СОСТАВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C10M125/00 C10M125/00 C10M125/10 C10M125/26 C10N30/06 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к составам смазочных материалов для узлов трения из сплавов на основе железа, может быть использовано в качестве добавки к смазочным маслам двигателей внутреннего сгорания, механизмов, устройств, к дизельному топливу или в качестве твердосмазочных материалов и может найти применение в автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании судов, оборудовании горно-обогатительных комбинатов, в насосном оборудовании газо- и нефтепроводов и т.п.

Известны металлоплакирующие смазочные материалы (1 - Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безысносность. М.: Изд-во МСХА, 2001 г., 616 с.), принцип действия которых состоит в формировании на участках фактического контакта защитных пленок на основе мягких металлов Сu, Sn, Pb, Zn, Mo и других, которые уменьшают силовое воздействие и интенсивность изнашивания сопряженных поверхностей.

По фазовому признаку металлоплакирующие смазочные материалы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Первые в качестве присадок содержат растворимые в базовой смазочной среде соединения металлов, вторые - содержат металл или его окислы в виде порошков. Однако эти материалы обладают рядом недостатков (зависимость эффективности формирования пленки от концентрации металлов в среде, низкая устойчивость дисперсий металлических порошков, высокая степень чистоты порошков и другие), из-за которых их применение ограничивается главным образом пластичными смазками для определенных узлов трения.

В последние годы появился ряд технических решений (2 - Патент РФ №2043393, 3 - Патент РФ №2127299, 4 - Патент РФ №2131451), согласно которым в качестве наполнителя твердосмазочных композиций используются слоистые природные гидросиликаты: серпентинит, тальк, серпентин, нефрит и другие. Наличие порошка указанных соединений в смазочной композиции при определенных условиях ее приготовления, введения между трущимися поверхностями и их приработки приводит к образованию на трущихся металлических поверхностях так называемой сервовитной пленки, существенно уменьшающей их износ.

Прочностные и антифрикционные характеристики сервовитной пленки зависят в частности от условия изготовления, состава композиции, приработки после введения ее между поверхностями трения, от состояния последних и т.п.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототип) является состав повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации (5 - патент РФ №2176267), содержащий, масс.%:

Смазочное масло - 91,0-91,4

Серпентин (лизардит и хризотил) - 5,0-7,0

Пироксен - 1,0-1,4

Магнетит - 0,6-1,0

Доломит - 0,2-0,4

Для того чтобы состав (геомодификатор трения) имел пониженное содержание крупных твердых частиц магнетита после механоактивации (дробления и измельчения) минерала, крупные частицы магнетита удаляются из порошка методом магнитной селекции в водной или масляной среде.

Недостатком данного решения является опасность значительного абразивного изнашивания особенно в начальный период приработки узлов трения после введения вышеуказанного твердосмазачного покрытия, так как содержание твердых компонент, хотя и уменьшается за счет магнитной селекции, но все же довольно велика в наполнителе, в масс.%:

Магнетит - 9-13

Пироксен - 8-11

твердость которых превышает твердость остальных компонентов в 2-3 раза и сравнима с твердостью материала поверхностей трения.

Эти особенности вынуждают использовать антифрикционный состав в течение непродолжительного времени. Следует отметить, что время формирования сервовитной пленки для различных узлов трения и различных режимов эксплуатации так же различно и рассчитать его практически невозможно и стало быть задача повышения прочности и долговечности сервовитной пленки, а следовательно, и задача уменьшения износа трущихся металлических поверхностей по-прежнему сохраняет актуальность.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости узлов трения при эксплуатации в штатных материалах, в дизельном топливе или в качестве твердосмазочных материалов с использованием природных материалов на основе серпентина.

Технический результат достигается тем, что противоизносный антифрикционный (ПИАФ) состав содержит минимальное количество компонент с твердостью, в 2-3 раза превышающей твердость основной компоненты серпентина (лизардита и хризотила), а также дополнительно содержит амфибол, хлорит и амакинит. Наличие амфибола, хлорита и амакинита способствуют ускоренному образованию сервовитной пленки и ее длительному сохранению.

