Способ безразборного восстановления изношенных металлических поверхностей и состав для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК B23P6/00 F16N15/00 

Изобретение относится к техническому обслуживанию машин и механизмов, содержащих узлы трения, в частности, к способам восстановления изношенных металлических поверхностей трущихся сопряжений цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания, а также других агрегатов и узлов и может быть использовано для восстановления геометрии упомянутых металлических поверхностей и формирования на них защитных слоев, обладающих высокими триботехническими характеристиками и износостойкостью.

Проблемы текущего изнашивания техники, ее своевременного ремонта и увеличения ее рабочего ресурса всегда были актуальными и со временем только усугубляются. Несвоевременные меры по ремонту и обслуживанию техники не только приводят к финансовым убыткам, плохое состояние техники является причиной серьезного ухудшения экологической обстановки.

Известен способ восстановления изношенных металлических поверхностей в парах трения двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а именно их цилиндропоршневой группы (ЦПГ), и композиция для его осуществления, описанные в российском патенте №2247765, опубл. 2005.03.10. Известный способ включает нанесение на изношенные металлические поверхности смазочного материала, содержащего композицию маслорастворимых металлоорганических соединений, и эксплуатацию механизма в рабочем режиме. Известная композиция содержит смесь медных, никелевых и кадмиевых солей карбоновых кислот с числом атомов углерода n=2-8, при этом количество каждой соли в смеси определяется соотношением Cu:Ni:Cd=50:50:1 (по весу). Отмеренное количество твердой смеси солей растворяют в одном из липофильных органических растворителей (этоксиэтанол, бутанол, нефрас) и вводят в смазочный материал из расчета следующих концентраций металлов в смазочном материале, г/л: медь не менее 0,5; никель не менее 0,5, кадмий не менее 0,01. Для формирования известным способом прочного износоустойчивого медно-никель-кадмиевого покрытия требуется предварительная очистка двигателя от отложений и нагара с последующей сменой масла для того, чтобы активные компоненты надежно закрепились на поверхности металла, так как их высокая адгезионная способность проявляется только при контакте с металлом. Вдобавок к этому базовые масла, как правило, уже содержат пакет присадок (противозадирных, энергосберегающих, моющих и других), которые могут вступать в реакцию с вводимым восстановительным составом. Это усложняет способ, приводит к увеличению трудозатрат и продолжительности процесса.

Известен состав для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, обеспечивающий формирование на поверхностях трения износостойких сервовитных покрытий, обладающих достаточной прочностью и пониженным коэффициентом трения (RU 2361015, опубл. 2009.07.10), который содержит серпентин со структурой хризотила, образующегося по карбонатным породам, и вспученный вермикулит при следующем соотношении компонентов, мас. %: серпентин 85-99, вспученный вермикулит 1-15. При обработке механизмов, требующих очистки поверхностей, в известный состав дополнительно вводят тальк - магнезитовую породу в количестве 5-10 мас. %, а обработка сильно изношенных механизмов требует дополнительного введения антигорита и пылевидного магнетита в количестве 5-10 мас. %, при этом дисперсность используемого материала определяется, главным образом, износом механизмов и материалом поверхностей трения и изменяется в широких пределах (1-400 мкм). Такая неоднозначность условий применения известного состава приводит к тому, что для обеспечения достаточно высокого качества покрытий, формируемых с его помощью, требуется серьезная подготовительная работа с участием квалифицированных специалистов, что на практике не всегда осуществимо.

Известен также способ восстановления поверхностей узлов трения двигателей, механизмов, устройств (RU 2205249, опубл. 2003.05.27), включающий добавление в штатное смазочное масло технологической среды, в качестве которой используют тонкодисперсный порошок серпентинита со следующим фазовым составом, мас. %: серпентин Mg₆{Si₄O₁₀} (ОН)₈ 87,4-88,0; Fe 8,2-8,6 в изоморфной примеси; А1 2,2-2,4 в изоморфной примеси; кремнезем SiO₂ 0,6-1,0; доломит CaMg(CO₃)₂ 0,6-1,0, с последующей приработкой в эксплуатационном режиме. Неконтролируемый характер формирования получаемого покрытия, самопроизвольно происходящего в эксплуатационном режиме, не обеспечивает достаточно высоких качеств: равномерной толщины и однородной структуры и, как следствие, высокой прочности этого покрытия.

