EA023948B1

EA023948B1 - Способ изготовления поверхности с низким коэффициентом трения

Info

Publication number: EA023948B1
Application number: EA201390048A
Authority: EA
Inventors: Борис Жмуд
Original assignee: Эпплайд Нано Серфэйсес Свиден Аб
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2016-07-29
Also published as: JP2013531118A; EP2593581A4; BR112013001094A2; EP2593581A1; EP2593581B1; KR101729369B1; MX335107B; JP5763190B2; CN103097578B; MX2013000286A; US20130104357A1; CA2804158A1; ES2620964T3; PL2593581T3; CN103097578A; BR112013001094B1; CA2804158C; WO2012008890A1; EA201390048A1; KR20130110150A

Abstract

Способ изготовления поверхности с низким коэффициентом трения включает обеспечение (210) механического элемента. Поверхность механического элемента механически обрабатывают (212) инструментом. В зону контакта между механическим элементом и инструментом подают (214) рабочую жидкость. Рабочая жидкость включает первый элемент, который представляет собой тугоплавкий металл, и второй элемент, который представляет собой халькоген. Первый и второй элементы находятся в составе жидкого вещества. Механическую обработку выполняют при контактном давлении, составляющем от 1 до 100% от предельной прочности механического элемента. В результате механическая обработка приводит к совместному полированию поверхности механического элемента и осаждениию трибопленки на поверхность механического элемента. Трибопленка включает первый элемент и второй элемент.

Description

Изобретение, в общем, относится к обеспечению поверхностей с низким коэффициентом трения и, в частности, к обеспечению трибохимически осажденных поверхностей с низким коэффициентом трения.

Уровень техники

Трение между поверхностями является одним из самых распространенных случаев потери энергии в механических устройствах, таких как двигатели внутреннего сгорания и различные машины и механизмы. Трение также приводит к износу, который ограничивает срок службы указанных устройств. Поэтому во многих областях применения существует общая потребность в обеспечении поверхностей, имеющих насколько возможно низкий коэффициент трения и подверженных насколько возможно малому износу при контакте с другими поверхностями. Наиболее традиционным путем снижения трения является использование смазочных материалов. Смазочные материалы разделяют поверхности и сами по себе легко подвергаются сдвигу, что снижает силу, необходимую для достижения относительного перемещения. Жидкие смазочные материалы, такие как масла, все еще являются наиболее используемым типом смазочных материалов.

С недавнего времени известно использование определенных твердопленочных смазочных материалов. Ниже приведено только несколько примеров. В И8 1654509 описано использование графита, внедренного в металлическое связующее для получения противоизносного покрытия для подшипников. В опубликованной заявке на патент СВ 776502А описаны защитные пленки, образуемые путем обработки испаренными реакционными веществами, содержащими атомы фосфора, серы, селена или галогена. Эти защитные пленки имеют по меньшей мере две функции, преимущественные для эффективного смазывания: (ί) они обеспечивают несущую нагрузку пленку твердого смазочного материала и (ίί) они сводят к минимуму карбонизацию и лакировку путем подавления каталитической активности металла. В СВ 782263 показано, что сульфурация деталей из черных металлов путем нагревания деталей до температуры выше 500°С в ванне с солевым расплавом, содержащим цианид щелочного металла, цианат щелочного металла и активную серу, улучшает их сопротивление износу и заклиниванию. В опубликованной заявке на международный патент νθ 03091479А описана химическая обработка поршневых колец и поршней путем нагревания в масле, содержащем подходящие добавки. В И8 5363821 описано использование графитового, Мо8₂, ΒΝ твердых смазочных материалов, включенных в полимерный носитель/связующее, для изготовления антифрикционных покрытий на стенках отверстия цилиндра путем нанесения напылением с последующей термической фиксацией.

Еще один способ получения покрытия с низким коэффициентном трения описан в опубликованной заявке на патент Японии 2004-76914. Ползун перемещается относительно поверхности скольжения, и смазочное масло, содержащее молибден и серу, наносят на поверхность скольжения. Стальной порошок добавляют к полиамидимидной смоле и путем вдавливания полиамидимидной смолы в поверхность в присутствии указанного смазочного масла, инициируют реакцию молибдена и серы на железной поверхности, получая дисульфид молибдена, удерживаемый в матрице из смолы. Таким образом, смола служит в качестве связующего для образующегося дисульфида молибдена.

