RU2211260C1

RU2211260C1 - Antifriction composite coating

Info

Publication number: RU2211260C1
Application number: RU2001135021/02A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Иванов; Т.В. Савостина; Л.В. Алонцева
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-08-27

Abstract

FIELD: antifriction materials. SUBSTANCE: invention can be used in slider bearings and other coupled parts operated under conditions of high temperatures, heavy loads, and under unfriendly atmospheric conditions. Coating consists of three layers. Layer adjacent to substrate has thickness 10-15 mcm and is made from molybdenum. Intermediate layer 1-3 mcm thick contains epoxide resin-based binder. Outside layer 15-50 mcm thick consists of solid grease containing molybdenum disulfide, graphite, and cadmium oxide. Molybdenum layer is made by depositing it onto substrate using electro-spark alloying technique. EFFECT: increased wear resistance, shear strength, and lowered couple fraction coefficient. 3 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к антифрикционным покрытиям, используемым в подшипниках скольжения и других сопряжениях для снижения трения, износа и межкристаллитной коррозии на стальных деталях при воздействии высоких температур, нагрузок и атмосферных условий. The invention relates to mechanical engineering, namely to antifriction coatings used in sliding bearings and other joints to reduce friction, wear and intergranular corrosion on steel parts when exposed to high temperatures, loads and atmospheric conditions.

Одним из сложнейших вопросов, стоящих перед современным материаловедением, является обеспечение надежной защиты деталей авиационной техники от воздействия внешней среды и обеспечения работоспособности узлов трения на воздухе и в воде при температурах от -100^oС до +250^oС и удельных нагрузках до 20 кгс/мм². Важным является снижение потерь энергоресурсов на трение, для этого коэффициент трения должен быть меньше значения 0,1.One of the most difficult issues facing modern materials science is the provision of reliable protection of aircraft parts from environmental influences and ensuring the operability of friction units in air and in water at temperatures from -100 ^o С to +250 ^o С and specific loads up to 20 kgf / mm ² . It is important to reduce energy losses due to friction, for this the coefficient of friction should be less than 0.1.

Известно антифрикционное покрытие, наносимое на стальную ленту распылением сплава на основе меди. В состав сплава входит: (2-10)% Ni; (8-27)% Pb; (0,5-10)% Sn и остальное Сu [1]. Known anti-friction coating applied to a steel strip by spraying an alloy based on copper. The composition of the alloy includes: (2-10)% Ni; (8-27)% Pb; (0.5-10)% Sn and the rest of Cu [1].

В состав композиции не входят твердые смазки и такое покрытие не является самосмазывающимся, оно не способно обеспечить низкий коэффициент трения и требуемую износостойкость. The composition of the composition does not include solid lubricants and such a coating is not self-lubricating, it is not able to provide a low coefficient of friction and the required wear resistance.

Известен стальной материал с анифрикционным композиционным покрытием, представляющим собой порошок металла, твердую смазку - графит и фенолосодержащее связующее [2]. Known steel material with an antifriction composite coating, which is a metal powder, a solid lubricant - graphite and phenol-containing binder [2].

Такое покрытие обладает высокой несущей способностью, но присутствие в композиции только графита как твердосмазывающего компонента обуславливает высокий коэффициент трения композиции, а подложка из холоднотянутой жести и порошок металла в составе покрытия обуславливают низкую коррозионную стойкость. Such a coating has a high bearing capacity, but the presence of only graphite as a solid lubricating component in the composition leads to a high coefficient of friction of the composition, and the cold-drawn sheet substrate and the metal powder in the coating composition cause low corrosion resistance.

Известен антифрикационный композит, в котором используется полиамидная и кремнеземная ткань, дисульфид молибдена, бронзовый порошок и связующая - эпоксидная - смола [3]. Known antifriction composite, which uses polyamide and silica fabric, molybdenum disulfide, bronze powder and a binder - epoxy - resin [3].

Основным недостатком такого покрытия является высокий коэффициент трения и низкая адгезия к металлическим поверхностям. The main disadvantage of such a coating is a high coefficient of friction and low adhesion to metal surfaces.

Известно композиционное покрытие на основе диановой смолы с наполнителем из порошка железа и графита [4]. Known composite coating based on Diane resin with a filler of iron powder and graphite [4].

Недостатком этой композиции является высокий коэффициент трения и низкая коррозионная стойкость. The disadvantage of this composition is the high coefficient of friction and low corrosion resistance.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому изобретению является антифрикционное композиционное покрытие, содержащее твердую смазку - дисульфид молибдена, графит, нитрид бора, и связующее на основе эпоксидной смолы при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Связующее - 30-70
Графит - 25-58
MoS₂ - 25 58
BN - 7-16
Адгезионное покрытие наносится на металлическую поверхность тонкой пленкой из смеси твердой смазки и связующего [5].The closest analogue in technical essence to the claimed invention is an antifriction composite coating containing a solid lubricant - molybdenum disulfide, graphite, boron nitride, and an epoxy resin binder in the following ratio of components, parts by weight:
Binder - 30-70
Graphite - 25-58
MoS ₂ - 25 58
BN - 7-16
The adhesive coating is applied to the metal surface with a thin film of a mixture of solid lubricant and a binder [5].