Наиболее близким к предлагаемому является способ безразборного восстановления изношенных поверхностей в узлах трения двигателей внутреннего сгорания, агрегатов и узлов трансмиссий и ходовой части машин и состав для его осуществления (RU 2149741, опубл. 2000.05.27), согласно которому в режиме эксплуатационной нагрузки на изношенной поверхности формируют покрытие путем подачи в зону трения технологической среды, подготовленной непосредственно перед применением и представляющей собой базовое моторное масло либо консистентную смазку, которые содержат 0,5-20 мас. % ремонтно-восстановительного состава на основе порошкообразной смеси природных минералов подкласса слоистых силикатов состава Mg₃[Si₂O₅](OH)₄ с содержанием аморфного диоксида кремния 40-50% дисперсностью 10-30 мкм, а также шунгита 0,02-2 мас. %.

Формирование покрытий известным способом не обеспечивает их достаточно высокого качества с гарантией надежной эксплуатации двигателя после ремонта из-за отсутствия четких данных о степени износа поверхностей трения, которые необходимы для определения целесообразности безразборного восстановления упомянутых поверхностей и выбора метода восстановления. Кроме того, качественное восстановление изношенных поверхностей трения невозможно без предварительной раскоксовки двигателя, т.е. очистки с удалением всех углеродистых отложений и последующей смены базового масла. Эти отдельно проводимые дополнительные операции усложняют способ и увеличивают продолжительность обработки.

Задачей изобретения является создание технологичного способа безразборного восстановления изношенных поверхностей трения двигателя внутреннего сгорания путем нанесения на упомянутые поверхности высокопрочного покрытия с высокой адгезией

Задачей изобретения является также разработка состава, используемого в предлагаемом способе.

Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является упрощение процедуры восстановления изношенной поверхности трения, уменьшение трудозатрат и сокращение продолжительности обработки за счет совмещения операций очистки и восстановления поверхности при одновременном повышении качества формируемого на изношенной поверхности покрытия.

Указанный технический результат достигают ремонтно-восстановительным составом для безразборного восстановления изношенных металлических поверхностей двигателя внутреннего сгорания, содержащим слоистые силикатные материалы и шунгит, который, в отличие от известного, выполнен в виде порошка дисперсностью 1-10 мкм, при этом дополнительно содержит графит и кальцит, а в качестве слоистых силикатных минералов включает ревдинскит и оливин при следующем содержании компонентов, масс. %:

ревдинскит (NiMg)₆(Si₄O₁₀) (ОН)₈ 78-82; оливин (Mg,Fe)₂[SiO₄] 1-4; графит и шунгит 8-13; кальцит СаСО₃ 4-10.

Указанный технический результат достигают также способом безразборного восстановления изношенных металлических поверхностей двигателя внутреннего сгорания, включающим подачу в зону трения технологической среды, содержащей ремонтно-восстановительный состав, и проведение процесса восстановления при эксплуатационной нагрузке, в котором, в отличие от известного, используют ремонтно-восстановительный состав по п. 1, при этом восстановление осуществляют в присутствии очищающего препарата, содержащего йодбензол, изоамиловый спирт, третбутилат калия и тетрабутоксисилан, который вносят в базовое масло из расчета 5 мл препарата на

1 л базового моторного масла одновременно с упомянутым ремонтно-восстановительным составом.

В преимущественном варианте осуществления способа порошковый ремонтно-восстановительный состав дисперсностью 1-10 мкм вводят в базовое моторное масло из расчета 0,5 г сухого порошка на 1 л масла.

В оптимальном и преимущественно осуществляемом на практике варианте предлагаемого способа расчетное количество порошкового ремонтно-восстановительного состава диспергируют в 30-100 мл базового моторного масла, полученную дисперсию смешивают с расчетным количеством очищающего препарата и вводят в технологическую среду масляной системы двигателя.

Также в преимущественном варианте осуществления способа смесь ремонтно-восстановительного состава и очищающего препарата вводят в базовое моторное масло, разогретое до рабочей температуры двигателя.

Способ осуществляют следующим образом.

Перед осуществлением способа выполняют первичную диагностику двигателя, используя показатели, позволяющие специалисту оценить степень износа металлических деталей цилиндропоршневой группы, а именно: 1) степень износа гильз цилиндров; 2) состояние клапанов; 3) закоксованность и степень износа поршневых колец. Применение программных средств дает возможность быстро обработать проведенные замеры и оценить износ поверхностей трения ДВС у автомобилей различных типов.

