СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОСТАВА "ВОСТРЕН" ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПАР ТРЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C23C24/02 B23P6/00 

Изобретение относится к области антифрикционной обработки, а именно к способу получения состава для восстановления трущихся поверхностей пар трения различных изделий.

Известен способ получения состава для восстановления трущихся поверхностей пар трения (см. Сертификат 00147065 на ГОСТ Р RU.AT03.1.2.1769 "Модификатор универсальный УМ",), заключающийся в введении фторсодержащего поверхностно-активного модификатора УМ в количестве 0,5 мас.% в базовое масло, в частности индустриальное масло И-12, при перемешивании до получения коллоидного раствора.

Недостатком этого способа является ограниченная область применения из-за:
- отсутствия возможности восстановления трущихся поверхностей пар трения из материалов с различным удельным электрическим сопротивлением, т.е. разноименных с точки зрения твердости материалов, например сталь-бронза, сталь-медь и т.п., так как в этом случае имеет место неравномерное покрытие составом трущихся поверхностей: покрытие на поверхности более твердого материала получают более равномерным, чем покрытие на поверхности более мягкого материала;
- необходимости создания строго определенных условий для получения износостойкого покрытия, а именно высокой температуры и давления для того, чтобы все компоненты состава, основой которого является полимер, соединить в монолит и далее распределить равномерно по поверхностям пар трения. Создание таких условий не всегда возможно, например в случае восстановления шестерней простых редукторов, пар трения "колесо-рельс" и т.п.

Известен способ получения состава для восстановления трущихся поверхностей пар трения (см. Сертификат 00360069 на ГОСТ POCC.RU.HX07.H00065 "Состав триботехнический "НИОД"), заключающийся в введении порошковой смеси в базовое масло при перемешивании до получения коллоидного раствора. В качестве порошковой смеси используют порошковую смесь, измельченную от 0,1 до 150 мкм, содержащую 25 мас.% SiO₂, 40 мас.% MgO, 2 мас.% S и 33 мас.% MgCO₃ в пересчете на сухое вещество. При этом указанную порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 3-10
Базовое масло - Остальное
Недостатками указанного способа являются следующие:
- ограниченная область применения из-за отсутствия возможности восстановления трущихся поверхностей пар трения из материалов с различным удельным электрическим сопротивлением, т. е. разноименных с точки зрения твердости материалов, например сталь-бронза, сталь-медь и т.п. (состав, полученный известным способом, позволяет восстанавливать пары трения только из однородных материалов - сталь-сталь, сталь-чугун, чугун-чугун). Это объясняется тем, что после введения порошковой смеси "НИОД" в базовое масло и в зазор между трущимися поверхностями пары трения в течение некоторого времени вследствие пребывания полученного состава в состоянии "электрического покоя" происходит притирание поверхностей, т.е. идет процесс микрошлифования. И только после этого, после появления в точках трения статического электричества в первую очередь на более твердых материалах начинает происходить прилипание частиц восстановительного состава, причем к заведомо более твердому материалу, практически исключая их прилипание к более мягкому материалу;
- сравнительно небольшой межремонтный срок службы изделий из-за разрушения восстанавливаемых поверхностей, т.к. в процессе обработки под действием контактных нагрузок состав с "НИОДОМ" внедряется в более мягкое основание, что приводит к частичному разрушению кристаллической решетки металла и образованию микротрещин, при этом "НИОД" активно изменяет геометрические параметры пары трения, например толщину зуба зубчатой передачи. Кроме того, в процессе эксплуатации пар трения, обработанных указанным составом, наблюдается "отекание" антифрикционного покрытия на края трущихся изделий, вследствие чего на поверхностях образуются твердые неровности, что обуславливает появление дополнительных микроразрушений. При длительной эксплуатации пар трения покрытие, образованное известным составом, отслаивается, что приводит к образованию бляшек, которые, перемещаясь в рабочем масле, своей твердой структурой также разрушают поверхности пар трения.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа получения состава для восстановления трущихся поверхностей пар трения, в котором новая совокупность технологических приемов и использование иных компонентов для их осуществления обеспечили бы снижение коэффициента трения трущихся поверхностей пар трения из материалов как с одинаковым, так и с различным удельным электрическим сопротивлением без разрушения поверхностей трения как в процессе восстановления, так и в процессе эксплуатации механизмов и машин, что расширяет область применения состава, полученного указанным способом, и увеличивает межремонтный срок службы изделий.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения состава для восстановления трущихся поверхностей пар трения, заключающемся в введении порошковой смеси в базовое масло при перемешивании до получения коллоидного раствора, согласно изобретению коллоидный раствор готовят в два этапа: на первом этапе в базовое масло вводят порошковую смесь, включающую Сu, К, Са, Cr, Zn, S и МgСО₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 2-3
К - 1-2
Са - 10-20
Cr - 40-50
Zn - 15-20
S - 2-3
MgCO₃ - 16,5-18
в пересчете на сухое вещество,
при этом порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 0,14-8,06
Базовое масло - Остальное
на втором этапе в полученный коллоидный раствор дополнительно вводят порошковую смесь, включающую Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•FeО₃, SiO₂ и ТiСО₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 0,03-1,0
Mn - 0,03-0,05
A1₂О₃ - 0,5-0,6
Si - 0,5-0,9
Mg₃Si₂O₅(H)₄ - 28,0-36,2
MgSiO₃ - 6,5-10,0
Fe•Fe₂O₃ - 15,0-21,0
SiO₂ - 17,25-27,0
ТiСО₃ - 11,0-13,0
в пересчете на сухое вещество,
при этом порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 0,7-10,5
Базовое масло - Остальное
а затем при перемешивании полученный коллоидный раствор подвергают электрической обработке путем воздействия электромагнитным полем частотой 2400-130000 Гц в течение 35-39 мин.