Также следует отметить группу известных технологий, описывающих пленки с низким коэффициентом трения, получаемые с помощью ФОПВ, ХОПВ и/или плазменного напыления. Так в опубликованной заявке на патент И8 2005/0214540 описаны ФОПВ/ХОПВ покрытия поршней, а в патенте И8 4629547 описаны борсодержащие пленки с низким коэффициентом трения, получаемые путем плазменного напыления.

Общим для большинства твердых смазочных систем является то, что смазочный материал осаждают на поверхность либо в виде чистого смазочного вещества, либо в виде смазочного материала в веществе-носителе. После осаждения могут проводить различные типы последующей обработки, обычно термическую обработку или механическую обработку. Таким образом, смазочные материалы обеспечивают в качестве слоя сверху поверхности, которая нуждается в смазке. Трудно получить хорошую адгезию к поверхности, и в то же время, низкий коэффициент трения с соседней поверхностью.

Преимущества трибопленок в снижении трения и износа хорошо известны в области трибологии. Трибохимическое осаждение твердых смазочных материалов с преимуществом использовали в опубликованной международной заявке на патент νθ 2009/071674, где описано получение трибохимически осажденных пленок путем механической обработки инструментом, обычно содержащим Мо или ν, поверхности, на которую требуется нанести покрытие, в присутствии серы. Такие трибохимически осажденные пленки обладают очень привлекательными свойствами в отношении гладкости, сопротивления износу и низкого трения. Одним важным замечанием является то, что трибохимический процесс вовлекает также и материал подложки, вызывая постепенное превращение между материалом подложки и твердым смазочным материалом. Трибопленки Мо8₂ и ν8₂ позволяют увеличить прочность смазочной пленки, и в результате увеличивается сопротивление износу. Кроме того, целостность поверхности улучшается и снижается усталостный износ в течение и после обкатки. Пленки также имеют низкое граничное трение.

Недостатком способа, представленного в νθ 2009/071674, является то, что поверхность инстру- 1 023948 мента, обычно изготовленного из сплава, содержащего Мо и/или расходуется в процессе, и ее следует заменять через определенное время. Кроме того, скорость осаждения трибопленки ограничена относительно медленной гетерогенной реакцией между твердым металлом и активной серой.

Описание изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение более производительных способов получения трибохимически осажденных покрытий твердых смазочных материалов.

Вышеуказанной цели достигают в соответствии с независимым пунктом. Предпочтительные воплощения представлены в зависимых пунктах. В общем, способ трибоподготовки поверхности включает обеспечение механического элемента. Поверхность механического элемента механически обрабатывают инструментом. В область контакта между механическим элементом и инструментом подают рабочую жидкость. Рабочая жидкость включает первый элемент, который представляет собой тугоплавкий металлический элемент, и второй элемент, который представляет собой халькоген. Первый элемент и второй элемент находятся в составе жидкого вещества. Механическую обработку выполняют при контактном давлении, которое составляет от 1 до 100% предельной прочности механического элемента. В результате механическая обработка вызывает совместное полирование поверхности механического элемента и осаждение трибопленки на поверхность механического элемента. Трибопленка включает первый элемент и второй элемент.

Одно из преимуществ настоящего изобретения состоит в том, что трибопленка из твердого смазочного материала может быть изготовлена с меньшим износом инструмента и с лучшим регулированием рабочих параметров, чем в способах предшествующего уровня техники. Другие преимущества обсуждают в связи с подробным описанием, представленным ниже.

Краткое описание чертежей

Изобретение, вместе с его дополнительными целями и преимуществами, можно лучше понять из последующего описания, рассматриваемого совместно с сопровождающими чертежами, где на фиг. 1А-В схематически представлены осадки из твердого смазочного материала;

на фиг. 1С схематически представлена трибопленка из твердого смазочного материала;

на фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий пример соотношения между временем нанесения покрытия и контактным давлением между инструментом и обрабатываемой деталью;

на фиг. 3 показана схема стадий воплощения способа согласно настоящему изобретению, и на фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий влияние трибопленки из твердого смазочного материала, полученного согласно настоящему изобретению, на трение.

Подробное описание

По всему описанию одинаковые или непосредственно соответствующие элементы на различных чертежах и в воплощениях отмечены одинаковыми номерами позиций.

Как указано в описании уровня техники, трибопленки из твердых смазочных материалов проявляют выдающиеся свойства, главным образом в отношении допустимого контактного давления, противоизносных свойств, а также морфологии. Чтобы понять важность структуры трибопленки, в первую очередь ниже описаны свойства трибопленки.