После проведения диагностики готовят суспензию, содержащую расчетное количество ранее заготовленной порошкообразной смеси природных минералов с размером частиц 1-10 мкм в небольшом (30-100 мл) объеме базового моторного масла, смешивают полученную суспензию с расчетным количеством очищающего препарата, перемешивают путем взбалтывания до полной однородности и через маслозаливную горловину вносят в масляную систему предварительно прогретого до рабочей температуры двигателя.

Ремонтно-восстановительный состав помимо основных компонентов в заявленных количествах: ревдинскит 78-82%; оливин 1-4%; графит + шунгит 8-13%; кальцит 1-8% может содержать ряд сопутствующих минералам минорных примесей, преимущественно в виде оксидов (SiO₂; Al₂O₃; FeO; Fe₂O₃; MgO; CaO;

Р₂О₅; CuO; NiO; CoO), а также ряд элементов (Mg; Fe; Mn; Zn; Sr; Pb; Ba; Ce; Y) в составе других соединений. Присутствие больших количеств примесей, которые могут играть как положительную так и отрицательную роль, недопустимо. В частности, является нежелательным присутствие оксида алюминия, диоксида кремния в заметных количествах, способных придать составу выраженные абразивные свойства.

Ревдинскит (непуит) - по сути является смесью минералов серпентина и талька, свойства которых к настоящему моменту достаточно хорошо изучены; а также известно и проверено на практике их применение в составе твердых смазок и для модификации и восстановления поверхностей трения

Оливин (перидот, хризолит) с общей формулой (Mg,Fe)₂[SiO₄]представляет собой магнезиально-железистый силикат и является одним из самых распространенных на Земле минералов. Характерным для него является то, что разрушаясь он превращается в серпентин.

Экспериментально установлено, что если порошок оливина, измельченный до микронного уровня, поместить в железосодержащую пару трения, то под воздействием давления и возникающих высоких температур в поверхностном слое металла происходят преобразования, в результате которых его износостойкость повышается в несколько раз.

Испытания выявили также восстановительный эффект оливина: в результате обработки в его присутствии размеры изношенных трением деталей в частности, цилиндропоршневой группы ДВС, компрессоров, подшипников качения возвращаются к исходному значению.

Предлагаемый ремонтно-восстановительный состав, основой которого является природный минерал ревдинскит, одна из разновидностей минерала серпентина Mg₆Si₄O₁₀(OH)₈, характеризуется тем, что при обработке пар трения ЦПГ ДВС полностью отсутствует какое-либо взаимодействие предлагаемого состава с базовым маслом. Он не изменяет его состав и свойства, не вступает в реакцию со стандартными присадками, находящимися в масле.

Зато благодаря химической реакции замещения атомов железа, принадлежащих поверхности трения, на атомы металлов, которые содержатся в

минерале, на поверхностях трения создается металлокерамический защитный слой с высокой адгезией и сниженным коэффициентом трения.

Кроме того, предлагаемый состав имеет высокую адгезию к металлу, благодаря чему он заполняет все неровности и микронеровности подлежащей ремонту поверхности и уплотняет прилегание сопряженных деталей, обеспечивает восстановление геометрии поверхностей трения.

Еще одной характерной особенностью минералов группы серпентина, отличающихся четко выраженной слоистой структурой, является способность образовывать "зеркала скольжения", которые в данном случае, способствуют снижению коэффициента трения восстанавливаемой поверхности.

По мере восстановления геометрии поверхности и наращивания покрытия с пониженным коэффициентом трения изменяются условия в паре трения в сторону снижения температуры и давления, что автоматически приводит к завершению процесса восстановления.

Одновременное введение в масляную систему ДВС вместе с ремонтно-восстановительным составом очищающего препарата, содержащего йодбензол, изоамиловый спирт, третбутилат калия и тетрабутоксисилан, инициирует химическую реакцию, в результате которой все углеродистые отложения в двигателе переходят в масляный раствор, не образуя взвеси или осадка.

Раскоксовка осуществляется максимально быстро и эффективно, абсолютно безопасно для всех возможных уплотнений (резина, полимер в ДВС, при этом внеочередной замены масла после проведения процедуры не требуется.