Электрическая обработка полученного коллоидного раствора путем воздействия электромагнитным полем частотой 2400-130000 Гц в течение 35-39 мин заставляет принудительно отдельные кристаллы получить определенный электрический заряд (диполь), т.е. происходит возбуждение электрической активности коллоидного раствора и в результате получают ионизированный восстановительный состав. В момент внесения ионизированного восстановительного состава в зазор между трущимися поверхностями пары трения часть кристаллов состава сразу же начинает внедряться в более мягкий материал (с меньшим удельным электрическим сопротивлением), образуя при этом слой износостойкого металлокерамического покрытия, что обеспечивает повышение поверхностной твердости материала, а другая часть кристаллов начинает внедряться в поверхность более твердого материала пары трения, также обеспечивая образование слоя износостойкого металлокерамического покрытия (состав внедряется в материал на глубину не менее 0,01 мм). При этом происходит восстановление изношенной поверхности без ее разрушения и без стирания поверхностного слоя. Использование для нанесения предлагаемого восстановительного состава, т.е. с легирующими элементами Ti, Mn и Сr, позволяющими увеличить твердость обрабатываемой поверхности, лишь незначительно изменяя кристаллическую структуру материала, и Са, Si и их соединениями, позволяющими при воздействии высокого давления и температуры в зоне контакта пары трения в сочетании с другими компонентами состава образовать стекловидную монолитную поверхность при уравновешивании и сохранении физических свойств основы и покрытия (электропроводности, линейного объема расширения и т. п.). Именно такой коллоидный раствор, полученный введением порошковой смеси соответствующего состава в два этапа, наиболее эффективно подвергается частотному электростатическому возбуждению, обеспечивает защиту поверхностей пар трения от окисления и препятствует образованию питингов (раковин, трещин и т.п.) на поверхностях.

Указанное выше позволяет расширить область применения состава, полученного предлагаемым способом, а именно снизить коэффициент трения пар трения из материалов как с одинаковым, так и с различным удельным электрическим сопротивлением (например, сталь-бронза, сталь-медь и т.п.) за счет обеспечения нанесения равномерного износостойкого восстановительного раствора на обе трущиеся поверхности пары, а также увеличить межремонтный срок службы изделий в 1,5-2,0 раза. Кроме того, появляется возможность продления срока службы дорогостоящих материалов, снижается расход электроэнергии от 5 до 20% за счет снижения трения и частичного профилирования трущихся поверхностей (поверхность контакта увеличивается до 70-90%); снижается шум при работе механизмов за счет снижения трения и уменьшения зазоров между трущимися поверхностями; снижается необходимость замены отработанных смазочных материалов почти в 2-3 раза, а также уровня смазки на 25-30%. При этом так же, как в прототипе, есть возможность производить восстановление изношенных поверхностей пар трения в процессе работы механизмов.

