размеров покрытия и шероховатости его поверхности.

В ходе проведенных испытаний была выявлена зависимость физико-механических и трибологических характеристик от толщины каждого из слоев антифрикционного покрытия. Наилучшие результаты были достигнуты, когда толщина внутреннего слоя находилась в пределах от 8 до 10 мкм, толщина промежуточного слоя находилась в пределах от 16 до 20 мкм, а толщина верхнего слоя находилась в пределах от 24 до 20 мкм.

Основными элементами технологии получения антифрикционного покрытия являются:

– приготовление композиций слоев;

– формирование слоев на стальных поверхностях со ступенчатой термоимидизацией промежуточных слоев;

– высокотемпературная термообработка;

– прецизионное шлифование верхнего слоя (в случае изготовления особо точных изделий – полирование).

Приготовление композиции внутреннего слоя покрытия включает в себя совмещение и перемешивание 90 мас.ч. полиимидного лака и 10 мас.ч. алюмохромофосфатной связки в мешалке лопастного типа для жидких полимеров с характеристической вязкостью 0,6…1,2 в течение 10-15 мин до полной гомогенизации.

Приготовление композиции верхнего слоя включает в себя совмещение и перемешивание 90 мас.ч. полиимидного лака, 8 мас.ч. графита и 2 мас.ч. лецитина в мешалке того же типа в течение 15-20 мин до полной гомогенизации.

Формирование внутреннего слоя покрытия осуществляется путем нанесения композиции кистью на металлическую поверхность, выдержки до полного растекания и термоимидизации при 427°С в течение 1 часа. Толщина слоя при этом находится в пределах 8…10 мкм.

Формирование промежуточного слоя покрытия осуществляется в 2 приема:

– нанесения 1-го слоя чистого полиимидного лака кистью на поверхность внутреннего слоя покрытия, выдержки до полного растекания и термоимидизации при 427°С в течение 1 часа. Толщина 1-го слоя при этом находится в пределах 8…10 мкм;

– нанесения 2-го слоя полиимидного лака кистью на поверхность 1-го слоя, выдержки до полного растекания и термоимидизации при 427°С в течение 1 часа. Толщина 2-го слоя при этом находится в пределах 8…10 мкм, а толщина промежуточного слоя покрытия – в пределах 16…20 мкм.

Формирование верхнего слоя покрытия осуществляется в 3 приема:

– нанесения 1-го слоя композита кистью на поверхность промежуточного слоя покрытия, выдержки до полного растекания и термоимидизации при 427°С в течение 1 часа. Толщина 1-го слоя при этом находится в пределах 8…10 мкм;

– нанесения 2-го слоя композита кистью на поверхность 1-го слоя, выдержки до полного растекания и термоимидизации при 427°С в течение 1 часа. Толщина 2-го слоя при этом находится в пределах 8…10 мкм;

– нанесения 3-го слоя композита кистью на поверхность 2-го слоя, выдержки до полного растекания и термоимидизации при 427°С в течение 1 часа. Толщина 3-го слоя при этом находится в пределах 8…10 мкм, а толщина верхнего слоя покрытия – в пределах 24-30 мкм.

Такое послойное нанесение лака и композиций с промежуточными слоями в 8…10 мкм и их термоимидизация при температуре 427°С позволяет изготовить покрытие с высокими физико-механическими характеристиками, в котором практически отсутствуют внутренние напряжения после его термообработки.

После формирования покрытия производится его высокотемпературная термообработка путем нагревания и выдержки покрытия в вакууме при температурах 250°С (1 час), 300°С (1 час), 350°С (1 час) и 400°С (30 мин).

После остывания изделия с покрытием до 20±2°С производится прецизионное шлифование верхнего слоя (в случае изготовления особо точных изделий – полирование).

При необходимости нанесения покрытия на тела вращения, например на вал шестеренного насоса-дозатора, полиимидный лак и композиции слоев наносятся на вал кистью, после чего вал устанавливается на приспособление и приводится во вращение со скоростью 300 об/мин. При таком способе формования обеспечивается равномерность и толщина слоев покрытия в необходимых пределах.

Были проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания антифрикционного покрытия в сравнении с его прототипом.

Лабораторные испытания покрытия проводились на торцевой машине трения. Покрытие наносилось на металлическую подложку из стали 95Х18, а в качестве контртела использовались шестерни насосов-дозаторов из этой же стали. Скорость скольжения – V=0,05 м/с, давление – Р=15 МПа, среда – кислый раствор арамидных волокон, содержащий 1,5% соляной кислоты. Покрытие прототипа наносили в соответствии с описанием RU 2211260, кл. С23С 28/00, 27.08.2003. В табл.1 и 2 отражены результаты испытаний. Линейный износ определялся по базовым точкам на оптиметре с ценой деления 1 мкм. 1, 2, 3 – номера образцов.

Из результатов лабораторных испытаний следует, что трибологические характеристики антифрикционного покрытия выше, чем у прототипа. Особенно это заметно при анализе изнашивания контртела, что подтверждает эффективность введения в покрытие ингибитора коррозии – лецитина. Твердость и предел прочности при растяжении предлагаемого покрытия выше, чем у покрытия-прототипа, что вероятно и позволяет механически шлифовать и полировать предлагаемое покрытие.

Опытно-промышленные испытания антифрикционного покрытия проводили на шестеренных насосах-дозаторах, перекачивающих агрессивные растворы арамидных волокон на предприятии ОАО «Каменскволокно». Антифрикционное покрытие и покрытие-прототип наносились на приводной вал насоса, и по времени наработки определялась их эффективность. Контртелом являлся чугунный корпус. В результате время наработки насоса с валом, покрытым антифрикционным покрытием, составило 768 часов, с покрытием прототипа – 1778 часов.

Таким образом, предлагаемое антифрикционное покрытие имеет высокий уровень свойств и обеспечит надежность и долговечность узлов трения шестеренных насосов и других механизмов, эксплуатируемых в агрессивных средах.

Как видно из описания, предлагаемое антифрикционное покрытие обладает изобретательским уровнем и может быть защищено патентом Российской Федерации.

Формула изобретения

Антифрикционное покрытие, состоящее из трех слоев: внутреннего, промежуточного и верхнего, отличающееся тем, что внутренний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак 90 мас.ч. и алюмохромофосфатную связку 10 мас.ч., промежуточный слой выполнен из чистого полиимидного лака 100 мас.ч. и верхний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак 90 мас.ч., графит коллоидный 8 мас.ч. и лецитин 2 мас.ч., причем толщина внутреннего слоя находится в пределах от 8 до 10 мкм, толщина промежуточного слоя находится в пределах от 16 до 20 мкм, толщина верхнего слоя находится в пределах от 24 до 30 мкм, а требуемая толщина покрытия достигается шлифованием верхнего слоя.