DE69831920T2

DE69831920T2 - Umweltfreundlicher fester Schmierfilm

Info

Publication number: DE69831920T2
Application number: DE69831920T
Authority: DE
Inventors: Howard L. Indiatlantic Novak
Original assignee: USBI Co
Current assignee: USBI Co
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: EP0926225A3; CA2256870A1; EP0926225A2; JPH11256183A; DE69831920D1; CA2256870C; US5958847A; RU2197515C2; EP0926225B1

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der festen Schmierfilme, insbesondere die festen Schmierfilme, die in Boosterraketenkomponenten und einer dazugehörigen Startvorrichtung verwendet werden.
Mehrkörper-Trägerraketen benötigen die Verwendung von festen Schmierfilmen (SFL: solid film lubricants), um eine uneingeschränkte relative Bewegung zwischen Strukturbaugruppen und Komponenten während des Starts und Aufsteigens in den Orbit zu ermöglichen. Sie werden ebenfalls bei Halterungen verwendet, um präzise Verdrillungs-Spannungs-Verhältnisse während Einspannung und auch Rückverdrillung zu ermöglichen. Die festen Schmierfilme, die für diese Zwecke verwendet werden, müssen eine adäquate Schlüpfrigkeit unter extrem hohen Lastbedingungen für eine relativ kurze Dauer bereitstellen. Zusätzlich zum Bereitstellen von Schlüpfrigkeit unter extrem hohen Lastbedingungen darf das SFL nicht Korrosion fördern. Dieser Faktor ist von großer Bedeutung, da Trägerraketen und die zum Starten von diesen dazugehörige Vorrichtung der Korrosionseinwirkung von Seeluftdunst und -nebel vor dem Starten ausgesetzt sind, weil die Startplätze im allgemeinen in der näheren Umgebung zum Meer gelegen sind. Da diese Trägerraketen im allgemeinen nach dem Start aus dem Meer geborgen werden, sind sie ebenfalls der Korrosionseinwirkung von Seewasser ausgesetzt.
Um die Anforderungen an die Schlüpfrigkeit zu erfüllen, werden üblicherweise Blei und Antimon enthaltende Verbin dungen verwendet. Obwohl Graphit eine effektive Schmierkomponente von SFL-Zusammensetzungen ist, begrenzt die Neigung von Graphit, eine elektrolytische Zelle bei Anwesenheit von Seewasser zu erzeugen, die in einer Korrosion der metallischen Oberfläche, auf die es aufgebracht worden ist, resultiert, stark seine Verwendung für diese Anwendung. Um dieses Problem zu vermeiden, wurden anstelle von Graphit in einigen SFL-Formulierungen Antimon-Verbindungen verwendet. Mit Kadmium überzogene Befestigungselemente bzw. Halterungen werden üblicherweise ebenfalls aufgrund des Korrosionsschutzes und der Schlüpfrigkeit verwendet, die von einer Kadmium-oberfläche bereitgestellt werden. Wenn mit Kadmium überzogene Befestigungselemente jedoch mit Aluminiumlegierungen verwendet werden, resultiert eine elektrolytische Korrosion. Obwohl sie in einigen SFL-Anwendungen technisch nützlich sind, sind Kadium-, Blei- und Antimonverbindungen außerdem hochgiftig für Menschen und anderes Tierleben. Zusätzlich stellt die umweltsichere Entsorgung von Blei-, Kadmium- und Antimonderivaten ein Hauptproblem sowohl unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit als auch der Ökonomie dar. Die Kosten für die Entsorgung dieser gefährlichen Materialien erhöht sich fortwährend, und ein adäquater Schutz für Menschen, während sie diese Materialien verwenden oder entsorgen, grenzt an das Unmögliche.
Das US-Patent Nr. 3,223,626 offenbart eine harzgebundene feste Schmierfilmverbindung, die durch Zusammenmischen von Mengen von Antimontrioxid, Molybdändisulfid, Magnesiumbentonit und p-Dioxan mit einem Epoxid-Phenolharzsystem bereitgestellt ist.
In derzeitiger Praxis wird zuerst ein keramisch-gebundener fester Schmierfilm (SFL) , der einen hohen Grad an Bleiverbindungen und Graphit enthält, als Grundschicht auf die festen Hilfsraketenteile durch Sprühbeschichten aufgetragen und dann bei 550° C (1.000° F) in einem Ofen ausgehärtet. Vor dem Auftragen muss das Teil abgeklebt werden. Das beschichtete Teil wird dann wieder abgeklebt und eine bleienthaltende Silikonoberschicht wird dann durch Sprühbeschichten aufgetragen. Das oberstbeschichtete Teil wird dann einem zweiten Aushärtungsvorgang bei 275° C (500° F) ausgesetzt. Der Vorgang des Auftragens und Aushärtens dieses Doppelbeschichtungssystems ist sehr kompliziert, kostspielig und außerdem gefährlich. Aufgrund seines Bleigehalts ist die keramisch gebundene Grundschicht gefährlich für die Gesundheit von denen, die sie auftragen, während das Vorhandensein von Graphit Korrosion und Lochfraß der wiederverwendbaren festen Raketenboosters bei Vorhandensein von Seewasser hervorruft, wodurch dessen Betriebszeit herabgesetzt wird. Die Notwendigkeit bei 550° C (1.000° F) auszuhärten, benötigt ein hohes Maß an Energieaufwand und eine spezielle Heizvorrichtung. Die Anforderung für zwei Beschichtungen und die Vorkehrungen, die getroffen werden müssen, um ein Vergiften der Arbeiter zu vermeiden, sind sowohl material- als auch zeitaufwendig. Weiterhin ist im Fall einer Beschädigung, wie etwa einem Brechen des keramischen Zweibeschichtungs-SFL-System, eine Reparatur schwierig, aufwendig und lästig.