Способ получения состава "ВОСТРЕН" для восстановления трущихся поверхностей пар трения осуществляют следующим образом.

Приготавливают коллоидный раствор в два этапа. Все исходные компоненты предварительно измельчают до размеров частиц 0,15-0,2 мкм до получения порошковой смеси. На первом этапе в базовое масло при перемешивании вводят порошковую смесь, включающую Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCО₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 2-3
K - 1-2
Ca - 10-20
Cr - 40-50
Zn - 15-20
S - 2-3
MgCO₃ - 16,5-18
в пересчете на сухое вещество,
при этом порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 0,14-8,06
Базовое масло - Остальное
На втором этапе в полученный коллоидный раствор при перемешивании дополнительно вводят порошковую смесь, включающую Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•Fe₂O₃, SiO₂ и TiCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 0,03-1,0
Mn - 0,03-0,05
Al₂О₃ - 0,5-0,6
Si - 0,5-0,9
Mg₃Si₂О₅(H)₄ - 28,0-36,2
MgSiO₃ - 6,5-10,0
Fe•Fe₂O₃ - 15,0-21,0
SiO₂ - 12,0-27,0
TiCO₃ - 11,0-13,0
в пересчете на сухое вещество,
при этом порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 0,7-10,5
Базовое масло - Остальное
Затем при перемешивании полученный коллоидный раствор подвергают электрической обработке путем воздействия электромагнитным полем частотой 2400-130000 Гц в течение 35-39 мин.

Количество состава, необходимое для получения износостойкого покрытия, рассчитывается в зависимости от конкретных условий работы механизмов, а именно мощности двигателя, площади обрабатываемой (трущейся) поверхности, давления в зоне контакта и удельного электрического сопротивления материалов пары трения.

Пример 1
Состав "ВОСТРЕН" для восстановления трущихся поверхностей пары трения "вал стальной - колесо бронзовое" червячного редуктора, диаметр вала стального 80 мм; диаметр колеса бронзового 420 мм.

Исходные компоненты для приготовления коллоидного раствора.

Базовое масло - Литол 24 ОСТ 3801145-80 в количестве 3664 г.

1 этап: порошковая смесь, включающая Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 3,0
К - 1,0
Са - 17,5
Cr - 40,0
Zn - 20,0
S - 2,0
MgCO₃ - 16,5
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 9,9 г (0,27 мас.% от базового масла).

2 этап: порошковая смесь, включающая Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•Fe₂O₃ , SiO₂, TiCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 1,0
Mn - 0,05
Al₂O₃ - 0,6
Si - 0,85
Mg₃Si₂O₅(H)₄ - 36,2
MgSiO₃ - 6,5
Fe•Fe₂O₃ - 21,0
SiO₂ - 20,8
ТiСО₃ - 13,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 33 г (0,9 мас.% от базового масла).

Частота обработки полученного коллоидного раствора электромагнитными импульсами 2400 Гц, время обработки 37 мин.

Время обработки восстановительным составом пары трения 29 мин. Толщина полученного износостойкого покрытия на обеих трущихся поверхностях пары трения 0,01 мкм.

Пример 2.

Состав "ВОСТРЕН" для восстановления трущихся поверхностей пары трения "бандаж колеса локомотива стальной - рельс стальной".

Исходные компоненты для приготовления коллоидного раствора. Базовое масло - масло индустриальное И-Т-С-68 ТУ 38 101775-81 в количестве 1600 г.

1 этап: порошковая смесь, включающая Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 2,1
К - 1,5
Са - 15,0
Cr - 44,0
Zn - 17,7
S - 3,0
MgCO₃ - 16,7
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 129 г (8,06 маc.% от базового масла).