При осаждении твердого смазочного материала на поверхность согласно способам, отличным от трибохимического, конечный продукт может выглядеть так, как схематически показано на фиг. 1А. Подложку 2, имеющую определенную шероховатость 4 на своей поверхности 3, покрывают слоем 6 твердого смазочного материала 1. Если было выполнено осаждение только одного твердого смазочного материала 1, или если любые дополнительные элементы были удалены в процессе обработки после осаждения, такой как термическая обработка или механическая обработка, весь слой 6 обычно состоит из твердого смазочного материала 1. Существует граница 5 раздела между фазой подложки 2 и фазой твердого смазочного материала 1, которая является более или менее резкой. Свойства износа и давления покрытой поверхности в большой степени зависят от свойств этой границы 5 раздела. Чтобы избежать отслаивания, связи по границе 5 раздела должны быть прочными. В то же время, твердый смазочный материал 1 как таковой обычно должен легко подвергаться сдвигу. Поверхность 7 слоя 6 твердого смазочного материала 1 зависит от используемого способа осаждения. Однако, обычно шероховатость 9 поверхности 7 больше, чем шероховатость 4 поверхности 3 подложки 2. Если требуется более гладкая поверхность, может быть необходима последующая обработка, такая как лаппингование или полировка.

На фиг. 1В показана ситуация, когда слой 6, содержащий области твердого смазочного материала 1, внедренные в матрицу материала-носителя 9, осажден на поверхность подложки. В этом случае матрица материала-носителя 9 может быть адаптирована таким образом, чтобы получить прочные связи с подложкой 2. Однако, общее количество твердого смазочного материала, доступного на слое поверхности 7, меньше, и фрикционные свойства, вероятно, являются не такими хорошими, как в случае фиг. 1А.

На фиг. 1С показана осажденная трибопленка 10. При трибохимическом осаждении в благоприятных условиях, которые дополнительно описаны ниже, осаждение трибопленки 10 сочетают с полировкой исходной поверхности 3, показанной здесь пунктирной линией. Полировку выполняют посредством механического контакта между инструментом и обрабатываемой деталью, в результате чего выравнивают или полируют неровности. В то же время, такой истираемый материал приходит в контакт и взаимодей- 2 023948 ствует с веществами, которые предназначены для образования трибохимически осажденной пленки. Таким образом, трибохимически осажденную пленку, или трибопленку, образуют путем химических реакций между покрываемой поверхностью, обрабатываемым материалом и веществами рабочей жидкости, а также возможно обрабатывающим инструментом, обеспечивая локальное нагревание и давление, которые дают возможность протекания реакций. Все вместе эти вещества образуют трибопленку 10 твердого смазочного материала 1. Однако трибопленка 10 не является однородной пленкой. Напротив, трибопленка 10 имеет переменный состав от чистого вещества подложки до почти чистого вещества твердого смазочного материала. Толщина и распределение вещества твердого смазочного материала также изменяется латерально по поверхности, в зависимости, например, от исходной топологии поверхности.

В настоящем описании трибопленку определяют как защитный слой, который образуется в течение скольжения или качения во фрикционном контакте между двумя поверхностями в присутствии специальных добавок, которые претерпевают трибохимические реакции, приводящие к образованию нового химического соединения на трущихся поверхностях. Образуемые таким образом трибопленки предотвращают прямой контакт металла с металлом и связанные с этим явления холодной сварки. Трибопленки, получаемые по настоящему изобретению, обеспечивают непосредственное связывание трибохимически образуемых соединений твердых смазочных материалов с покрываемой поверхностью.

Это непосредственное связывание обеспечивает отличное сопротивление царапанью, сопротивление ударной нагрузке и термическое сопротивление. В отличие, например, от заявки на патент Японии 2004-76914, в настоящем изобретении в процессе изготовления не используют металлический порошок, и не требуется органического связующего для сохранения твердого смазочного вещества на поверхности.