Es besteht daher ein Bedarf an einer festen Schmierfilmverbindung zur Verwendung bei Raketenboostern und einer dazugehörigen Startvorrichtung wie auch bei anderen Schwermaschinenanwendungen, die Schlüpfrigkeit für sich bewegende Teile unter extrem hohen Lastbedingungen bereitstellen kann, während sie gleichzeitig eine Korrosion des Substratmetalls nicht begünstigt. Das SFL muss zusätzlich umweltsicher sein, während es relativ ungiftig für Menschen ist, einfach aufzutragen sein, vorzugsweise in einer Beschichtung, und relativ niedrige Aushärtungstemperaturen benötigen und relativ günstig herzustellen und zu verwenden sein.
Sollte der SFL beschädigt werden, sollte er weiterhin in einer günstigen, sicheren und komfortablen Art und Weise zu reparieren sein.
Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, die voranstehenden Bedürfnisse zu erfüllen, indem eine feste Schmierfilmverbindung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt wird. Die Verbindung kann eine Kombination von fein verteilter Orthoborsäure oder Boroxid und feinverteiltem Molybdändisulfid (MoS₂) umfassen, die in einer organischen Polymermatrix dispergiert ist, die üblicherweise eine Mischung aus teilweise ausgehärtetem Epoxidharz und einem Silikonpolymer umfasst. Die Orthoborsäure oder Boroxid und MoS₂ Kombination arbeiten zusammen, um eine haltbare Schlüpfrigkeit mit niedrigem Reibungskoeffizienten ohne Kontaktkorrosion (engl.: dissimilar material corrosion) bereitzustellen. Die Epoxidharze verbessern die Lasttragekapazität, wobei die Silikonharze die Hochtemperatureigenschaften und den Reibungskoeffizienten verbessern. Die Verbindung wird in einem relativ ungefährlichen organischen Lösungsmittel dispergiert, das ein aus der aus Ethylacetat (CAS #141-78-6), 1-Methoxy-2-Propanolacetat oder "PM-Acetat" (CAS #108-65-6), Methylethylketon (CAS #78-93--3), Methylisobutylketon (CAS #108-10-1) und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewähltes Lösungsmittel umfasst und, falls notwendig, zu einer geeigneten Konsistenz verdünnt und in einer einzigen Beschichtung auf das Substratmetallteil durch Sprühen, Eintauchen oder Pinseln aufgetragen und dann bei ungefähr 250° C (450° F) ausgehärtet. Unter Hochbelastungstests, überschreitet das System die Minimalanforderungen von 1.000 Zyklen bei einem Test, der entworfen wurde, um die Effektivität von SFLs zu überprüfen, und zeigt ein Schlüpfrigkeitsniveau, das mit einem gegenwärtig verwendeten keramisch basiertem Zweibeschichtungssystem, das Blei und Graphit enthält, vergleichbar ist.
Der SFL der vorliegenden Erfindung ist umweltverträglich, da er nur MoS₂ und Borsäure oder Boroxidderivate verwendet, wobei von beiden bekannt ist, dass sie relativ ungefährlich für Menschen sind. Zusätzlich wird Korrosion aufgrund des Vorhandenseins von Graphit verhindert, indem Graphit vollständig mit dem SFL der Erfindung ersetzt wird, der Schlüpfrigkeit bereitstellt, ohne eine elektrolytische Korrosion bei Vorhandensein einer Seewasseratmosphäre zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gerichtet. Da nur eine einzige Beschichtung benötigt wird und das Aushärten bei 250° C (450° F) auftritt, stellt der SFL der vorliegenden Erfindung wesentliche Einsparungen der Arbeitskosten und Materialien bereit. Da nur eine Beschichtung benötigt wird und Aushärtung bei einer relativ niedrigen Temperatur auftritt, ist es auch einfach, kleine Bereiche des SFL ohne jegliche Verluste von Effektivität zu reparieren.
Die vorliegende Erfindung wird nun, lediglich als Beispiel, mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Skizze, die die grundlegenden Teile des Spaceshuttle-Systems abbildet und die Verhältnisse zwischen dem Feststoffraketenmotor (SRM), dem Feststoffraketenzusatztriebwerk bzw. Feststoffbooster (SLB) und dem Spaceshuttle-Orbiter (NSTS) darstellt.
2 zeigt eine Skizze, die die Komponententeile eines Feststoffboosters abbildet.
3 zeigt eine Skizze, die typische Bereiche einer Schmierstoffanwendung bei SRB-Flugteilen abbildet, die die Verwendung eines festen Schmierfilms (SFL) benötigen.
4A zeigt eine Querschnittsansicht, die den Mono-Ball-In-Block Hochlastkapazitätstest abbildet, um die Verschleißlebensdauer von festen Schmierfilmen zu testen.
4B zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Mono-Balls der Testvorrichtung von 4A, die den Bereich darstellt, auf den die SFL-Testprobe appliziert wird.