2 этап: порошковая смесь, включающая Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•FeO₃, SiO₂, TiCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 0,03
Mn - 0,04
Al₂O₃ - 0,56
Si - 0,9
Mg₃Si₂O₅(H)₄ - 35,97
MgSiO₃ - 9,8
Fe•FeO₃ - 15,0
SiO₂ - 26,7
ТiСО₃ - 11,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 168 г (10,5 мас.% от базового масла). Частота обработки полученного коллоидного раствора электромагнитными импульсами 81000 Гц, время обработки 39 мин.

Время обработки восстановительным составом пары трения 67 мин. Толщина полученного износостойкого покрытия на обеих трущихся поверхностях пары трения 0,15 мкм.

Пример 3.

Состав "ВОСТРЕН" для восстановления трущихся поверхностей пары трения двигателя внутреннего сгорания "коленвал стальной - подшипник скольжения баббитовый".

Исходные компоненты для приготовления коллоидного раствора. Базовое масло - масло индустриальное И-Т-С-68 ТУ 38 101775-81 в количестве 4580 г.

1 этап: порошковая смесь, включающая Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 2,0
К - 2,0
Са - 10,0
Cr - 50,0
Zn - 16,0
S - 2,0
MgCO₃ - 18,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 10,7 г (0,23 мас.% от базового масла).

2 этап: порошковая смесь, включающая Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•FeO₃, SiO₂, TiCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас%:
Ti - 0,95
Мn - 0,03
Al₂O₃ - 0,5
Si - 0,85
Mg₃Si₂O₅(H)₄ - 28,0
MgSiO₃ - 10,0
Fe•FeO₃ - 20,67
SiO₂ - 27,0
TiCO₃ - 12,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 32,1 г (0,7 мас.% от базового масла). Частота обработки полученного коллоидного раствора электромагнитными импульсами 56000 Гц, время обработки 35 мин.

Время обработки восстановительным составом пары трения 55 мин. Толщина полученного износостойкого покрытия на обеих трущихся поверхностях пары трения 0,1 мкм.

Пример 4.

Состав "ВОСТРЕН" для восстановления трущихся поверхностей пары трения "колесо редуктора чугунное - колесо редуктора чугунное" (чугун СЧ20).

Исходные компоненты для приготовления коллоидного раствора. Базовое масло - масло индустриальное И-Т-С-68 ТУ 38 101775-81 в количестве 16000 г.

1 этап: порошковая смесь, включающая Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 2,0
K - 1,0
Ca - 20,0
Cr - 41,9
Zn - 15,0
S - 2,1
MgCO₃ - 18,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 22,0 г (0,14 мас.% от базового масла).

2 этап: порошковая смесь, включающая Ti, Мn, Аl₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•Fe₂O₃, SiO₂, TiCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 0,9
Мn - 0,05
Аl₂O₃ - 0,6
Si - 0,5
Mg₃Si₂O₅(H)₄ - 36,2
MgSiO₃ - 10,0
Fe•Fe₂O₃ - 21,0
SiO₂ - 17,75
TiCO₃ - 13,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 173 г (1,08 мас.% от базового масла). Частота обработки полученного коллоидного раствора электромагнитными импульсами 39000 Гц, время обработки 39 мин.

Время обработки восстановительным составом пары трения 105 мин. Толщина полученного износостойкого покрытия на обеих трущихся поверхностях пары трения 0,2 мкм
Пример 5.

Состав "ВОСТРЕН" для восстановления трущихся поверхностей пары трения "шток-поршень стальной (сталь 40Х13, диаметр 90 мм) - цилиндр стальной (сталь 45, диаметр 90,05 мм) гидронасоса Г-305".

Исходные компоненты для приготовления коллоидного раствора. Базовое масло - масло индустриальное И-Т-С-68 ТУ 38 101775-81 в количестве 6000 г.

1 этап: порошковая смесь, включающая Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сu - 3,0
К - 2,0
Са - 16,5
Сr - 40,0
Zn - 20,0
S - 2,0
MgCO₃ - 16,5
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 54,0 г (0,9 мас.% от базового масла).

2 этап: порошковая смесь, включающая Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•FeO₃ , SiO₂, TiCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 1,0
Mn - 0,05
Al₂О₃ - 0,6
Si - 0,9
Mg₃Si₂O₅(H)₄ - 36,2
MgSiO₃ - 10,0
Fe•Fe₂O₃ - 21,0
SiO₂ - 17,25
TiCO₃ - 13,0
в пересчете на сухое вещество.