Композиция может быть использована в качестве износостойкого антифрикционного покрытия в тонких слоях для условий сухого трения при нагрузке до 10 кг/мм².The composition can be used as a wear-resistant antifriction coating in thin layers for dry friction under load up to 10 kg / mm ² .

Однако покрытие такого состава имеет высокую пористость и не защищает металлическую подложку от коррозии при эксплуатации авиационной техники в морских условиях, обладает недостаточной адгезионной прочностью, что ограничивает возможность увеличения статической и динамической нагрузки на это покрытие. However, a coating of this composition has a high porosity and does not protect the metal substrate from corrosion during the operation of aircraft in marine conditions, has insufficient adhesive strength, which limits the possibility of increasing the static and dynamic load on this coating.

Технической задачей данного изобретения является создание антифрикционного композиционного покрытия, работоспособного на воздухе и в воде при температурах от -100^oС до +250^oС и удельных нагрузках до 20 кгс/мм² и обеспечивающего высокую износостойкость, прочность при сдвиге и низкий коэффициент трения сопряженных пар.The technical task of this invention is the creation of an antifriction composite coating, operable in air and in water at temperatures from -100 ^o C to +250 ^o C and specific loads up to 20 kgf / mm ² and providing high wear resistance, shear strength and low friction coefficient steam

Для достижения поставленной задачи предложен состав антифрикционного композиционного покрытия, содержащий твердую смазку дисульфид молибдена, графит и связующее на основе эпоксидной смолы, отличающееся тем, что покрытие состоит из трех слоев, нижний из которых, прилегающий к металлической подложке, выполнен из молибдена, верхний слой состоит из твердой смазки, дополнительно содержащей окись кадмия, а промежуточный слой содержит связующее при следующем соотношении толщин слоев: (10-20):(1-3):(15-50). To achieve this objective, the composition of the antifriction composite coating is proposed, which contains a solid lubricant, molybdenum disulfide, graphite and an epoxy resin binder, characterized in that the coating consists of three layers, the lower of which adjacent to the metal substrate is made of molybdenum, the upper layer consists of from solid lubricant, additionally containing cadmium oxide, and the intermediate layer contains a binder in the following ratio of layer thicknesses: (10-20) :( 1-3) :( 15-50).

Твердая смазка верхнего слоя антифрикционного композиционного покрытия содержит компоненты в следующем соотношении, мас.ч.:
Дисульфид молибдена - 4,0-8,7
Графит - 1,0-5,0
Окись кадмия - 0,3-1,0
Молибден на металлическую подложку наносят методом электроискрового легирования.Solid lubrication of the upper layer of the antifriction composite coating contains components in the following ratio, parts by weight:
Molybdenum disulfide - 4.0-8.7
Graphite - 1.0-5.0
Cadmium oxide - 0.3-1.0
Molybdenum is applied to a metal substrate by the method of electrospark alloying.

Введение в антифрикционное покрытие верхнего слоя окиси кадмия повышает износостойкость и не влияет на антифрикционные характеристики покрытия. Частицы окиси кадмия хорошо смачиваются компонентами связующего и после отверждения прочно закрепляются в матрице и не выбиваются при тангенциальных нагрузках. The introduction of the upper layer of cadmium oxide into the antifriction coating increases the wear resistance and does not affect the antifriction characteristics of the coating. Particles of cadmium oxide are well wetted by the components of the binder and, after curing, are firmly fixed in the matrix and are not knocked out under tangential loads.

Проблема прочности закрепления антифрикционного композиционного покрытия на стальной подложке решается за счет нанесения молибдена методом электроискрового легирования. Прочность соединения такого покрытия сравнима с прочностью соединения электросварного шва, а обеспечение заданной шероховатости поверхности прилегающего к подложке слоя создает предпосылки для прочного закрепления последующих слоев на металлической подложке. The problem of the strength of fixing the antifriction composite coating on a steel substrate is solved by applying molybdenum by the method of electrospark alloying. The strength of the connection of such a coating is comparable to the strength of the connection of the electric weld, and providing a given surface roughness of the layer adjacent to the substrate creates the prerequisites for the strong fixation of subsequent layers to the metal substrate.

Связующее, наносимое между нижним и верхним слоем, обеспечивает высокую адгезионную прочность соединения таких слоев и одновременно является защитой от коррозии прилегающего слоя и подложки за счет сплошности, высокой прочности и долговечности пленки покрытия при динамическом воздействии. The binder applied between the lower and upper layers provides high adhesive strength of the connection of such layers and at the same time protects the adjacent layer and substrate from corrosion due to the continuity, high strength and durability of the coating film under dynamic action.

Примеры осуществления. Examples of implementation.