4C zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht der Testvorrichtung von 4A, die einen Bereich darstellt, auf den die SFL-Testprobe appliziert wird.
1 bildet die grundlegenden Komponenten des Raumfähren- bzw. Space-Shuttle-Systems ab, wobei der Zusammenhang zwischen dem Feststoffraketenmotor (SRM), dem Feststoffbooster (SRB) und dem Space-Shuttle-Orbiter (NSTS) dargestellt ist. Mehrkörper-Trägerraketen benötigen die Verwendung von festen Schmierfilmen (SFLs), um uneingeschränkte relative Bewegung zwischen Strukturbaugruppen und Komponenten während des Starts und Aufsteigens in den Orbit zu ermöglichen. Der Feststoffbooster (SRB) der Raumfähre verwendet einen doppelbeschichteten, keramisch gebundenen Hochtemperatur-SFL an verschiedenen Stellen, wie etwa an den Einspannungsteilen zwischen der hinteren Randleiste des SRB und der mobilen Startplattform (MLP), den Befestigungsstreben des hinteren SRB-Externtanks (ET), und der vorderen Randleisten-SLB/ET-Befestigungskugelbaugruppe. 2 bildet die Komponententeile eines Feststoffboosters ab und 3 bildet die typischen Bereiche einer Schmierstoffanwendung auf SRB-Flugteile ab, die die Verwendung eines festen Schmierfilms (SFL) benötigen.
Der feste Schmierfilm der vorliegenden Erfindung kann eine Kombination von fein verteilter Borsäure und/oder Boroxid und fein verteiltem Molybdändisulfid (MoS₂) umfassen, die in einer organischen Polymermatrix dispergiert ist, die üblicherweise eine Mischung von B-Stage-Epoxidharz, das nicht reagierte funktionelle Gruppen hat, und ein Silikonpolymer mit nicht reagierten funktionellen Gruppen aufweist. Die anorganischen Schmierstoffkomponenten, herkömmlicherweise Borsäure und/oder Boroxid und MoS₂, arbeiten zusammen, um einen haltbaren Schmierstoff mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten ohne Kontaktkorrosion (engl.: dissimilar material corrosion) bereitzustellen. Die Epoxidharze verbessern die Hochlasttragekapazität, wobei die Silikonharze Hochtemperaturfunktionalität und ein Bindemittel mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten bereitstellen. Die Zusammensetzung ist in einem relativ ungefährlichen organischen Lösungsmittel dispergiert, das ein aus der aus Ethylacetat (CAS #141-78-6), "PM-Acetat" (CAS #108-65-6), Methyl-Ethyl-Keton (CAS #78-93--3), Methyl-Isobutylketon (CAS #108-10-1) und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewähltes Lösungsmittel umfasst. Falls notwendig, ist die Formulierung zu einer geeigneten Konsistenz verdünnt, vorzugsweise mit einem relativ ungefährlichen Lösungsmittel, wie etwa Ethylacetat, und wird in einer einzigen Beschichtung auf das Substratmetallteil durch Sprühbeschichtung, Eintauchen oder Pinseln aufgetragen und wird dann bei 235° C (425° F) bis 275° C (500° F) mit ungefähr 250° C (450° F) als bevorzugter Aushärtungstemperatur ausgehärtet. Unter Hochbelastungstesten übersteigt das System die Minimalanforderungen von 1.000 Zyklen in einem Test, der dazu entworfen wurde, die Effektivität von SFLs zu überprüfen, und zeigt ein Niveau von Schmierfähigkeit, das mit einem gegenwärtig verwendeten keramisch basierten Doppelbeschichtungssystem, das Blei und Graphit enthält, vergleichbar ist.
Der SFL der vorliegenden Erfindung ist umweltverträglich und am Arbeitsplatz verträglich, da es nur MoS₂ und Orthoborsäure oder Boroxid-Derivate als anorganische feste Schmierstoffadditive verwendet, von denen beide als für Menschen relativ ungefährlich bekannt sind. Zusätzlich wird Korrosion aufgrund des Vorhandenseins von Graphit durch die Verwendung von Borsäure, die Schlüpfrigkeit ohne Erzeugen von elektrolytischer Korrosion bei Vorhandensein einer Seewasseratmosphäre bereitstellt, vermieden.
Wie in der Technik bekannt ist können anorganische Materialien effektiv als Schmierstoffe für Anwendungen benutzt werden, die die geschmierten Oberflächen hohen Temperaturen, Vakuum, hohen Betriebslasten und Kombinationen von diesen und anderen Bedingungen aussetzen, die die Verwendung von herkömmlichen Schmierölen und Schmierfetten unmöglich machen. Solche Materialien werden entweder alleine oder als Teil eines gebundenen festen Schmierfilms verwendet. Solche gebundenen festen Schmierfilme kombinieren im allgemeinen einen anorganischen Schmierstoff oder eine Kombination von anorganischen Schmierstoffen in einem Bindesystem, das eine keramische Matrix oder eine Polymermatrix umfasst. Typische anorganische Schmierstoffe sind Molybdändisulfid (MoS₂), Antimon-Trioxid (Sb₂O₃) und Graphit. Anorganische Schmierstoffe sind im allgemeinen Schichtgitterfeststoffe, worin starke kovalente oder ionische Bindungen die Atome innerhalb einer jeden Schicht binden, aber nur relativ schwache "van der Waals"-Kräfte wirken, um eine gegebene Schicht an andere Schichten zu binden. Deswegen gleiten unter einer geeignet beaufschlagten Kraft die einzelnen Schichten, die diese Feststoffe umfassen, aneinander vorbei, wodurch sie eine "Schlupf-Ebenen"-Schmierfähigkeit ("slip-plane" lubricity) bereitstellen.