В результате поверхность всех металлических деталей цилиндропоршневой и кривошипно-шатунной групп полностью очищается от нагара, который растворяется в масле, что обеспечивает доступ компонентов ремонтно-восстановительного состава к поверхности восстанавливаемых деталей, их эффективное взаимодействие с металлом с образованием прочного металлокерамического покрытия с высокой адгезией, обнаруживающего также высокую износостойкость и пониженный коэффициент трения.

На представленной фотографии (фиг.) показана внутренняя часть двигателя после обработки предлагаемым способом. Для наглядности (в рекламных целях) двигатель раскрыт путем распила.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает: 1) эффективное устранение износа 2) восстановление геометрии поверхностей трения 3) формирование износостойких покрытий с пониженным коэффициентом трения и одновременно 4) эффективную очистку ДВС от нагара.

За счет этого могут быть снижены затраты на ремонт и восстановление ДВС, машин и оборудования, увеличен межремонтный период и срок их службы, уменьшены эксплуатационные расходы. Помимо этого обеспечивается снижение давления на экологию.

Примеры конкретного осуществления изобретения

Пример 1

Была проведена диагностика и последующее восстановление изношенных трущихся поверхностей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания автомобиля Toyota Corolla 1987 года выпуска, ДВС 3A-LU с наработкой 302008 км пробега.

Диагностику проводили с помощью переносного диагностического комплекта (ПДК), предназначенного для безразборного исследования основных технических параметров ДВС: компрессии, давления масла, величины полезного и остаточного вакуума. Кроме того, специальным инструментом - нутромером замеряли величину внутреннего диаметра цилиндров, определяя величину износа/нагара.

Первичная диагностика двигателя до проведения ремонтно-восстановительных работ показала следующее: давление масла на холостом ходу 3,7 кг/см², значение компрессии в цилиндрах от 8,0 до 9,0 кг/см² (разброс 1 кг/см²). По замерам вакуумных показателей были идентифицированы отсутствие герметичности клапанов в первом цилиндре. Обнаружен предельный износ гильз всех цилиндров (величина внутреннего диаметра по каждому цилиндру в среднем составила 77,7 мм). Величина остаточного вакуума, характеризующая состояние поршневых колец, свидетельствовала о наличии закоксования (залегании колец). Номинальные параметры ЦПГ бензинового ДВС:

значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - 0,80-0,84 кг/см²,

значение компрессии Р2 (поршневые кольца) - 0,17-0,20 кг/см²,

при этом предельно допустимыми характеристиками состояния ЦПГ бензинового ДВС являются:

значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - менее 0,74 кг/см²;

значение компрессии Р2 (поршневые кольца) - более 0,32 кг/см².

По результатам диагностики было установлено, что, несмотря на значительный общий износ двигателя и закоксовку деталей ЦПГ, двигатель подлежит восстановлению без разборки.

Восстановление изношенных поверхностей трения было произведено без разбора двигателя при его работе только на минимальных (холостых) оборотах.

Во флакон с суспензией, содержащей 2 г сухого порошка природных минералов следующего состава, мас. %: ревдинскит 78; оливин 4; графит + шунгит 8; кальцит 10 в 45 милилитрах моторного масла, влили 25 мл очищающего препарата, содержащего йодбензол, изоамиловый спирт, третбутилат калия и тетрабутоксисилан, и встряхивали полученную смесь до видимой однородности. Содержимое флакона через заливную горловину вводили в масляную систему двигателя, предварительно разогретого до рабочей температуры.

После 25-30 минут работы двигателя на малых оборотах был проведен второй замер его параметров, который показал следующие результаты: давление масла на холостом ходу - 4,5 - кг/см².

Измерения величины внутреннего диаметра цилиндров свидетельствуют о формировании на внутренней поверхности цилиндров слоя металлокерамики, достигающего толщины 0,10 мм.

Остальные результаты приведены в Таблице 1.

Приведенные результаты показывают, что значения компрессии в цилиндрах практически приблизились к номинальным, двигатель сбалансирован по компрессии; сократилась дымность. По всей видимости, за счет очистки поверхностей в парах трения ЦПГ с формированием на изношенных поверхностях модифицированного металлокерамического покрытия и сокращения зазоров между трущимися парами поавсилась работоспособность поршневых колец и в значительной мере улучшились показатели полного и остаточного вакуума.