Избирательный перенос - это особый вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта тонкой неокисляющейся пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной наклепываться. Введением в смазочный материал противоизносного антифрикционного (ПИАФ) состава реализует эффект безызносности, который проявляется в том, что на трущихся поверхностях деталей в процессе работы узлов трения формируется сервовитная пленка из введенных в смазку материалов. Это

вещество не уносится из зоны трения, а лишь поступает туда и удерживается там, то есть обладает свойствами сохранности. Сервовитная пленка исключает взаимодействие шероховатостей поверхностей, а электрический заряд частиц износа возвращает частицы в зону контактного взаимодействия поверхностей. Толщина пленки достигает 1-4 мкм, что соответствует размерам неровностей (или перекрывает их) большинства деталей общего машиностроения.

Образование сервовитной пленки в процессе трения обусловлено его созидательным характером, определенным интенсивностью обмена узла трения с внешней средой энергией и веществом, а также коллективным поведением ионов активированного материала. Свойства сервовитной пленки, образующейся в процессе трения, иные, чем у исходного материала. Пленка имеет рыхлую структуру, пориста (1), в ней почти отсутствуют дислокации и имеется много вакансий.

На этой сервовитной пленке образуется в свою очередь еще дополнительная полимерная пленка - серфинг-пленка, состоящая из металлоорганических соединений и которая создает дополнительный антифрикционный слой. Эти пленки (серфинг-пленки) образуются в результате взаимодействия лигандов (активных молекул) смазочного материала и сервовитной пленки.

Следует отметить, что при обычном трении детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01-0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате чего участки фактического контакта испытывают весьма высокие напряжения, что приводит их к взаимному внедрению, пластической деформации и, следовательно, к интенсивному изнашиванию. Если при граничном трении контакт сопряженных поверхностей происходит только в отдельных точках, то при избирательном переносе осуществляется через сервовитную пленку. В результате чего площадь фактического контакта возрастает в десятки раз. При таком трении площадки контакта плоские и трение происходит без ударов шероховатости - оно непрерывно.

Снижение количества частиц с высокой твердостью (магнетита, пироксена) получается за счет того, что после механоактивации (дробление и измельчение) минерала (размер частиц 0,1-0,2 мм) частицы магнетита и пироксена удаляются из смеси электромагнитной и термоакустической селекцией. Затем оставшаяся часть механически домалывается в шаровой или роторной мельнице, в результате получается тонкодисперсный порошок (размер частиц до 10 мкм) с фазовым составом, приведенным в таблице 1. Предлагаемый состав добавляется в штатное смазочное масло двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств в количестве 0,001-0,05 мас.%.

 
Табл.1Фазовый состав порошкаВыявленная фазаХимическая формулаСодержание, %Серпентин (лизардит и хризотил)Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈87-92МагнетитFе₃O₄2-3Хлорит(MgAlFe)₂[(Si,Al)₈O₂₀](OH)₁₆3-5Амакинит(Mg,Fe)(OH)₂1-2АмфиболCa₂(Mg,Fe)₅(Si,Al)₈O₂₂(OH)₆1,5-2ДоломитCaMg(CO₃)₂0,5-1,0

Для оценки эффективности противоизносного антифрикционного состава проведены сравнительные испытания. Триботехнические испытания различных составов проводились на машине трения ИИ 5018 методом сравнения в режиме диск (Cт30, d=50 мм, В=12 мм), по пластине (Ст30, В=10 мм, Н=8 мм, L=20 мм). Режим работы:

- n=1600 об/мин (v=4,19 м/с), нагрузка Р=200 Н;

- n=700 об/мин (v=l,83 м/с), нагрузка Р=400 Н.