Kristalline Orthoborsäure (B(OH)₃), Metaborsäure (HOB=O), Boroxid (B₂O₃) und andere Borate sind dafür bekannt, in der festen Phase in der Form von zweidimensionalen Schichten (engl.: sheets) zu existieren (siehe z.B.: Moeller, Anorga nische Chemie, herausgegeben von John Wiley und Söhne, 6. Auflage, April 1957, Seiten 808–811). Erdemir et al. hat über die "Tribologie von natürlich vorkommenden Borsäurefilmen auf Borcarbiden" (Tribology of naturally occurring boric acid films on boron carbide) in Surface and Coatings Technology, 86–87 (1996) 507–510 berichtet. Sie berichten, dass das Vorhandensein eines Films von Orthoborsäure, der durch Hydrolyse von Boroxid auf Borcarbidoberflächen gebildet ist, zu der Schlüpfrigkeit solcher Oberflächen beitragen kann. Es ist bekannt, dass Orthoborsäure zu Metaborsäure und letztendlich zu Boroxid durch thermische Dehydrierung umgewandelt werden kann, und Boroxid zu Metaborsäure und Borsäure durch eine Reaktion mit Wasser umgewandelt werden kann (siehe z.B. Moeller voranstehend und Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology, veröffentlicht von John Wiley und Söhne, 1985, S. 176–177).
Durch das Verwenden von Orthoborsäure, Metaborsäure, Boroxid oder einer Mischung davon anstelle von Graphit in einer Formulierung eines gebundenen festen Schmierfilms wird eine feste Schmierfilmformulierung hergestellt, die einen niedrigen Reibungskoeffizienten vorweist und das Problem von galvanischer Korrosion, das auftritt, wenn ein Graphit enthaltender SFL in Kontakt mit unähnlichen Metallen in einer Seewasser- oder Salznebelumgebung angeordnet ist, ausschließt. Eine effektive Menge von orthoborischer Borsäure zum Erlangen von ungefähr der äquivalenten Schlüpfrigkeit eines SFL, das 5 bis 15 Gew.% Graphit enthält, basierend auf dem Gewicht der trockenen Bestandteile, ist 4 bis 13 Gew.% von Orthoborsäure, basierend auf dem Gewicht des festen Schmierfilms, wobei 5% bis 12% bevorzugt sind. Metaborsäure, Boroxid oder eine Mischung davon können anstelle von Orthoborsäure verwendet werden, wobei ihr Gewicht auf der Basis ihrer Reaktion mit Wasser, um letztendlich Orthoborsäure zu bilden, berechnet ist.
Borverbindungen und Mischungen von Borverbindungen, die als anorganische Schmierstoffe in der festen Schmierfilmverbindung der vorliegenden Erfindung dienen können, umfassen Verbindungen von Bor und Sauerstoff, die in der festen Phase in der Form von zweidimensionalen Schichten existieren können. Herkömmlicherweise enthält die den SFL der vorliegenden Erfindung umfassende Formulierung eine feinverteilte feste Verbindung von Bor und Sauerstoff oder eine hydratisierte Form davon, die aus der aus Orthoborsäure (B(OH)₃), Metaborsäure (HOB=O), Boroxid (B₂O₃) und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Jede andere Verbindung von Bor und Sauerstoff und hydratisierten Formen davon, die in der Form von zweidimensionalen Schichten in dem festen Zustand existieren, kann jedoch ebenfalls in der Formulierung verwendet werden. B(OH)₃ und B₂O₃ sind bevorzugt, wobei B(OH)₃ am bevorzugtesten ist.
Eine feste Schmierfilmverbindung des SFL der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verbindung, die aus der aus Orthoborsäure (ebenfalls als Borsäure bezeichnet), Metaborsäure, Boroxid oder Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist, in einer Menge, die von 4 bis 13 Gew.% reicht, basierend auf dem Gewicht von Orthoborsäure in dem festen Schmierfilm, wobei 5% bis 12% bevorzugt sind.
Eine weitere Komponente der SFL-Formulierung der vorliegenden Erfindung, die als anorganischer Schmierstoff dient, ist Molybdändisulfid (MoS₂). Der SFL der vorliegenden Erfindung umfasst 5% bis 15% von Molybdändisulfid, basierend auf dem Gewicht des festen Schmierfilms.