На внутреннюю поверхность втулочных образцов, выполненных из стали 30ХГСА, нанесено 4 варианта покрытий предлагаемого состава с различным соотношением толщин слоев и вариант состава ближайшего аналога. On the inner surface of the sleeve samples made of 30KhGSA steel, 4 coatings of the proposed composition are applied with a different ratio of layer thicknesses and a composition variant of the closest analogue.

В табл.1 приведен состав и соотношение толщин слоев предлагаемого антифрикционного покрытия и известного. Слой молибдена нанесен методом электроискрового легирования. Промежуточный слой выполнен из связующего на основе эпоксидной смолы марки ЭП-527 (ТУ6-10-1996-85). Верхний и промежуточный слои нанесены распылением из пульверизатора. Table 1 shows the composition and the ratio of the thicknesses of the layers of the proposed anti-friction coating and the known. The molybdenum layer is deposited by electrospark alloying. The intermediate layer is made of a binder based on epoxy resin brand EP-527 (TU6-10-1996-85). The upper and intermediate layers are sprayed from a spray gun.

Соотношение толщин слоев составляет: (10-25):(1-3):(15-50). The ratio of the thicknesses of the layers is: (10-25) :( 1-3) :( 15-50).

Экспериментальные исследования покрытий проводились при использовании одной и той же технологии нанесения и методик испытаний. В табл.2 представлены свойства покрытий при испытании на трение. В табл.3 представлены физико-механические свойства. Experimental studies of coatings were carried out using the same application technology and test methods. Table 2 presents the properties of the coatings during friction testing. Table 3 presents the physical and mechanical properties.

Результаты испытаний свидетельствуют о стабильных показателях предлагаемых композиций в условиях нагружения до 20 кгс/мм² в воде и на воздухе с коэффициентом трения меньше 0,1 и наработкой более 20 тысяч циклов. Покрытие прототипа отслоилось при испытаниях в воде и отработало <5000 циклов на воздухе и <4700 циклов в воде.The test results indicate stable performance of the proposed compositions under loading conditions up to 20 kgf / mm ² in water and in air with a friction coefficient of less than 0.1 and an operating time of more than 20 thousand cycles. The prototype coating exfoliated during testing in water and worked out <5000 cycles in air and <4700 cycles in water.

Кроме того, покрытия предлагаемых композиций обладают более высокими механическими свойствами. Как видно из табл.3, прочность предлагаемых композиций при сдвиге в 1,6 раза, модуль упругости в 1,2 раза выше, чем у прототипа. In addition, the coating of the proposed compositions have higher mechanical properties. As can be seen from table 3, the strength of the proposed compositions at a shift of 1.6 times, the elastic modulus is 1.2 times higher than that of the prototype.

Стендовые испытания заявляемого покрытия проведенны в условиях, максимально приближенных к натурным условиям эксплуатации. Результаты испытаний приведены в табл.4. Bench tests of the claimed coating carried out in conditions as close as possible to natural conditions of use. The test results are given in table.4.

Таким образом, предлагаемое антифрикционное композиционное покрытие имеет высокий уровень свойств и обеспечит надежность работы узлов трения в морских условиях. Thus, the proposed anti-friction composite coating has a high level of properties and will ensure the reliability of friction units in marine conditions.

Покрытие работоспособно на воздухе и в воде при температурах от -100^oС до +250^oС и удельных нагрузках до 20 кгс/мм² и обеспечивает высокую износостойкость, прочность при сдвиге и коэффициент трения <0,1.The coating is operable in air and in water at temperatures from -100 ^o С to +250 ^o С and specific loads up to 20 kgf / mm ² and provides high wear resistance, shear strength and friction coefficient <0.1.

Литература
1. Патент Англии 2084186, 07.04.1982.Literature
1. Patent of England 2084186, 04/07/1982.

2. Патент Японии 60-116917, 24.06.1985. 2. Japan patent 60-116917, 06.24.1985.

3. Патент РФ 2155198, 27.08.2000. 3. RF patent 2155198, 08.27.2000.

4. Патент РФ 2154658, 20.08.2000. 4. RF patent 2154658, 08.20.2000.

5. Патент США 5482637, 09.01.1996. 5. US patent 5482637, 01/09/1996.

Claims

1. An anti-friction composite coating containing a solid lubricant comprising molybdenum disulfide and graphite, as well as an epoxy resin binder, characterized in that the coating consists of three layers, the lower of which adjacent to the substrate, is made of molybdenum 10-15 microns thick , the top consists of a solid lubricant, additionally containing cadmium oxide, and has a thickness of 1-3 microns, and the intermediate layer contains a binder and is made with a thickness of 15-50 microns.

2. The antifriction composite coating according to claim 1, characterized in that the solid lubricant contains components in the following ratio, wt. hours:
Molybdenum disulfide - 4.0-8.7
Graphite - 1.0-5.0
Cadmium oxide - 0.3-1.0
3. The antifriction composite coating according to claim 1, characterized in that the molybdenum layer is made by applying it to the substrate by electrospark alloying.