СПОСОБ БЕЗРАЗБОРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУЩИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК B23P6/02 C23C26/00 

Изобретение относится к способам обработки поверхностей трения узлов трения и предназначено для снижения механических потерь на трение и увеличения долговечности трущихся сопряжений двигателей внутреннего сгорания, агрегатов и узлов трансмиссий и ходовой части машин и может быть использовано для восстановления металлических трущихся соединений с одновременным повышением их износостойкости.

Последние десятилетия во всех промышленно развитых странах характеризуются усиленным вниманием к проблемам трения и изнашивания, вредные последствия которых весьма убыточны. Эти последствия связаны прежде всего с потерями энергии в узлах трения, потерями материалов при изнашивании и выходе оборудования из строя, вредными экологическими последствиями износа уплотнений, подшипников, направляющих и других подвижных сопряжений. Успешное продвижение в вопросе решения некоторых проблем трения и износа способствует увеличению долговечности машин и оборудования, снижению затрат на обслуживание и ремонт. Поэтому основными задачами трибологии (науки о трении) являются снижение трения и износа и, следовательно, экономия энергии и обеспечение нормальной эксплуатации производственных мощностей [1, 2, 3,].

В настоящее время эти проблемы решаются в основном путем применения различного рода смазок и родственных им продуктов, а также путем совершенствования способов обработки поверхностей узлов трения. При этом немаловажное значение приобретают вопросы стоимости материалов, доступности, эффективности используемых средств. Поэтому в качестве присадок нередко используют природные вещества, предварительно прошедшие специальную обработку.

Известно применение природного пирофиллита в качестве антифрикционной и противоизносной присадки к смазочным материалам [4] в виде взвеси в вакуумном и машинном масле порошка, прошедшего измельчение и рассев до фракций 0,5-1,5 мкм. Во всех случаях практического применения присадка порошка пирофиллита позволяет повысить срок службы втулок, вкладышей и деталей пар трения на 30-40%, однако наиболее она эффективна при смазке деталей, прошедших для повышения износостойкости цементацию или нитроцементацию и имеющих на поверхности тонкий слой внутреннего окисления. Это обстоятельство ограничивает возможности использования указанной присадки, кроме того, даже обработанные предварительно детали в процессе эксплуатации могут утратить исходную поверхность, и в таком случае дальнейшее использование пирофиллитовой присадки может быть недостаточно эффективным.

Известно также твердосмазочное покрытие, содержащее порошкообразный наполнитель и связующее [5], при чем в качестве порошкообразного наполнителя используют природную минеральную смесь сложного состава, дисперсность которой менее 10 мкм. Смазочный материал содержит 0,5-2% порошкообразного наполнителя, который обеспечивает финишную антифрикционную футеровку природными зеркалами скольжения, что, по-видимому, и является причиной заметного снижения коэффициента трения и отсутствием износа испытуемых пар трения. При этом для достижения необходимого эффекта используют природную минеральную смесь, в состав которой входят Ni, Ti, Cr, Сu, Со, FeO, S, CaО, MgO, Al₂О₃ и, по-видимому, H₂O в связанном состоянии.

Однако предложенное техническое решение должно быть использовано, как сказано выше, для финишной антифрикционной футеровки. Однако, из-за малой толщины такого рода покрытие может быстро разрушаться при больших нагрузках и колебаниях. При этом, как известно, после разрушения покрытий, которые работают в начальный период эксплуатации машины без износа, после их разрушения трибохарактеристики узлов трения существенно ухудшаются и не восстанавливаются даже при ремонтно-восстановительных работах, которые неизбежны для пар трения, работающих в сложных термохимических условиях.

Известен, кроме того, способ обработки поверхностей трения узлов трения путем нанесения на поверхность трения твердосмазочного покрытия толщиной 10-15 мкм [6] и введения в узел трения минерального масла, в которое предварительно вводят 0,5-1 мас.% от минерального масла присадки, представляющие собой продукт взаимодействия олеиновой кислоты и молибденовокислого аммония. Способ характеризуется также и тем, что антифрикционную присадку вводят в период эксплуатации и она работает одновременно с твердосмазочным покрытием.

