Eng
Главная Научная база Патент № 2415176
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 26 гостей онлайн
Патент № 2415176

НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОРОШКОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ), НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ

Заявка: 2009121480/04, 29.05.2009

Дата начала отсчета срока действия патента: 29.05.2009

Приоритет(ы):
Дата подачи заявки: 29.05.2009
Дата публикации заявки: 10.12.2010 Бюл. № 34
Опубликовано: 27.03.2011 Бюл. № 9

Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2035636 С2, 20.05.1995. RU 2057257 С1, 27.03.1996. RU 2266979 С1, 27.12.2005. RU 2293892 С1, 20.02.2007. CN 101126047 А, 20.02.2008.

Авторы и патентообладатели:
Давыдов Николай Александрович (RU) ,
Зуев Валерий Владимирович (RU),
Рейбанд Юрий Яковлевич (RU).

Лицензиат:
ООО «НЭСК» (RU)


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

РЕФЕРАТ

Использование: в узлах трения различных механизмов и агрегатов. Сущность: порошковая композиция содержит серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 с вкрапленным магнетитом Fe3O4 при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, вкрапленный магнетит 20-30, примеси не более 5. Также порошковая композиция содержит серпентин с вкрапленным магнетитом, магнезит MgCO3 и магнезиально-железистый силикат (MgFe)7[Si4O10](OH)8 при соотношении, мас.%: серпентин 65-75, магнетит 10-25, магнезит 5-15, магнезиально-железистый силикат 2-7. Серпентин содержится преимущественно в фазе лизардита IT, размер вкраплений магнетита - не более 50-300 нм. Смазочная композиция содержит 0,5-80 мас.% порошковых композиций в связующем. Способ смазки включает размещение между трущимися поверхностями порошковых композиций в связующем. Технический результат – сокращение времени образования сервовитной пленки без предварительной микрошлифовки, снижение трения, пoвышение износостойкости и ресурса трущихся поверхностей, сокращение расхода горюче-смазочных материалов и электроэнергии при функционировании машин и механизмов. 6 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 табл.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области нанотрибологии, технике производства и использования нанотехнологических смазочных материалов и может найти применение в авиационной, судостроительной, металлообрабатывающей, металлургической, полиграфической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности для уменьшения износа и нанотехнологического восстановления повреждений трущихся поверхностей узлов трения простых и сложных механизмов и агрегатов, автомобильных и железнодорожных транспортных средств, объектов тяжелого машинного и промышленного оборудования, например подъемных кранов, горнодобывающих комплексов, насосов газо- и нефтеперегонных установок, в парах трения металл-металл, металл-металлокерамика, металл-полимер (капрон, капролан, фторопласт), колесо-рельс, в гидравлических системах, в прецизионных механизмах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уменьшения износа узлов трения является актуальной задачей в связи со сложностью процессов взаимодействия трущихся поверхностей узлов трения в различных условиях эксплуатации, применением разных смазочных материалов и композиций, необходимостью учета многочисленных оказывающих воздействие на процессы трения факторов.

Одним из перспективных направлений в области трибологии смазочных материалов является использование для уменьшения износа узлов трения тонкодисперсных антифрикционных порошковых композиций, вводящихся в узлы трения в составе как жидких, так и густых смазок, что повышает однородность распределения компонентов, увеличивает поверхность их контакта и способствует восстановлению поврежденных поверхностей трения посредством формирования сервовитной пленки, для создания которой используют соединения на основе минеральных гидросиликатов магния, в основном – серпентенита, который используют в качестве минеральной модифицирующей добавки к смазочным материалам или минерального модификатора трения (ММТ).

Известен способ формирования сервовитной пленки на контактируемых и трущихся поверхностях, заключающийся в том, что для повышения механических свойств пленки, ресурса и надежности трущихся поверхностей между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь абразивоподобного вещества со связующим, при этом в качестве абразивоподоб юго порошка используют природный серпентинит дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-40 мас.% [1].

Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями элементов пары трения размещают предварительно активированную смесь абразивоподобного порошка в органическом связующем, после чего поверхности трения элементов прирабатывают, согласного которому используют активированную смесь, содержащую следующие ингредиенты, мас.%: природный серпентинит 0,5-40,0 (Печенговского месторождения), сера 0,1-5,0, ПАВ 1-40, органическое связующее – остальное, причем перед размещением активированной смеси между поверхностями трения элементов элемент пары трения с большей твердостью вводят в контакт с технологическим элементом с равной или большей твердостью, упомянутую активированную смесь сначала размещают между ними, при этом обрабатываемый элемент намагничивают и подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока, а технологический элемент к положительному полюсу, затем упомянутые поверхности трения прирабатывают, после чего технологический элемент заменяют элементом пары трения [2]

Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, включающий размещение между трущимися поверхностями состава из размельченного, предварительно механоактивированного абразивоподобного порошка и связующего, согласно которому для повышения износостойкости трущихся поверхностей в качестве абразивоподобного порошка используют природный серпентинит, содержащий, мас. %: MgO, СаО 20-60, SiО4Al2О3 20-60, Н2O 3-10, примеси пород 3-10, а предварительную механоактивацию производят с пульсацией давления 0,1-1 МПа при 40-100°С, размещение смеси и приработку трущихся поверхностей осуществляют при температуре механоактивации [3].

Общим недостатком, ограничивающим и даже делающим невозможным практическое использование данных решений, является неопределенность минералогического и химического состава «природного серпентинита», поскольку известно, что серпентинит – горная порода, включающая в себя серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 в качестве базового элемента, составляющего не менее 50% от общего объема породы, и другие минералы, в частности тальк Mg3Si4O10(OH)2, пирротин FeS, энстатит MgSiO3, фаялит (Fe0,94Мg0,06)2SiO4 и др. число которых может доходить до 100, без учета «следов» химических элементов. Кроме этого в различных серпентинитах серпентин содержится в различных фазах – антигорита, хризотила, лизордита и др.

Входящие в состав серпентинита примеси минералов и элементов, в частности, создают характерный окрас, поэтому только поделочных и облицовочных серпентинитов известны тысячи видов. Подавляющее большинство из природных серпентинитов непригодно для производства добавок к смазочным материалам из-за повышенного наличия абразивов, таких как SiO2 или других элементов, а также из-за несоответствующего элементного состава или структуры.

Таким образом, используя «природный серпентинит» неизвестного состава можно получить отрицательный результат и даже в отдельных случаях при применении «природного серпентинита» неизвестного состава на технически ответственных объектах обеспечить техногенную катастрофу.

Известно также, что для производства модифицирующих добавок в составе серпентинита необходимо присутствие минералов с общей химической формулой FexOy, как правило, это магнетит Fe3O4, реже – гематит Fe2O3. Однако свободный магнетит Fe3O4 – ярко выраженный абразив и его избыток приводит к резкому повышению абразивного износа.

В производстве большинства ММТ использует серпентиниты определенных известных месторождений, по которым известен состав входящих в них основных минералов и после дробления породы обычно по цвету отбирают наиболее подходящее сырье, имеющее часто, но не обязательно близкие параметры по химическому составу.

Как правило, в состав примесей серпентинита входят такие минералы, как оливин, амфиболы, пирексены, шпинели, тальк и другие. При этом большинство из указанных, находящихся в природных породах примесей минералов запатентовано как специальные добавки к серпентину для улучшения эффективности конечного продукта ММТ.

Известна антифрикционная тонкодисперсная композиция, содержащая, мас.% 65-95 природного гидросиликата магния (антигорит, серпентин, серпентенит, тальк), 0,5-10,0 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа (MnO2, ZnO, CoO, A12O3, CdO, GeO2) и 4,5-25 твердого раствора этих оксидов со структурой граната и/или шпинели (магнитоактивный компонент) [4].

Применение этой композиции в составе жидких и густых смазок в различных узлах трения показывает относительно высокую прочность образующейся на трущихся металлических поверхностях и обеспечивающей снижение износа и повышение срока службы узлов трения сервовитной пленки, но она формируется в течение длительного времени.