Одной из основных идей настоящего изобретения является обеспечение рабочей жидкости, содержащей все активные вещества для трибохимичесокй реакции. Ранее трибохимическое осаждение выполняли с использованием одного компонента в обрабатывающем инструменте, а другого компонента в рабочей жидкости. Однако обрабатывающий инструмент посредством этого постепенно изнашивается, что приводит к неконтролируемым изменениям формы поверхности контакта инструмента/обрабатываемой детали и требует регулярной замены обрабатывающего инструмента на новый или восстановленный. В серии экспериментов с обрабатывающим инструментом, содержащим металлический вольфрам, во время работы обеспечивали рабочую жидкость, содержащую серу, а также растворимое соединение вольфрама. Было обнаружено, что износ обрабатывающего инструмента снижался по сравнению со способом, в котором используют рабочую жидкость, включающую только серу. Поэтому можно заключить, что, по меньшей мере, часть вольфрама, который включен в состав твердого смазочного материала, поставляли напрямую из рабочей жидкости. При избытке соединений вольфрама в рабочей жидкости износ инструмента можно значительно снизить. Поэтому использование рабочей жидкости, включающей как вольфрам, так и серу, считается предпочтительным решением.

Как следствие этого, также возможно осуществлять трибохимическое осаждение с помощью инертного обрабатывающего инструмента, вообще не содержащего вольфрама, при условии, что количество вольфрама в рабочей жидкости является достаточно большим, чтобы обеспечить приемлемую скорость образования пленки/время обработки.

Другим очень важным параметром является давление. Чтобы достичь надлежащей трибопленки, обработка покрываемой поверхности должна также включать значительное количество полирующих компонентов. Полирование требует приложения локального давления между неровностями, которое превышает предел текучести материала заготовки. Полирование является существенным не только для повышения гладкости поверхности, но также для предоставления свежей механической поверхности воздействию реагентов для обеспечения химических связей. Совместное полирование покрываемой поверхности и создание поверхности с низким коэффициентом трения и осадка твердого смазывающего материала должно привести к получению надлежащего покрытия. Было обнаружено, что давление, требуемое для достижения такой трибопленки, зависит от механических свойств покрываемой поверхности. Обычно для получения трибопленки необходимо контактное давление, соответствующее по меньшей мере 1% предельной прочности покрываемого элемента. Конечно, контактное давление не может превышать 100% предельной прочности, поскольку тогда покрываемый элемент может быть поврежден. Для покрываемых элементов, выполненных из пластичных материалов, также важным параметром является предел текучести. Предел текучести обычно немного ниже предельной прочности, и контактное давление не должно превышать 100% предела текучести. Для материалов, имеющих как предельную прочность, так и предел текучести, оба эти значения в большинстве случаев имеют один порядок величины.

Поэтому для покрываемого элемента, выполненного из обычного чугуна, контактное давление составляет по меньшей мере 50-100 МПа. Напротив, для покрываемого элемента, выполненного из быстрорежущей стали, контактное давление составляет, по меньшей мере, 100-200 МПа. Эти величины приведены только в качестве типичных примеров, и подходящее контактное давление следует определять отдельно для каждого конкретного элемента.

Другой особенностью, которая была обнаружена, является то, что скорость осаждения трибопленки сильно зависит от контактного давления. Общей тенденцией является то, что при большем контактном

- 3 023948 давлении получали более высокую скорость осаждения. При контактном давлении, составляющем 5% предельной прочности покрываемого элемента, скорость осаждения возрастала еще больше. Это объясняется расширением несущей нагрузку площади поверхности, на которой происходят трибореакции. Как обсуждалось выше в отношении пластичного материала, такого как серый чугун, предел текучести можно использовать вместо предельной прочности, получая приблизительно такую же общую картину поведения.

На фиг. 2 показаны основные соображения, касающиеся определения окна 105, ЛВСЭ. для способности подвергаться обработке по конкретному сочетанию обрабатываемой детали/инструмента. Если контактное давление является слишком низким, обычно ниже 1% предела текучести материала обрабатываемой детали (или соответствующей предельной прочности непластичного материала), скорость образования трибопленки становится слишком низкой и производительность становится неудовлетворительной. Это определяет левая граничная линия ЛИ способности подвергаться обработке. С другой стороны, если контактное давление является слишком высоким, приближающимся к пределу текучести материала обрабатываемой детали, быстро возрастает опасность повреждения обрабатываемой детали. Это определяет правая граничная линия ВС способности подвергаться обработке. Кроме того, если время обработки является слишком коротким, невозможно образовать достаточное количество продуктов реакции и достичь надлежащей степени полировки поверхности. Это определяет нижняя граничная линия ЭС способности подвергаться обработке. Наконец, если время обработки является слишком долгим, невозможно достичь надлежащей производительности и общая эффективность процесса снижается. Для типичных покрываемых элементов предпочтительные контактные давления составляют более 10 МПа, более предпочтительно, более 50 МПа, еще более предпочтительно, более 10 МПа, и наиболее предпочтительно, более 200 МПа, при условии, что не превышается предельная прочность. Для сравнения, контактные давления, которые используют, например, для обкатки или хонингования, обычно составляют от 1 до 10 МПа.