Описанный выше способ обработки поверхностей трения, заключающийся в сочетании твердосмазочного покрытия и присадки, реализует три механизма смазывающего действия одновременно: физической адсорбции, хемосорбции и химической реакции, приводящих их к сенергизму как на поверхности трения, так и в объеме смазочного материала.

Однако при улучшении антифрикционных и противоизносных свойств описанный выше способ не ведет к восстановлению трущихся поверхностей и не может быть использован при ремонтно-восстановительных работах, что ограничивает область его применения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ безразборного восстановления трущихся соединений, включающий подачу в зону трения технологической среды, содержащей порошок, и формирование покрытия при эксплуатационной нагрузке [7] , в котором порошок представляет собой смесь мелкодисперсных порошков меди и олова в сочетании с глицерином, щавелевой и олеиновой кислотами.

В известном способе процесс восстановления осуществляется посредством фрикционного нанесения покрытия из пластичных металлов, содержащихся в специальной технологической среде, содержащей поверхностно-активные вещества, позволяющие удалить окисные пленки и пластифицировать обрабатываемые поверхности и частицы порошка.

Способ безразборного восстановления трущихся соединений обеспечивает нанесение пластичного покрытия с высокими антифрикционными и противозадирными свойствами толщиной 1-2 мм, а процесс восстановления длится 10-15 мин.

Однако описанный выше способ не может найти широкое применения, так как износостойкость пластичных материалов не отвечает современным требованиям, они не обеспечивают низких коэффициентов трения порядка 0,020-0,038, и это ограничивает применение способа.

Поэтому цепью предлагаемого технического решения является восстановление трущихся соединений при одновременном улучшении антифрикционных и противоизносных свойств поверхностей трения узлов трения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе безразборного восстановления трущихся соединений, включающем подачу в зону трения технологической среды, содержащей ремонтно-восстановительный состав, и формирование покрытия при зксплуатационной нагрузке, согласно изобретению, предварительно готовят ремонтно-восстановительный состав, который смешивают с базовым маслом перед подачей технологической среды в зону трения, при этом ремонтно-восстановительный состав готовят на основе порошка из природных минералов или смеси природных минералов, содержащих аморфную двуокись кремния, и катализаторов на основе шунгита или редкоземельных металлов.

Указанный технический результат достигают при содержании аморфной двуокиси кремния 40-55% в природном минерале или смеси природных минералов.

Дисперсность порошка может быть не более 10-30 мкм.

Количество катализатора выбирают в пределах 0,02-2 мас.% от веса порошка.

Ремонтно-восстановительный состав составляет 0,15-20 мас.% технологической среды.

Подготовка технологической среды перед ее использованием исключает выпадение в осадок порошка или его фильтрацию в системе очистки масла.

Указанным содержанием аморфной двуокиси кремния могут обладать природные минералы и их смеси из группы минералов подкласса слоистых силикатов, включающие различные структурные модификации состава Mg₃[Si₂О₅](ОН)₄.

Характерной особенностью минералов этой группы является способность образовывать "зеркала скольжения", которые в данном случае, видимо, и обеспечивают неограниченную работоспособность, а также аномально низкий коэффициент трения, отсутствие износа.

Использование катализаторов на основе шунгита или редкоземельных элементов способствует, по-видимому, образованию сложных поверхностных металлокерамических соединений, которые не только содержат зеркала скольжения, но и обеспечивают восстановление изношенных зон трения, их упрочнение и получение упомянутых выше триботехнических характеристик.

Окончательный выбор параметров в каждом случае зависит от степени изношенности зоны трения и материала, из которого изготовлена зона трения.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

Решение также обладает изобретательским уровнем. Известно использование в качестве твердых смазок материалов, обладающих слоистыми решеточными структурами, у которых связи между слоями - слабые, а в пределах слоя - достаточно сильные. Такими структурами обладают некоторые сульфиды, нитриды, селениды, теллуриды и др. соединения тяжелых металлов. Известно использование в качестве твердых смазок стекол (оксид бора, силикаты, фосфаты) [1, 2, 3] . Однако их использование связано с повышением температуры применения до, например, 650^oC, но не известно их использование с целью получения аномально низких коэффициентов трения и износа или восстановления поверхностей трения.