Der SFL der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin einen Polymerbinder, wobei der Polymerbinder vorzugsweise aus einer Mischung eines spezifischen Silikonpolymers, das reak tive funktionelle Gruppen aufweist, und eines spezifischen B-Stage-Epoxidharz besteht, der nicht reagierte funktionelle Gruppen zur Kettenverlängerung und zum Querverbinden aufweist. Das Silikonpolymer ist Methylphenylsiloxan, weil es einen höheren Betriebstemperaturbereich aufweist. Herkömmliche kommerziell verfügbare Formulierungen von Methylphenylsiloxanpolymeren umfassen SR882M und SR125, die von GE silicones, Waterford, NY, geliefert werden. Formulierungen wie etwa Silikon SR882M werden bevorzugt, da sie relativ hohe Niveaus von Kompatibilität mit Epoxidharzformulierungen, wie etwa Epon 828, aufweisen. Es kann jedoch jegliche andere, im allgemeinen äquivalente Silikonformulierung, die von anderen Herstellern hergestellt ist, verwendet werden. Wie in dem Gebiet bekannt ist, müssen kleine Mengen eines Katalysators, wie etwa Zinkoctoat oder Zinknaphthenat zu der Formulierung vor der Anwendung hinzugegeben werden, um das Aushärten der Silikonkomponente zu begünstigen. Die Mengen solcher Katalysatoren reichen von 0,15 bis 0,3% (als Metall) basierend auf dem Gewicht des Silikonharzes.
Die Epoxidharzkomponente des Polymerbinders ist ein Bisphenol-Epichlorhydrin basiertes Harz. Kommerziell verfügbare Harze, die für diesen Zweck geeignet sind, umfassen Harze, wie etwa Eponharz 828, 1007, 1009 und Eponolharz 55 (verfügbar von der Shell Chemical Company), Araldit 6097 und 7097 und Epi-Rez 540 C, wobei Epon 828 bevorzugt ist. Es kann jedoch jede im allgemeinen äquivalente Epoxidharzformulierung, die von anderen Herstellern hergestellt ist, verwendet werden. Wie in dem technischen Gebiet bekannt ist, müssen diese Harze mit geeigneten Aushärtemitteln querverbunden oder gehärtet werden. Epon 828A kann z.B. mit Formulierungen, die MDA (Methylendianelin) enthalten, Shell-Katalysator Z oder irgendein anderes geeignetes Ex oxidaushärtemittel, das üblicherweise in dem technischen Gebiet verwendet wird, querverbunden werden.
Der Polymerbinder kann einen großen Bereich von Zusammensetzungen umfassen, die, basierend auf dem Trockengewicht des Polymerbinders, von 90% Silikonpolymer und 10% Epoxidharz bis 10% Silikonpolymer und 90% Epoxidharz reichen. Hohe Niveaus von Silikon erzeugen einen relativ weichen nachgiebigen Binder, während hohe Niveaus von Epoxidharz einen harten, weniger nachgiebigen Binder erzeugen. Mischungen von 25% Silikon mit 75% Epoxidharz und 75% Silikon mit 25% Epoxidharz erzeugen gute Polymerbinder für einen universell verwendeten SFL, jedoch wird eine Mischung von ungefähr 50% Silikonharz mit ungefähr 50% Epoxidharz für einen SFL bevorzugt, der bei Raketenboostern verwendet wird, da er die beste Haltbarkeit aufweist.
Der Polymerbinder umfasst ausschließlich Silikonpolymere oder ein Epoxidharz und Mischungen davon. Die Art und Zusammensetzung des Binders und die exakte Menge von Orthoborsäure, Metaborsäure oder Boroxid sowie anderer Bestandteile wird von der spezifischen Anwendung des SFL abhängen.
Der SFL der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung herkömmlicher Vorrichtungen, die in dem technischen Gebiet zum Mischen von pigmentierten Polymerbeschichtungsformulierungen, die in einer organischen Lösung dispergiert sind, bekannt sind, wie etwa Rührer, Mischer, Mühlen und dergleichen, und jeglicher anderer in dem technischen Gebiet bekannter Mittel zum Mischen einer Silikonpolymerdispersion mit einer Epoxydharzdispersion und festen Pigmenten in einem organischen Lösungsmittel hergestellt werden. Der SFL der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in einer Umgebung mit relativ geringer Feuchtigkeit hergestellt. Eine relative Feuchtigkeit von 60% bis 70% wird bevorzugt. Um eine Kondensation des Feuchtegehalts zu vermeiden, sollte die Temperatur der Umgebung, in der der SFL hergestellt und angewendet wird und die Temperatur des Teils 2,8° C (5° F) bis 5,6° C (10° F) über dem Taupunkt liegen.
Herkömmlicherweise werden die Silikonpolymerformulierung und Epoxidformulierung in herkömmlichen Rührvorrichtungen gemischt und mit einem aus der aus Ethylacetat (CAS #141-78-6), "P.M.-Acetat" (CAS #108-65-6), Methylethylketon (CAS #78-93--3), Methylisobutylketon (CAS #108-10-1) und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählten Lösungsmittel verdünnt. Während dieses Vorgangs werden die feingemahlenen festen Komponenten hinzugefügt und gründlich in der Mischung dispergiert. Bevorzugte Lösungsmittel sind Ethylacetat (CAS #141-78-6) und "P.M. Acetat" (CAS #108-65-6). Der Feststoffgehalt der gesamten bzw. vorrätigen SFL-Dispersion liegt bei ungefähr 40%. Dies kann jedoch abhängig von den Mengen von Feststoffen, die für eine spezifische SFL-Formulierung verwendet werden, variieren.