Так как способ, описываемый здесь, включает операции, как нанесения покрытия, так и обкатки, альтернативно его называют трибоподготовкой.

На фиг. 3 показана схема стадий воплощения способа трибоподготовки согласно изобретению. Способ трибоподоготовки начинают со стадии 200. Покрываемый механический элемент обеспечивают на стадии 210. На стадии 212 поверхность механического элемента механически обрабатывают инструментом при достаточно высоком давлении. Механическую обработку выполняют при контактном давлении от 1 до 100% предельной прочности механического элемента. На стадии 214 в область контакта между механическим элементом и инструментом подают рабочую жидкость. Рабочая жидкость включает первый элемент, который представляет собой тугоплавкий металлический элемент, и второй элемент, который представляет собой халькоген. Первый элемент и второй элемент обеспечены в жидком состоянии.

Активные элементы могут быть обеспечены в виде общего активного компонента, или в виде отдельных активных компонентов жидкого вещества. Таким образом, механическая обработка вызывает совместную полировку поверхности механического элемента и осаждение трибопленки. Получаемая трибопленка включает первый элемент и второй элемент на поверхности механического элемента. Способ заканчивается стадией 299.

Два типа наиболее используемых в известном уровне техники твердых смазочных материалов, представляют собой Α8₂ и Мо8₂. Дисульфид вольфрама (молекулярная масса 248 г/моль, плотность 7,5 г/см³ и температура разложения 1250°С) получают путем взаимодействия соединения серы с источником вольфрама, согласно

Α + 28 Αδ;

Аналогично, дисульфид молибдена (молекулярная масса 160 г/моль, плотность 5,0 г/см³, температура плавления 2375°С и температура сублимации 450°С) получают путем взаимодействия соединения серы с источником молибдена, согласно

Мо + 28 Мо8₂

Указанные дисульфиды также можно получить путем трибологической конверсии определенных серосодержащих металлосодержащих комплексов, включая, но не ограничиваясь перечисленным, тиокарбаматы, тиофосфаты, тиоксантаны и подобные соединения.

Помимо этих двух широко известных твердых смазочных материалов существуют другие возможности, и было проведено определенное количество испытаний с различными составами рабочих текучих сред.

В зависимости от реакционной способности подложки в отношении содержащей серы рабочей жидкости, некоторое количество сульфидов металлов, отличных от Α8₂ и Мо8₂, можно получить с помощью процесса трибоосаждения. Таким образом, фактический состав пленки зависит от типа подложки и состава рабочей жидкости. В случае стали полагают, что трибопленки в основном состоят из сульфидов вольфрама или сульфидов молибдена, соответственно, и сульфидов железа. При определенных условиях могут также образовываться смешанные оксиды, такие как вольфрамовые бронзы. Однако следует

- 4 023948 отметить, что на практике трибопленки не имеют четко определенного стехиометрического состава.

В качестве металлического компонента твердого смазочного материала предпочтительно выбирают, как правило, тугоплавкий металл. Как определено выше, наиболее значимыми кандидатами являются Мо и Эти тугоплавкие металлы обеспечивают в качестве металлических соединений, растворенных в рабочей жидкости, и также возможно в качестве металла или металлических соединений в обрабатывающем инструменте. Металлические соединения, растворенные в рабочей жидкости, предпочтительно представляют собой соли или органические комплексы. Не исключительными примерами соединений вольфрама, которые пригодны для этих целей, являются:

простые вольфраматы, тиовольфраматы, дититокарбаматы вольфрама, дитиофосфаты вольфрама, карбоксилаты и дитиокарбоксилаты вольфрама, ксантаты и тиоксантаты вольфрама, многоядерные вольфрамовые комплексы, содержащие карбонил, циклопентадиенил и серу в качестве лигандов, галогенсодержащие комплексы вольфрама с пиридином, бипиридином, нитрилами и фосфинами в качестве лигандов, аддукты вольфрамовой кислоты и жирных глицеридов, амидов и аминов.