Известно также использование природной минеральной смеси определенного состава [5] в количестве 0,2-2,0 мас.% с дисперсностью 0,1-10 мкм. Механизм работы твердосмазочного покрытия на основе использования природного минерала упомянутого состава в зоне трения связан, по мнению авторов, с образованием природных зеркал скольжения, которые возникают "благодаря вещественному составу природной минеральной смеси". Результаты лабораторных испытаний показывают неограниченную работоспособность триад трения и отсутствие износа, но эффекта восстановления зоны трения не содержат. Нет также сведений о структуре природной минеральной смеси.

В предлагаемом техническом решении триботехнический эффект и восстановление зоны трения связаны с определенным содержанием аморфной двуокиси кремния и наличием катализатора на основе шунгита или редкоземельных металлов. Последнее обстоятельство вообще в триботехническом материаловедении не известно.

Таким образом, в основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа безразборного восстановления "трущихся соединений, в котором, вследствие введения в технологическую среду ремонтно-восстановительного состава на основе порошка из природных минералов или смеси природных минералов, содержащих аморфную двуокись кремния, и катализаторы на основе редкоземельных металлов, обеспечивается восстановление изношенных поверхностей, уменьшается коэффициент трения до значений, которые можно назвать аномально низкими, и за счет этого достигают снижение затрат на ремонт и восстановление, увеличивается срок службы машин и оборудования, снижаются эксплуатационные расходы, так как снижаются потери в узлах трения, что может дать значительную экономию при обработке парка машин и оборудования.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как может найти широкое использование в различных отраслях машиностроения, а также в системах ремонтно-восстановительных и эксплуатационных предприятий для различного оборудования.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Для обработки цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания "КАМИНГС" (CAMINGS) на Лебединском ГОК'е, имевшего 50% износ, использовали технологическую среду, содержавшую 0,6 г ремонтно-восстановительного состава и 200 г базового масла. Ремонтно-восстановительный состав содержал 0,1% РЗМ, 90% смеси серпентина и шунгита, взятых в соотношении 90:1, вода остальное. Дисперсность порошка не более 25-30 мкм. В этом случае содержание аморфной двуокиси кремния равнялось 0,25 г.

Обработку цилиндропоршневой группы осуществляли путем введения технологической среды в надпоршневое пространство двигателя по 20 г на один цилиндр. Без установки форсунок с помощью ручного привода 20 мин вращали коленвал. После этого установили форсунки и запустили двигатель обычным образом.

Через 65 часов работы двигателя отмечено снижение объема картерных газов с 225 л/мин до 60 л/мин, что свидетельствует о полном восстановлении цилиндропоршневой группы. При этом также отмечено снижение потребляемого топлива на 12%, что также свидетельствует об улучшении трибологических характеристик цилиндропоршневой группы.

Пример 2. Для обработки аксиально-поршневого насоса типа A2F10R4PU, обеспечивавшего после нескольких лет работы давление 80 кГс/см², использовали технологическую среду, содержащую 10 г ремонтно-восстановительного состава на 10 л базового масла. С учетом того, что узел трения представлял собой пару "сталь-бронза", ремонтно-восстановительный состав содержал 0,2% РЗМ и 88% природно-минеральной смеси, вода остальное. При этом смесь была составлена из серпентина, каолинита и шунгита, взятых в соотношении 2:2:1, в которой содержание аморфной двуокиси кремния равнялось 6 г. Дисперсность порошка не превышала 15-20 мкм.

Насос был включен в работу в замкнутую масляную систему через дроссель, который регулировал нагрузку на насос. Насос прокачивал технологическую смесь в течение 5 часов, при этом температура технологической смеси поднялась до 80-90^oC.