Известная антифрикционная тонкодисперсная порошковая композиция, включающая природный гидросиликат магния, оксиды металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и магнитоактивный компонент, в качестве оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа содержит смесь А12О3, Сr2O3, ТiO2 и ZrO2, а в качестве магнитоактивного компонента – твердый раствор ферромагнитной керамики с гексогональной структурой при следующем соотношении компонентов, мас.%: 75-92 природного гидросиликата магния, 3-7 оксидов металлов с меньшим сродством к кислороду относительно железа и 5-20 твердого раствора ферромагнитной керамики с гексагональной структурой – гексаферриты бария, стронция или бария и стронция, а именно гексаферрит баррия с химической формулой BaFe6O19; гексаферрит стронция с химической формулой SrFe6O19; гексаферрит бария и стронция с химической формулой Ba1-ySryFe6O19, где 0,1≤у≤0,9; замещенный гексаферрит бария с химической формулой BaFe6-xMexO19, где Me – по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Al, Cr, T, Zr, Mg, Сu, а 0,1≤х≤0,5; замещенный гексаферрит стронция с химической формулой SrFe6-xMexO19, где Me – по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Сu, а 0,1≤х≤0,5; замещенный гексаферит бария и стронция с химической формулой Ва1-ySryFe6-xMexO19, где Me – по крайней мере один катион металла, выбираемого из группы: Al, Cr, Ti, Zr, Mg, Сu, 0,1≤у≤0,9, а 0,1≤х≤0,5 [5].

Данная композиция обеспечивает сокращение времени формирования сервовитной пленки с сохранением высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения и расширение диапазона рабочих температур композиции, но обладающие абразивными свойствами фрагменты ферромагнитной керамики способствуют повышенному износу поверхностей трения.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату (прототипом для антифрикционных порошковых композиций) является антифрикционная порошковая композиция, содержащая, мас.%: 51-60 серпентина, 20-40 талька и 8-10 серы, пиротина, энстатита и фаялита, взятых в равных долях [6]. Данная композиция не обеспечивает высокой прочности и долговечности сцепления формирующейся сервовитной пленки с трущимися металлическими поверхностями узлов трения из-за различия коэффициентов линейного термического расширения данной пленки и материала трущихся поверхностей, а также из-за нестабильности структуры пленки при сравнительно невысоких температурах.

Известны твердосмазочные композиции для тяжелонагруженных узлов трения в виде смеси жидкого или густого связующего и абразивоподобных компонентов, которые применяют в подъемных кранах, оборудовании горнообогатительных комбинатов, в насосном оборудовании газо- и нефтепроводов, автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании судов и др. Твердосмазочные композиции по сравнению с другими типами смазок в большей степени обеспечивают в узлах трения теплоотвод и уменьшение трения и износа трущихся поверхностей. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату (прототипом смазочной композиции) является смазочная композиция для ускоренного формирования сервовитной пленки триботехническим составом, включающая механоактивированно приготовленную смесь абразивоподобного порошка со связующим, в которой для повышения устойчивости сервовитной пленки в качестве абразивоподобного порошка используют состав, содержащий, мас.%: серпентин (Mg6-xAlx)(Si4-xAlx)O10(ОН)8 при х=0,75 51-60, тальк Mg3Si4O10(OH)2 20-40, серу S, пирротин FeS, энстатит MgSiO3, фаялит (Fe0,94Mg0,06)2SiO4 8-10 (взятые в равных долях), которую предварительно обрабатывают при непрерывном перемешивании сухим насыщенным паром в течение 20-25 мин при 110-115°С [6].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату (прототипом) является способ смазки путем формирования покрытия на трущихся поверхностях, по которому для создания покрытия на трущихся поверхностях состав из мелкодисперсной смеси минералов серпентина, энстатита и магнетита или их сочетания по меньшей мере с одним минералом, выбранным из амфибола, биотита, ильменита, пентландита, пирротина, талька халькопирита или самородной серы, и связующего дисперсностью 0,01-1 мкм механоактивируют апериодическими колебаниями при соотношении в составе, мac. %: смесь минералов 3,3; связующее 96,7, затем состав размещают между трущимися поверхностями и прирабатывают. Ингредиентное содержание состава следующее, мас.%: MgO 20-35; SiO2 30-40; Fe2O3 10-15; FeO 4-6; А12О3 3-8; S 2-6; сопутствующие примеси (Ti, V, Mn, Ni, Cr, Сu, К, Са, Со) до 100 [7].