Не исключительными примерами соединений молибдена, которые пригодны для этих целей, являются:

простые молибдаты - тиомолибдаты, дититокарбаматы молибдена, дитиофосфаты молибдена, карбоксилаты и дитиокарбоксилаты молибдена, ксантаты и тиоксантаты молибдена, многоядерные молибденовые комплексы, содержащие карбонил, циклопентадиенил и серу в качестве лигандов, галогенсодержащие комплексы молибдена с пиридином, бипиридином, нитрилами и фосфинами в качестве лигандов, аддукты молибденовой кислоты и жирных глицеридов, амидов и аминов.

Также и неметаллический компонент твердого смазочного материала можно выбирать различными путями. Кандидатов для включения в твердые смазочные материалы можно обнаружить среди основных халькогенов, из которых в настоящее время предпочитают серу. Сера может вступать в трибохимическую реакцию в форме элементарной серы или производных серы, растворенных в рабочей жидкости. Наиболее пригодными производными серы являются такие, которые часто называют активной серой и которые включают, например, группы органических сульфидов и органических полисульфидов. Не исключительными примерами такой активной серы являются дибензилдисульфид, сульфированный изобутен, сульфированные жирные кислоты и диалкилполисульфиды. Альтернативно, сера может вступать в трибохимическую реакцию вместе с тугоплавким металлическим компонентом, таким как тиокарбамат, тиофосфат или тиоксантат, и в этом случае не требуется вторичных источников серы.

Также возможно использование различных растворителей в рабочей жидкости. Подходящими кандидатами являются низкокипящие растворители с высокой температурой вспышки, такие как минеральные масла, полиальфаолефины, сложные эфиры, полиэтиленгликоль и ионные жидкости. Растворитель, используемый в рабочей жидкости, обычно не предназначен для того, чтобы составлять часть конечного продукта.

Таким образом, в одном из воплощений рабочая жидкость содержит по меньшей мере три компонента; жидкое вещество, обычно действующее в качестве растворителя, и первый и второй активные компоненты. Первый активный компонент содержит первый элемент, который представляет собой тугоплавкий металлический элемент. Второй активный компонент включает второй элемент, который представляет собой халькоген. Первый активный компонент и второй активный компонент обеспечивают в жидком веществе.

Таким образом, в другом воплощении рабочая жидкость содержит по меньшей мере два компонента; жидкое вещество, обычно действующее в качестве растворителя, и активный компонент. Активный компонент содержит как первый элемент, который представляет собой тугоплавкий металлический элемент, так и второй элемент, который представляет собой халькоген. Активный компонент обеспечивают в жидком веществе.

Как отмечено ранее, обрабатывающий инструмент не должен содержать какой-либо компонент трибопленки. Основной функцией такого пассивного инструмента является инициирование трибореакций на поверхности заготовки в присутствии рабочей жидкости. Пассивный инструмент не изнашивается помимо обычного износа. Примерами пассивных инструментов являются инструменты из быстрорежущей стали (БРС), карбида вольфрама (^С), нитрида бора (ΒΝ), покрытые алмазоподобным углеродом инструменты, различные керамические и металлокерамические инструменты и т.д.

- 5 023948

В другом воплощении инструмент включает первый активный компонент. Такой активный инструмент имеет двойное назначение. Он обеспечивает по меньшей мере часть одного реакционноспособного компонента, который, в конечном счете, образует трибопленку. Он также служит для инициирования трибореакций между поверхностью заготовки и рабочей жидкостью. Таким образом, активный инструмент сочетает в себе функции инициирования требуемых трибореакций и подачи для них реагентов, необходимых для образования трибопленки. Примерами активных инструментов, используемых в настоящем изобретении, являются металлические и спеченные металлические инструменты, содержащие вольфрам или молибден.

Как активные, так и пассивные инструменты могут включать систему каналов для транспорта реагента в зону трения, где протекают действительные трибореакции. Таким образом по меньшей мере часть рабочей жидкости можно подавать через сам инструмент.

При инициировании осаждения трибопленки, обычно существует чрезвычайно высокое трение между инструментом и поверхностью заготовки. Существует опасность прилипания инструмента, вызывающего образование задиров, наволакивание металла или другое повреждение поверхности заготовки. Чтобы решить эту проблему, в одном из воплощений изобретения рабочая жидкость дополнительно включает растворенный в ней один или более улучшающих обрабатываемость агентов. Обычно эти улучшающие обрабатываемость агенты могут представлять собой противозадирные добавки, препятствующие износу добавки или модификаторы трения, антиоксиданты, ингибиторы коррозии и противовспенивающие добавки. В отличие от тугоплавкого металла и халькогенов, основным назначением которых является образование трибопокрытия, основной функцией улучшающих обрабатываемость агентов является обеспечение плавного хода процесса для сочетания конкретная поверхность/инструмент посредством:

обеспечения стойкости рабочей жидкости к окислению; поддержания чистоты поверхности; предотвращения коррозии заготовки и инструмента; регулирования пенообразования.