Zum Verwenden beim Sprühen mit einer herkömmlichen Sprühausstattung kann die gesamte bzw. vorrätige SFL-Formulierung ungefähr 1:1 nach Volumen mit einem geeigneten Lösungsmittel, vorzugsweise Ethylacetat, verdünnt werden. Falls notwendig, kann die gesamte bzw. vorrätige SFL-Dispersion zu jeder zur Anwendung in einer einzigen Beschichtung auf dem Substratmetallteil durch Sprühen, Eintauchen oder Pinseln geeigneten Konsistenz verdünnt werden. Nach Anwendung auf einem Metallteil wird der SFL typischerweise in einem Ofen in Luft bei Atmosphärendruck bei 235°C (425°F) bis 275°C (500°F) für 60 Minuten bis 90 Minuten ausgehärtet. Wie in dem technischen Gebiet bekannt ist, wird die Oberfläche des ausgehärteten SFL mit einem faser- und ölfreien Tuch poliert, bis der der dumpfe matte Lack durch einen glänzenden Lack ersetzt ist.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele in nicht einschränkender Art und Weise dargestellt.
Die folgenden Beispiele stellen die Vorteile des Bor enthaltenden SFL der vorliegenden Erfindung dar, wobei sie einen SFL, der 5 bis 12 Gew.% Orthoborsäure, basierend auf dem Gewicht des festen SFL, 5 bis 15 Gew.% MoS₂, basierend auf dem Gewicht des festen SFL, in einem Polymerbinder aufweist, der ungefähr 50 Gew.% Siliconpolymer und ungefähr 50 Gew.% Epoxidharz basierend auf dem Trockengewicht des Harzbinders aufweist, verwenden:
Beispiel 1
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass der Reibungskoeffizient des ausgehärteten einschichtigen, Borsäure enthaltenden SFL geringer ist als der Reibungskoeffizient eines Blei enthaltenden SFL, der gegenwärtig in Raketenbooster verwendet wird und eine Graphit enthaltende keramische Grundbeschichtung und eine Graphit enthaltende Silikonoberbeschichtung verwendet.
Der Reibungskoeffizient wurde gemäß dem Standard ASTM Testverfahren gemessen, ASTM D 2714, in Annual Book of ASTM Standards, Vol. 05.02, "Petroleum Products and Lubricants", ASTM, Philadelphia, PA 1992. Die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse zeigen an, dass der ausgehärtete, aus einer Beschichtung bestehende, Borsäure und MoS₂ enthaltende SFL einen Reibungskoeffizienten aufweist, der gleich oder besser als der des ausgehärteten, aus zwei Beschichtungen bestehenden, Graphit und Blei enthaltenden Keramik/-Silikonsystems ist.
Tabelle 1 Reibungskoeffizient via D-2714 Block auf Ring
Beispiel 2
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass die Borsäure enthaltende SFL-Formulierung Korrosion eines beschichteten metallischen Teils nicht begünstigt.
Inconel 718-Abschnitte wurden mit dem eine Beschichtung aufweisenden Borsäure und MoS₂ enthaltenden SFL beschichtet und einer 5%igen Salzlösung für 2, 7 und 14 Tage ausgesetzt. Die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse, die mit herkömmlichen Ergebnissen, die bei Iconel 718 beobachtet werden, das mit einem aus zwei Beschichtungen bestehenden, Graphit und Blei enthaltenden Keramik/Silikon-SFL beschichtet ist, verglichen werden, verdeutlichen, dass der Borsäure enthaltende SFL Korrosion nicht begünstigt.
Tabelle 2 Effekt von 5%iger Salzlösung auf mit SFL beschichtetes Iconel 718
Beispiel 3
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass die Abnutzungslebensdauer des ausgehärteten aus einer Beschichtung bestehenden, Borsäure enthaltenden SFL höher ist als die Abnutzungslebensdauer eines Blei enthaltenden SFL, der gegenwärtig in Raketenboostern verwendet wird und eine Graphit enthaltende keramische Grundbeschichtung und eine Graphit enthaltende Silikon-Oberbeschichtung enthält.
Die Abnutzungslebensdauer wurde gemäß des Standard ASTM Testverfahrens, ASTM D 2714, in Anual Book of ASTM Standards, Vol. 05.02 "Petroleum Products and Lubricants", ASTM, Philadelphia, PA 1992 gemessen. Die in Tabelle 3 dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass der ausgehärtete, aus einer Beschichtung bestehende, Borsäure und MoS₂ enthaltende SFL eine 5,7 mal größere Abnutzungslebensdauer aufweist als das ausgehärtete, aus zwei Beschichtungen bestehende, Graphit und Blei enthaltende Keramik/-Silikonsystem.
Tabelle 3 Abnutzungslebensdauer via D-2714 Block auf Ring
Beispiel 4A
Dieses Beispiel verdeutlicht die Lastkapazitätsleistung des Borsäure enthaltenden SFL unter Verwendung des Standard ASTM D-2625-B Pin und V-förmigen Blocktests, der im Annual Book of ASTM Standards, Vol. 05.02, "Petroleum Products and Lubricants", ASTM, Philadelphia, PA 1992 veröffentlicht ist.
Die in Tabelle 4A dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass der ausgehärtete, aus einer Beschichtung bestehende, Borsäure und MoS₂ enthaltende SFL eine Lastkapazität aufweist, die den minimal annehmbaren Standard für Raketenboosteranwendungen übersteigt, aber etwas kleiner als die Lastkapazität des ausgehärteten, aus zwei Beschichtungen bestehenden, Graphit und Blei enthaltenden Keramik/Silikonsystems ist.
