Инженерные решения в области
смазочных материалов и клеев-герметиков

Снижение трения и износа в парах резина-металл с применением антифрикционных твердосмазочных покрытий (АТСП)

Применение антифрикционных твердосмазочных покрытий Modengy позволяет максимально снизить потери на трение и повысить срок эксплуатации резино-металлических уплотнительных устройств и всего механизма в целом.

В машиностроении наиболее распространенными уплотнительными устройствами являются манжетные и кольцевые уплотнения в трубопроводной арматуре, погружных насосах, на валах, подшипниках и других узлах с парами трения резина-металл. Конструкция многих винтовых насосов также предусматривает металлический ротор, при вращении контактирующий с резиновой оболочкой.

Упругость и эластичность конструкционных материалов позволяет таким уплотнениям плотно прилегать к металлическим поверхностям и обеспечивать хорошую герметизацию. В то же время при взаимном перемещении элементов таких уплотнений большое количество энергии уходит на преодоление сил трения. Это явление приводит к деформациям, возникновению дефектов, повышенному износу резиновых элементов, нарушению герметичности и снижению ресурса оборудования.

При проектировании и изготовлении уплотнительных устройств с применением современных технологичных материалов удается решить две противоречивые, на первый взгляд, задачи – обеспечить максимальные герметичность и ресурс и одновременно максимально снизить потери на трение.

Механизм трения в парах резина-металл

Одной из проблем, наблюдаемых при работе резиновых уплотнений, является прилипание резины к сопряженным металлическим поверхностям. В состоянии покоя коэффициент трения резины по металлу достигает огромных значений – f=1,0…1,2. Для страгивания деталей в этом случае необходимо преодолеть силу трения и приложить к уплотнению значительные усилия. При этом происходит выдавливание резины в зазоры, а на поверхности уплотнения часто образуются характерные повреждения (см. илл. 1). В момент пуска механизма из-за прилипания резины повреждения может получить также острая запирающая кромка манжеты.

Повреждение резины
Илл. 1. Внешний вид повреждений резиновой детали, вызванных прилипанием к металлической поверхности.

Такие локальные повреждения часто приводят к разрыву уплотнений и разгерметизации узла.

Величина силы трения резины по металлу прямо пропорциональна коэффициенту трения, который, согласно молекулярно-механической теории, определяется механической и молекулярной составляющими. Механическая компонента обусловлена наличием микронеровностей и их деформацией при взаимном перемещении контактирующих поверхностей. Молекулярная составляющая вызвана силами молекулярного притяжения конструкционных материалов.

Особенностью резино-металлических систем является преобладание в них механической составляющей коэффициента трения. Ее снижение возможно при обработке металлической поверхности путем шлифования, полирования или применения других методов финишной обработки.

При такой обработке микронеровности поверхности сглаживаются и уменьшаются. Одновременно это приводит к увеличению площади соприкосновения контактирующих поверхностей, а, значит, к росту молекулярной составляющей.

Таким образом, снижение трения контактных поверхностей резино-металлических уплотнительных устройств является сложной инженерной задачей, которая решается только с учетом особенностей трения, выбора оптимальных конструкционных материалов и методов их обработки. Применение инновационных антифрикционных твердосмазочных покрытий Modengy существенно облегчает поиск решения.

АТСП Modengy – инновационные материалы для снижения трения и износа резино-металлических уплотнений.

Достоинства антифрикционных покрытий Modengy в парах трения резина-металл

  • Покрытия повышают ресурс механизмов, предотвращают скачкообразное движение и прилипание резины к металлу при страгивании с места, обеспечивают плавность хода деталей узлов.
  • За счет заполнения впадин и выравнивания микронеровностей поверхности АТСП повышают герметичность конструкции.
  • Кроме того, материалы Modengy обеспечивают отличную антикоррозионную защиту металлических деталей, что позволяет в ряде случаев отказаться от применения нержавеющих сталей и заменить их более дешевыми конструкционными материалами из обычных сталей.
  • Для поверхности под нанесение покрытий не требуются сложные методы финишной обработки. При условии проведения предварительной очистки и обезжиривания для надежной адгезии покрытия с основой достаточно шероховатости Ra = 0,8 мкм. Это снижает стоимость изготовления деталей конструкции.
  • Снижение трения в уплотнительных устройствах приводит к повышению КПД механизма.
  • Сухие смазочные материалы в составе покрытия не способствуют налипанию пыли и грязи, что обеспечивает возможность работы механизма в условиях запыленности.