Не исключительные примеры таких улучшающих обрабатываемость агентов представляют собой диалкилдитиофосфат цинка (Ζη ДДФ), трикрезилфосфат (ТКФ), фосфатные сложные эфиры, боратные сложные эфиры, ионизированные растительные масла, амиды жирных кислот и сложные эфиры жирных кислот.

Для дополнительной иллюстрации настоящего изобретения ниже представлены два конкретных примера.

Пример 1.

Инструмент, включающий металлический вольфрам, использовали для получения трибопокрытия из дисульфида вольфрама на поверхности распределительного вала автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Используемый в исследовании распределительный вал был выполнен из отбеленного чугуна с твердостью по Виккерсу 470 НУ. Контактное давление между инструментом и распределительным валом составляло от 100 до 200 МПа. Рабочая жидкость содержала 3 мас.% вольфрама и 1 мас.% активной серы, растворенные в углеводородном растворителе с кинематической вязкостью 2 сСт при 100°С. Трибологическую подготовку поверхности распределительного вала проводили в течение 10 мин при 100 об/мин. Трибологические свойства покрытого вала сравнивали со свойствами исходного вала. Экспериментальные условия были следующими: для каждого покрытия выполняли 10 измерений: три повторяющихся измерения коэффициента трения для трех различных скоростей вращения (соответствующих скоростям скольжения от 0,1 до 0,7 м/с), после чего выполняли одно испытание на износ. В качестве датчика силы трения использовали ролик из подшипниковой стали. Радиус ролика составлял 5,5 мм, а радиус узла вала составлял 18 мм. Каждое испытание на трение проводили в течение 10 мин при нагрузке 5Н с использованием машинного масла Са§1го1 8ЬХ 5\У-30 в качестве смазочного материала. Испытание на износ проводили в течение 1 ч при такой же нагрузке. След износа исследовали с использованием оптической микроскопии.

Эти эксперименты продемонстрировали улучшенную трибологическую характеристику покрытых распределительных валов: коэффициент трения снижен на 20-60%, как показано в табл. 1. Одновременно износ снижался в 4-10 раз. Как можно легко видеть из таблицы, покрытые распределительные валы показывали значительно более низкий коэффициент трения по сравнению с необработанным валом при соответствующих условиях. (Отметим, что коэффициент трения является свойством, зависящим от скорости.)

Таблица 1. Влияние трибопокрытия из νδ₂ между кулачком и толкателем

Исследуемый распределительный вал	Коэффициент трения между кулачком/толкателем при скорости скольжения
0,1 м/с	0,25 м/с	0,7 м/с
Исходный	0,11+0,01	0,09+0,01	0,07+0,01
Покрытый	0,07±0,01	0,06±0,01	0,03±0,01

- 6 023948

Пример 2.

Инструмент, включающий металлический вольфрам, использовали для получения трибопокрытия из дисульфида вольфрама на поверхности гильзы цилиндра автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Используемая в исследовании гильза была выполнена из серого чугуна с твердостью по Виккерсу 450 НУ. Контактное давление между инструментом и гильзой составляло от 50 до 100 МПа. Рабочая жидкость содержала 3 мас.% вольфрама и 1 мас.% активной серы, растворенные в углеводородном растворителе с кинематической вязкостью 2 сСт при 100°С.

Трибологические свойства покрытой гильзы сравнивали со свойствами исходной гильзы. Экспериментальные условия были следующими: устройство для измерения трения при возвратнопоступательном движении использовали для измерения трения между сегментом гильзы цилиндра и поршневым кольцом. Частота колебаний составляла 5 Гц, нормальное напряжение составляло 3 МПа, длина хода поршня составляла 5 мм, и машинное масло Са§1го1 8ЬХ 5ТО-30 использовали в качестве смазочного материала.