Количество порошковой смеси 187 г (3,1 мас.% от базового масла). Частота обработки полученного коллоидного раствора электромагнитными импульсами 130000 Гц, время обработки 39 мин.

Время обработки восстановительным составом пары трения 21 мин. Толщина полученного износостойкого покрытия на обеих трущихся поверхностях пары трения 0,01 мкм.

Проведены сравнительные испытания покрытия из состава "ВОСТРЕН", полученного заявляемым способом, и состава-прототипа на примере 2 - для восстановления трущихся поверхностей пары трения "бандаж колеса локомотива стальной - рельс стальной".

В процессе испытаний соблюдались следующие условия: подвижным элементом пары трения являлся стальной диск, который моделировал работу бандажа колеса локомотива. Неподвижным элементом пары трения являлся стальной плоский брусок, который в обоих вариантах испытывался без покрытия, т.к. моделировал работу рельса. Состав наносился на поверхность диска натиранием. Параметры испытаний: удельное давление 50 МПа; скорость скольжения 1 м/с; время испытаний 30 мин. Скорость изнашивания определялась методом искусственных баз по ГОСТ 23.301-78.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Из таблицы видно, что скорость изнашивания материала бандажа колеса стального с нанесенным износостойким покрытием предлагаемого состава уменьшается в 2,0 раза, скорость изнашивания материала рельса - в 2,36 раза, а механические потери на трение (коэффициент трения) уменьшается в 2,68 раза, что позволяет увеличить межремонтный срок службы пары трения в 2 раза.

Изобретение может быть использовано при восстановлении металлических поверхностей путем создания на них антифрикционного покрытия. Порошковую смесь вводят в базовое масло при перемешивании до получения коллоидного раствора в два этапа. На первом этапе в базовое масло вводят порошковую смесь, включающую Cu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃. На втором этапе в полученный коллоидный раствор дополнительно вводят порошковую смесь, включающую Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•Fe₂O₃, SiO₂ и TiCO₃. Затем при перемешивании полученный коллоидный раствор подвергают электрической обработке путем воздействия электромагнитным полем частотой 2400-130000 Гц в течение 35-39 мин. Использование указанных компонентов и последовательность технологических приемов обеспечивают снижение коэффициента трения поверхностей материалов с одинаковым и различным удельным электрическим сопротивлением. 1 табл.

Способ получения состава для восстановления трущихся поверхностей пар трения, включающий введение порошковой смеси в базовое масло при перемешивании до получения коллоидного раствора, отличающийся тем, что коллоидный раствор готовят в два этапа, причем на первом этапе в базовое масло вводят порошковую смесь, содержащую Сu, К, Са, Cr, Zn, S и MgCO₃ в следующем соотношении компонентов, мас%:
Сu - 2-3
К - 1-2
Са - 10-20
Cr - 40-50
Zn - 15-20
S - 2-3
MgCO₃ - 16,5-18
в пересчете на сухое вещество,
при этом порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 0,14-8,06
Базовое масло - Остальное
на втором этапе в полученный коллоидный раствор дополнительно вводят порошковую смесь, содержащую Ti, Mn, Al₂O₃, Si, Mg₃Si₂O₅(H)₄, MgSiO₃, Fe•Fe₂O₃, SiO₂ и ТiСО₃ в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ti - 0,03-1,0
Mn - 0,03-0,05
Al₂O₃ - 0,5-0,6
Si - 0,5-0,9
Mg₃Si₂O₃(H)₄ - 28,0-36,2
MgSiO₃ - 6,5-10,0
Fe•Fe₂O₃ - 15,0-21,0
SiO₂ - 17,25-27,0
ТiСО₃ - 11,0-13,0
в пересчете на сухое вещество,
при этом порошковую смесь вводят в следующем количестве, мас.%:
Порошковая смесь - 0,7-10,5
Базовое масло - Остальное
а затем при перемешивании полученный коллоидный раствор подвергают электрической обработке путем воздействия электромагнитным полем частотой 2400-130000 Гц в течение 35-39 мин.