Tabelle 4A Lastkapazität via ASTM D-2625 Pin und V-förmigem Block
Beispiel 4B
Dieses Beispiel verdeutlicht die Leistung des Borsäure enthaltenden SFL unter den sehr hohen Belastungen, die bei Boosterraketen und anderen Schwermaschinen auftreten.
Wie in dem technischen Gebiet bekannt ist, ist eine Hochlastlagerkapazität unverzichtbar für einen bei Schwermaschinen verwendeten SFL. In dem Fall eines SFL, der für Luft- und Raumfahrtanwendungen vorgesehen ist, wie etwa zur Schmierung von Raketenboosterkomponenten, muss die Abnutzungsdauer, einen Standard von 1000 Zyklen unter einer beaufschlagten Last von 758.4 MPa (110000 pounds per sqare inch (psi)) in einer Mono-Ball-In-Block-Testvorrichtung erfüllen oder übersteigen, die in dem Marhall Space Flight Center entwickelt wurde, um sehr hohe Belastungen zu simulieren, die an dem Andrückpfosten (3, 32a, 32b, 32c) und an dem oberen Befestigungspunkt des externen Tanks ( 3, 34a) während des Zeitraums ausgeübt werden, über den sich die Boosterraketen-Shuttle-Baugruppe (1, 14) auf dem Sockel bzw. Startplatz vor und während des Starts befindet. Die Hochlasttestvorrichtung ist in den 4A, 4B und 4C abgebildet. Mit Bezug auf die 4A, 4B, 4C: ein hohler metallischer Mono-Ball 42, der einen Durchmesser von 5,08 cm (2 inch) aufweist, ist zwischen metallischen konkaven Blöcken 44a und 44b gehalten. Ein Werkzeug zum Oszillieren des Mono-Balls über einen Gesamtwinkel von ungefähr 6° ist an einem Stab 41 befestigt, der durch die Flansche 43a und 43b verläuft. Dies bildet die Gesamthöhe der Bewegung nach, die der Shuttle-Schacht während des Cryogentankens und des Starts erfährt. Während der Testphase wird eine Last von 758.4 MPa (1100000 psi) auf die Blöcke 44a und 44b beaufschlagt. 4B zeigt eine Draufsicht 42T, die auf den Flansch des Mono-Balls 42 herabschaut und eine Seitenansicht 42S, die den Bereich 45 zeigt, der mit dem SFL beschichtet ist. Das Gebiet 45 umfasst im allgemeinen 3,23 cm² (0,5 square inch). Ein zweiter SFL-Bereich ist um 180° entgegengesetzt des ersten Bereichs angeordnet. 4C zeigt eine Draufsicht 44T der Blöcke 44a und b, die in die Höhlung herabsieht, und eine Querschnittsansicht 44X entlang der Linie A-A in 44T. Die konkave Oberfläche der Blöcke 44a und b ist mit dem SFL in der Zone 46 um das Loch 47 herum beschichtet, das einen Durchmesser von ungefähr 0,635 cm (0,25 inch) aufweist, wie in 4C dargestellt ist. Die Beschichtung umfasst einen Bereich von ungefähr 3,23 cm² (0,5 square inch) pro Block. Der Mono-Ball ist innerhalb des Blocks angeordnet, so dass die von dem SFL beschichteten Bereiche auf dem Block die von dem SFL beschichteten Bereiche auf dem Mono-Ball abdecken. Wenn der Test mit SFL sowohl auf dem Mono-Ball als auch auf dem Block läuft, reiben die beschichteten Bereiche 45 und 46 gegeneinander. Wenn der Test ohne eine Beschichtung des Mo no-Balls läuft, reibt die metallische Oberfläche des Mono-Balls gegen die SFL-Beschichtung auf den Blöcken 44a und 44b in den Bereichen 46. Während des Tests wird der Ball über einen Gesamtwinkel von ungefähr 6° mit einem Maximum von 0,5 Hz oszilliert. Eine Kontaktbelastung von ungefähr 758.4 MPa (110000 psi) wird an den Punkten 45 und 46 entwickelt. Der Stab 41 wird an einer Kraftmesszelle angebracht. Während des Tests, werden Daten über die Kraftmesszelle empfangen. Der Ausfallpunkt wird erreicht, wenn die zum Bewegen der Stange 41 benötige Kraft, wie sie durch die Kraftmesszelle gemessen ist, gleich oder größer als 227 kg (500 lbs) ist. Beim Ausfallpunkt ist mäßiger bis umfangreicher fressender Verschleiß an der Schnittstelle von Ball und Block aufgetreten. Die Anzahl von Zyklen bis zum Ausfall wird gemeldet. Die in Tabelle 4 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass der ausgehärtete, eine Beschichtung aufweisende, Borsäure und MoS₂ enthaltende SFL verglichen mit dem ausgehärteten, aus zwei Beschichtungen bestehenden, Graphit und Blei enthaltenden Keramik/Silikonsystem eine höhere Leistung aufweist. Sogar wenn nur der Block beschichtet und der Ball unbeschichtet ist, übersteigt der SFL den Standard von 1000 Zyklen unter einer beaufschlagen Last von 758.4 MPa (1100000 psi).
Tabelle 4 Hochlast-Mono-Ball in Block-Test
Beispiel 5
Dieses Beispiel zeigt, dass ungefähr das durch 5 bis 15 Gew.% von Graphit in einem SFL, basierend auf dem Gewicht der trockenen SFL-Bestandteile, erzeugte Schlüpfrigkeitsniveau mit 5 bis 12 Gew.% von Orthoborsäure, basierend auf dem Gewicht der trockenen SFL-Bestandteile, erlangt werden kann.