Принцип работы антифрикционных твердосмазочных покрытий (АТСП) Modengy

Антифрикционные твердосмазочные покрытия формируют на поверхности металлической детали тонкий композиционный слой толщиной около 5-25 мкм. Связующее вещество в составе покрытий прочно сцеплено с основой и образует полимерную матрицу, ячейки которой заполнены частицами твердых смазочных материалов – дисульфидом молибдена, политетрафторэтилена, графита и др. (илл. 2).

Структура АТСП Modengy Илл. 2. Структура АТСП.

При нанесении АТСП микронеровности поверхности заполняются покрытием и выравниваются. При этом увеличивается опорная площадь. Слоистая структура материала обеспечивает малое сопротивление сдвигу. При этом снижается механическая составляющая коэффициента трения.

Образовавшийся слой покрытия препятствует прилипанию резины к металлу и выполняет разделительную функцию. Это снижает молекулярную составляющую коэффициента трения.

Антифрикционные покрытия во многих случаях полностью заменяют другие виды смазочных материалов. В отличие от пластичных смазок или масел АТСП выдерживают очень высокие нагрузки, не выдавливаются из зоны трения, инертны по отношению к различным химическим веществам и агрессивным факторам.

В таблице 1 приведены некоторые материалы Modengy для пар трения резина-металл, а также их основные свойства.

Таблица 1. Состав и характеристики АТСП

Марка АТСП

Modengy 1006

Modengy 1010

Modengy 1011

Modengy 1014

Твердосмазочный компонент

Дисульфид молибдена, графит

ПТФЭ

ПТФЭ

Дисульфид молибдена, ПТФЭ

Диапазон рабочих температур, °С

-70…+315

-70…+250

-70…+250

-75…+255

Цвет

Серо-черный полуматовый

Черный глянцевый

Серебристый

Серый матовый

Износостойкость по ASTM D2714, тыс. циклов

191

15

49

290

Коэффициент трения по ASTM D2714

0,03

0,10

0,08

0,04

Защита от коррозии по ISO R 1456 (тест в соляном тумане), ч

300

500

500

350

Нанесение и отверждение АТСП

АТСП Modengy наносятся на предварительно подготовленную (очистка и обезжиривание) поверхность методом распыления. Через 10 минут после нанесения жидкий состав высыхает и набирает начальную прочность, при которой детали можно транспортировать без риска повреждения покрытия. Для полной полимеризации необходима выдержка в течение 30…60 минут с нагревом до +150 …+200 °С. Точные условия отверждения определяются применением конкретной марки покрытия.

Применение покрытий

Антифрикционные покрытия Modengy от российской компании "Моделирование и инжиниринг" разработаны с учетом триботехнических процессов, протекающих в парах трения резина-металл.

Инженеры компании реализовали десятки проектов, основанных на применении покрытий для снижения трения и износа резиновых уплотнений

  • пневмо- и гидроцилиндров;
  • вращающихся валов;
  • штоков трубопроводной арматуры;
  • роторов, подшипников и других металлических деталей насосов;
  • элементов торцовых уплотнений.

Примеры элементов пневмосистем с нанесенным покрытием Modengy 1010 приведены на илл. 3.

Примеры применения АТСП Modengy 1004
Илл. 3. Примеры применения покрытия Modengy 1010 на элементы пневмосистем.
Применение антифрикционных твердосмазочных покрытий Modengy позволяет максимально снизить потери на трение и повысить срок эксплуатации резино-металлических уплотнительных устройств и всего механизма в целом.