В результате давление, создаваемое насосом, увеличилось до 250 кГ/см², что свидетельствует о полном восстановлении работоспособности насоса вследствие компенсации износа. Отмечено также снижение потребляемой мощности на 25%, что свидетельствует об улучшении трибологических характеристик насоса.

Пример 3. Для обработки узла трения прецизионного станка СВААГЛ-250, имевшего дробление 5-6 мкм, овал 7 мкм, использовали технологическую среду, содержавшую 0,12 г ремонтно-восстановительного состава и 500 г консистентной смазки (литол). При этом ремонтно-восстановительный состав содержал 0,1% РЗМ, 90% природной минеральной смеси, составленной из серпентина и шунгита, взятых в соотношении 80:2, и вода остальное. Дисперсность порошка не превышала 10-12 мкм.

Обработку станка выполнили в два приема, используя каждый раз по 250 г технологической среды в течение 7 часов.

После обработки дробление составило 2-3 мкм, овал 5 мкм.

Полученный результат свидетельствует о восстановлении подшипников прецизионного станка.

Как видно из приведенных примеров, в результате использования предлагаемого технического решения обеспечивают восстановление трущихся соединений при одновременном улучшении антифрикционных и противоизносных свойств поверхностей трения узлов трения.

Источники информации
1. Трение, износ и смазочные материалы. Труды международной научной конференции, Т. 2, М.: 1985. - 348с.

2. Кламан Д. Смазки и родственные продукты. - М.: Химия, 1988. - 488 с.

3. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. Под ред. В.А.Белого и др. - М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон пресс, 1993. - 454 с.

4. Описание к авт. св. СССР N 1377284, кл. С 10 М 125/26, от 20.02.86.

5. Описание к патенту Российской Федерации N 2043393, кл. С 10 М 125/04, от 25.09.91.

6. Описание к патенту Российской Федерации N 2049108, кл. С 10 М 125/40, от 05.05.92.

7. Описание к патенту Российской Федерации N 2062821, кл. С 23 С 26/00, от 27.06.96 (прототип).

Изобретение относится к способам обработки поверхностей трения, узлов трения и предназначено для снижения механических потерь на трение и увеличения долговечности трущихся сопряжений двигателей внутреннего сгорания, агрегатов и узлов трансмиссий и ходовой части машин. Способ включает подачу в зону трения технологической среды, содержащей ремонтно-восстановительный состав и базовое масло, при этом ремонтно-восстановительный состав готовят на основе порошка из природных минералов или смеси природных минералов, содержащих аморфную двуокись кремния, и катализаторов на основе шунгита и редкоземельных металлов, а затем производят формирование покрытия при эксплуатационной нагрузке. Способ обеспечивает восстановление изношенных поверхностей, позволяет уменьшить коэффициент трения до значений, которые можно назвать аномально низкими, и за счет этого достичь снижения затрат на ремонт и восстановление, увеличить срок службы машин и оборудования и снизить эксплуатационные расходы. 4 з.п.ф-лы.

1. Способ безразборного восстановления трущихся соединений, включающий подачу в зону трения технологической среды, содержащей ремонтно-восстановительный состав, и формирование покрытия при эксплуатационной нагрузке, отличающийся тем, что предварительно готовят ремонтно-восстановительный состав, который смешивают с базовым маслом перед подачей технологической среды в зону трения, при этом ремонтно-восстановительный состав готовят на основе порошка из природных минералов или смеси природных минералов, содержащих аморфную двуокись кремния, и катализаторов на основе шунгита и редкоземельных металлов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что природный минерал или смесь природных минералов содержит аморфную двуокись кремния 40-55 мас.%. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсность порошка ремонтно-восстановительного состава составляет 10-30 мкм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество катализатора выбирают в пределах 0,02-2 мас.% от веса порошка ремонтно-восстановительного состава. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ремонтно-восстановительный состав берут в количестве 0,15-20 мас.% технологической среды, в которой базовое масло - остальное.