Es wurde ein SFL vorbereitet, der 5% bis 15% Graphit, basierend auf dem Gewicht des festen SFL, 5% bis 15% MoS₂, basierend auf dem Gewicht des festen SFL, in einem Polymerbinder aufweist, der ungefähr 50% Silikonpolymer und ungefähr 50% Epoxidharz umfasst, basierend auf dem Trockengewicht des Harzbinders. Der Reibungskoeffizient des trockenen ausgehärteten SFL, der durch den Vorgang in Beispiel 1 gemessen wurde, wurde mit einer SFL-Formulierung vergli chen, die ungefähr 5% bis 12% Orthoborsäure basierend auf dem Gewicht des festen SFL enthält. Wie Tabelle 5 entnommen werden kann, ist der Reibungskoeffizient des SFL niedriger als der des Graphit enthaltenden SFL.
Tabelle 5 Reibungskoeffizient via D-2714 Block auf Ring
Aus dem Voranstehenden ist klar, dass Borsäure und Verbindungen, die mit Borsäure verwandt sind, effektiv als anorganische Schmierstoffkomponenten in festen Schmierfilmen verwendet werden können, und dass der Borsäure enthaltende SFL der vorliegenden Erfindung überragende Schlüpfrigkeit auf den Hochlastniveaus, die üblich für Boosterraketen und andere Luft- und Raumfahrtanwendungen sind, bereitstellen kann, jedoch ohne galvanische Korrosion hervorzurufen oder Arbeiter und die Umwelt toxischen Materialien, wie etwa Bleiverbindungen, auszusetzen. Zusätzlich ermöglicht es wesentliche Einsparungen an Arbeit, da Bedarf nur für eine Beschichtung besteht, und Einsparungen in Energie, aufgrund der wesentlich niedrigeren Aushärtungstempeatur von ungefähr 250°C (450°F) verglichen mit ungefähr 550°C (1000°F) für ein gegenwärtig verwendetes, aus zwei Beschichtungen bestehendes Keramiksystem. Es bestehen ebenfalls wesentliche Einsparungen in Zeit, Entsorgungskosten für gefährli chen Abfall und Kosten für Schutz von Menschen durch Verwendung des Borsäure enthaltenden SFL. Der SFL der vorliegenden Erfindung kann als Schmierstoff in anderen Anwendungen außerhalb des Gebiets der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Zum Beispiel kann es als Schmierstoffkomponente von Schwermaschinen, wie etwa Motoren, Bodenunterstützungsausrüstung, Automatikmaschinen, Maschinen, die in energiebezogenen Gebieten verwendet werden, metallischen Befestigungselementen aller Art und anderen Komponenten verwendet werden, die unter sehr hohen Belastungen stehen und bei denen galvanische Korrosion ein Problem ist, und wo ein Bedarf besteht, toxische Schwermetalle zur menschlichen Sicherheit und zum Schutz der Umwelt zu vermeiden.

Claims

Fester Schmierfilm mit: einer Borverbindung in einer zur Herstellung von Schmierfähigkeit wirksamen Menge, wobei die Borverbindung aus der aus Orthoborsäure, Metaborsäure, Boroxid und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und 5 bis 15 Gew% (Gewichtsprozent) von Molybdändisulfid basierend auf dem Gewicht des festen Schmierfilms, dispergiert in einem Bindemittel, das aus einer Polymermatrix besteht, das aus der aus Methylphenyl-Siloxanpolymer, Bisphenol-Epichlorhydrin basiertem Harz und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Fester Schmierfilm nach Anspruch 1, bei dem die Polymermatrix eine Mischung von Methylphenyl-Siloxanpolymer und Bisphenol-Epichlorhydrin basiertem Harz umfasst.
Fester Schmierfilm nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Polymermatrix 10 bis 90 Gew% von Methylphenyl-Siloxanpolymer basierend auf dem Gewicht der trockenen Polymermatrix umfasst.
Fester Schmierfilm nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Polymermatrix 25 bis 75 Gew% von Methylphenyl-Siloxanpolymer basierend auf dem Gewicht der trockenen Polymermatrix umfasst.
Fester Schmierfilm nach einem der voranstehenden Ansprüche, der 4% bis 13% Orthoborsäure basierend auf dem Gewicht des festen Schmierfilms umfasst.
Fester Schmierfilm nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Polymermatrix ungefähr 50 Gew% von Methylphenyl-Siloxanpolymer und ungefähr 50 Gew% von Bisphenol-Epichlorhydrin basiertem Harz umfasst, basierend auf dem Gewicht der trockenen Polymermatrix.
Fester Schmierfilm nach einem der voranstehenden Ansprüche, der 5% bis 12% Orthoborsäure basierend auf dem Gewicht des festen Schmierfilms umfasst.
Fester Schmierfilm nach Anspruch 1, bei dem die Borverbindung fein verteilte Orthoborsäure oder Boroxid ist und das Molybdändisulfid fein verteilt ist.
Verfahren zum Vermeiden von durch Graphit hervorgerufener galvanischer Korrosion in einer Rezeptur eines festen Schmierfilms mit dem Schritt: Ersetzen der Graphitrezeptur durch einen festen Schmierfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 8.