Коэффициент трения определялся по моменту сопротивления трения. Износ образца (подвижного диска) определялся по потере веса, определенной взвешиванием до и после испытания на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Продолжительность испытаний одного состава 30 тыс. циклов. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Табл.2.Антифрикционные и противоизносные характеристикиРежим (м/с/Н)4/19/2001,83/400СмазкаИзнос образца, мгКоэфф. тренияИзнос образца, мгКоэфф. тренияМС-20+4% ГМТ1,900,0405,20,050МС-20+0,001% ПИАФ1,300,0182,60,022МС-20+0,01% ПИАФ1,350,0162,50,028МС-20+0,05% ПИАФ1,400,0202,70,031

Сравнительные испытания показывают преимущества предлагаемого ПИАФ состава по сравнению с известными добавками в смазочное масло по антифрикционным и противоизносным свойствам, а также по количеству используемого состава (0,001-0,05 вес.% по сравнению с известным - 7-9 мас.%).

Предлагаемый ПИАФ состав позволяет не только повысить износостойкость узлов трения, но эффект безысносного трения с образованием сервовитной пленки, имеющей толщину, соразмерную с величиной износа деталей в процессе работы, позволяет также использовать этот состав для восстановления компрессии двигателей внутреннего сгорания без их разборки, что подтверждается следующими примерами.

Предлагаемый состав, содержащий 90% серпентина, 3% хлорита, 2,5% магнетита, 1% доломита, 1,5% амфибола и 2% амакинита с маслом И20 в качестве органического связующего, был введен в штатную смазку двигателей внутреннего сгорания автомобилей, из расчета 0,004 г состава на 100 г штатной смазки. Результаты приведены в таблице 3.

Табл.3Результаты по безразборному восстановлению двигателей автомобилейМарка автотранспорта,Пробег, кмКомпрессия по цилиндрамдо ремонтапосле ремонта  12341234ГАЗ-2412 “Волга”585545,86,06,47,08,28,28,28,2ГАЗ-3110 “Волга”145 8907,57,67,07,38,18,18,18,1ГАЗ-20 “Победа”123 5863,54,25,36,07,07,07,07,0Москвич 2141231136269,58,57,59,09,59,59,59,5Москвич 214123825269,6109,89,811111111,5ГАЗель363968,7101010,210101010,6*- Расход топлива, масла и уровень СО из повышенного переходил после обработки в норму.

Использование предлагаемого состава в двигателях, механизмах и устройствах позволяет снизить износ узлов трения в 3-4 раза, уменьшить потери на трение в 2-3 раза, осуществить восстановление компрессии в ДВС без их разборки.

Источники информации

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безысносность. М.: Изд-во МСХА, 2001 г., 616 с.

2. Патент РФ №2043393, С 10 М 125/04, Бюлл. №25 от 10.09.95.

3. Патент РФ №2127299, С 10 М 125/10, Бюлл. №7 от 10.03.99.

4. Патент РФ №2131451, С 10 М 125/26, Бюлл. №16 от 10.06.99.

5. Патент РФ №2176267, С 10 М 125/26, Бюлл. №33 от 27.11.2001.

Использование: в качестве добавки на основе природных минералов к смазочному маслу двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств, к дизельному топливу или в качестве твердосмазочных материалов. Сущность: композиция содержит в масс.%: серпентин (лизардит и хризотил) - 87-92, хлорит - 3-5, магнетит - 2-3, доломит - 0,5-1, амфибол - 1,5-2, амакинит - 1-2. Технический результат - снижение износа узлов трения в 3-4 раза, потерь на трение в 2-3 раза. 3 табл.

Состав для повышения износостойкости узлов трения, содержащий смазочное масло и измельченный природный материал с дисперсностью до 10 мкм, отличающийся тем, что содержит минерал при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Серпентин (лизардит и хризотил) 87-92

Хлорит 3-5

Магнетит 2-3

Доломит 0,5-1

Амфибол 1,5-2

Амакинит 1-2