Научными исследованиями авторов заявляемого изобретения установлено, что наличие в смазочных композициях тонкодисперсных абразивных минералов, которых большинство в составе примесей большинства природных серпентинитов, в частности в виде свободного магнетита, при использовании в смазках воздействуют на поверхности трения в качестве тонкого абразива, выполняя по сути функцию микрошлифовки. Такие вещества в случае определенной концентрации вызывают абразивный износ. Действительно указанный процесс микрошлифовки вначале уменьшает параметры шероховатостей поверхностей трения (значения Ra и Rz) приводит к первоначальному снижению трения (снижает значение Ктр), снижает энергопотребление, уменьшает шумы и вибрацию, но по истечении определенного времени приводит к резкому ухудшению трибологических параметров, а в дальнейшем даже к поломкам машин и механизмов.

Наличие абразивных составляющих, приводя к микрошлифовке поверхностей трения в случае оптимальной дозировки серпентинитовой добавки в смазочную систему, способно вызвать определенный положительный эффект, например увеличить ресурс подшипников качения до 30%, но в случае передозировки значительно сокращает их ресурс, вызывает заклинивание, способствует образованию задиров.

Как установлено авторами настоящего изобретения, наличие в трибосистеме абразивных минералов препятствует нанотриботехнологическому процессу образования зеркал скольжения за счет физико-химических процессов терморазложения серпентина и магнетита, так как абразивные частицы просто удаляют наночастицы с поверхностей триботехнических систем.

Несмотря на заполнение впадин микронеровностей, материалы с абразивом не могут считаться нанотехнологическими, поскольку далеко не любой серпентенит в состоянии обеспечить образование наночастиц и на их основе формирование требуемых сервовитных пленок.

Обычно контроль качества подобных материалов и исходного сырья осуществляется путем получения проб порошков с дальнейшими испытаниями на машинах трения. Данная технология контроля проста по испытанию материалов на их соответствие техническим условиям в плане значений индекса задира и коэффициента трения, но общепринятая технология контроля является упрощенной, она не отражает качества всей партии сырья и у большинства производителей согласно исследованиям экспертов вообще отсутствует входной контроль, а выходной сводится только к гистограммам крупности частиц ММТ, то есть к определению распределения дисперсности частиц.

Общими недостатками известных решений (аналогов и прототипа) является неопределенность и нестабильность природного состава материалов композиций, обычное наличие крупноразмерных абразивных материалов, препятствующих гонкому размолу и получению мелкодисперсного порошка. При этом известные композиции отличаются практической непредсказуемостью положительных и

отрицательных результатов применения, неоднородностью состава различных партий, недостаточной эффективностью, необходимостью специального предварительного обучения и обязательных пробных предварительных испытаний перед началом применения в лабораторных условиях.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Основная техническая проблема (цель изобретения) заключается в обеспечении ускоренного формирования нанотехнологической сервовитной пленки при сохранении высокой прочности ее сцепления с трущимися металлическими поверхностями узлов трения.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, – ускоренное формирование прочно связанной с трущимися поверхностями нанотехнологической сервовитной пленки без предварительной микрошлифовки, уменьшение износа элементов узлов трения, уменьшение коэффициента трения трущихся поверхностей, упрочение и повышение износостойкости и ресурса трущихся поверхностей, снижение вибрации и шума работы машин и механизмов, сокращение расхода горюче­смазочных материалов и электроэнергии при функционировании машин и механизмов, снижение тепловых зазоров и рабочих температур в зоне трения.