Эти эксперименты продемонстрировали значительное снижение трения для покрытых гильз, как показано фиг. 4. Как для покрытой поверхности 101 гильзы, так и для исходной поверхности 100, коэффициент трения уменьшался со временем, в соответствии с операцией приработки. Однако трибологически подготовленная поверхность гильзы всегда показывала более низкий коэффициент трения. Кроме того, коэффициент трения для трибологически подготовленной поверхности гильзы выравнивался на значительно более низком уровне, чем для поверхности исходной гильзы, что указывает на то, что даже после протяженного механического контакта сохранялось покрытие из твердого смазочного материала.

Таким образом, в настоящем изобретении раскрыт способ улучшения трибологических свойств металлических поверхностей. Особое внимание уделено снижению трения и износа металлических деталей, выполненных из черных металлов и сплавов, таких как чугун, поверхностно-упрочненная сталь, нитроцементированная сталь, быстрорежущая сталь и т.д., достигаемому путем трибологической подготовки таких деталей посредством трения инструмента о заготовку в присутствии рабочей жидкости, содержащей компоненты для образования твердого смазочного материала. Способ хорошо подходит для обработки таких деталей, как детали клапанного механизма в двигателях внутреннего сгорания, гильзы цилиндров, валы, зубчатые передачи, втулки, подшипники, рельсы направляющих скольжения и другие механические детали, подвергающиеся сильному трибологическому напряжению. Раскрытый здесь способ сочетает в себе полирование поверхности с осаждением тонкой трибопленки с низким коэффициентом трения, химический состав которой отличается от нижележащего материала и характеризуется элементами вышеуказанных химических компонентов. В настоящем изобретении полирование выполняют обычным способом, путем механического контакта инструмента и заготовки, посредством которого выравнивают или шлифуют шероховатости поверхности, а сопутствующее этому осаждение пленки выполняют посредством трибохимических реакций на поверхности заготовки. Трибохимические реакции инициируют путем совместного воздействия температуры и давления в зоне контакта между инструментом и поверхностью заготовки.

Описанные выше воплощения следует рассматривать только в качестве немногих иллюстративных примеров настоящего изобретения. Специалистам понятно, что воплощения могут претерпевать различные модификации, сочетания и изменения, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения. В частности, различные частные решения в различных воплощениях могут быть объединены в других конфигурациях, где это технически возможно. Однако объем изобретения определен в приложенной формуле изобретения.

Claims

1. Способ формирования поверхности с улучшенными трибологическими свойствами у механического элемента, включающий стадии подачи рабочей жидкости в зону контакта между механическим элементом и обрабатывающим инструментом;

при этом рабочая жидкость включает первый элемент, находящийся в составе жидкого вещества; указанный первый элемент представляет собой халькоген;

указанная рабочая жидкость дополнительно содержит второй элемент в составе указанного жидкого вещества;

указанный второй элемент представляет собой тугоплавкий металл; отличающийся наличием дополнительной стадии механического трения инструментом по поверхности указанного механического элемента; причем указанное механическое трение выполняют при контактном давлении, составляющем от 1 до 100% от предельной прочности механического элемента; таким образом, что указанное механическое трение вызывает совместное полирование поверхности указанного механического элемента, трибохимическую реакцию между указанной поверхностью, материалом, истираемым указанным полированием, и веществами указанной рабочей жидкости с образованием трибопленки

- 7 023948 и осаждение указанной трибопленки, включающей указанный первый элемент, указанный второй элемент и материал из указанного механического элемента, на указанную поверхность указанного механического элемента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное жидкое вещество включает первый активный компонент, содержащий указанный первый элемент, и второй активный компонент, содержащий указанный второй элемент.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное жидкое вещество включает активный компонент, содержащий указанный первый элемент и указанный второй элемент.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанный второй элемент выбирают, по меньшей мере, из и Мо.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что указанный второй элемент представляет собой

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что указанный второй элемент представляет собой Мо.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что указанный первый элемент представляет собой δ.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что указанный первый активный компонент выбирают из элементарной серы и активной серы.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что указанное контактное давление превышает 10% от указанной предельной прочности указанного механического элемента.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что указанный инструмент включает указанный второй активный компонент.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что указанная рабочая жидкость дополнительно включает один или более улучшающих обрабатываемость агентов.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанное жидкое вещество включает растворитель, выбранный из группы минеральных масел, полиальфаолефинов, сложных эфиров, полиэтиленгликолей и ионных жидкостей.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что указанное механическое трение выполняют при контактном давлении, превышающем 50 МПа, предпочтительно превышающем 100 МПа и наиболее предпочтительно превышающем 200 МПа.

- 8 023948

Фиг. 3

Фиг. 4