Пример 2

Была выполнена диагностика и произведено восстановление трущихся поверхностей двигателя 1KZ-TE автомобиля TOYOTA Hiace 1999 года выпуска (пробег 369584 км) без разбора при работе на минимальных (холостых) оборотах с последующей контрольной работой дизеля в режиме штатной эксплуатации. Изменения технических параметров двигателя контролировали переносным диагностическим комплектом (ПДК), разработанным для диагностики ДВС на предмет износа деталей ЦПГ ДВС.

Первичная диагностика технических параметров ДВС показала давление масла 2,7 кг/см², компрессию в цилиндрах от 23,0 до 26 кг/см² с разбросом в 3 кг/см². Замеры вакуумных показателей позволили идентифицировать причину: неравномерный износ гильз до предельных значений. Значения остаточного вакуума показывают среднюю степень залегания поршневых колец. Давление масла двигателя низкое. По результатам диагностики сделано заключение о наличии значительного износа цилиндропоршневой группы и необходимости в ближайшем будущем капитального ремонта двигателя в связи с тем, что его общий ресурс значительно выработан.

При номинальных параметрах ЦПГ дизельного ДВС:

значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - 0,89-0,94 кг/см²,

значение компрессии Р2 (поршневые кольца) - 0,14-0,17 кг/см²,

диагностируемый двигатель обнаружил следующие показатели:

значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - менее 0,78 кг/см²;

значение компрессия Р2 (поршневые кольца) - более 0,25 кг/см².

Аналогично примеру 1, восстановление производили без разборки двигателя, на холостом ходу и малых оборотах.

Во флакон с суспензией, содержащей 4 г сухого порошка природных минералов следующего состава, мас. %: ревдинскит 82; оливин 1; графит + шунгит 13; кальцит 4 в 45 милилитрах моторного масла, влили 25 мл очищающего препарата, содержащего йодбензол, изоамиловый спирт, третбутилат калия и тетрабутоксисилан. Далее действовали по примеру 1.

После пробега 1500 км проведена повторная диагностика состояния двигателя, результаты которой сведены в Таблицу 2.

Из Таблицы 2 видно, что значения компрессии в цилиндрах приблизились к номинальным, при этом двигатель сбалансирован по компрессии.

Значения остаточного вакуума уменьшились практически до номинальных.

В ходе контрольного пробега установлено уменьшение дымности двигателя до ее полного отсутствия, а также снижение его шумности и вибрации. Отмечено существенное увеличение мощности двигателя и его облегченный запуск. Четко выражено снижение расхода топлива с 18 до 13 литров на 100 км пробега и расхода масла с 1,0 до 0,25 литра на 1000 км пробега.

Группа изобретений относится к восстановлению изношенных металлических поверхностей, преимущественно в парах трения цилиндропоршневой и кривошипно-шатунной группы двигателей внутреннего сгорания. Проводят предварительную диагностику величины износа и оценку целесообразности безразборного восстановления деталей. Процесс восстановления осуществляют при эксплуатационной нагрузке двигателя с использованием технологической среды, содержащей ремонтно-восстановительный состав в виде порошковой смеси природных минералов подкласса слоистых силикатов ревдинскита и оливина, а также графита, кальцита и шунгита в заданных количествах. Порошковую смесь вводят в технологическую среду из расчета 0,5 г сухого порошка на 1 л базового моторного масла. Расчетное количество ремонтно-восстановительного состава вносят в масляную систему ДВС в виде суспензии в 30-70 мл базового моторного масла, смешанной с расчетным количеством очищающего препарата, содержащего йодбензол, изоамиловый спирт, третбутилат калия и тетрабутоксисилан. Изобретения упрощают процедуру восстановления изношенной поверхности трения за счет совмещения операций очистки и восстановления поверхности при одновременном повышении качества формируемого покрытия, обладающего высокими триботехническими характеристиками и износостойкостью. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 3 пр.

1. Ремонтно-восстановительный состав для безразборного восстановления изношенных металлических поверхностей двигателя внутреннего сгорания, содержащий слоистые силикатные материалы и шунгит, отличающийся тем, что он выполнен в виде порошка дисперсностью 1-10 мкм, при этом дополнительно содержит графит и кальцит, а в качестве слоистых силикатных минералов включает ревдинскит и оливин при следующем содержании компонентов, мас. %:

ревдинскит (NiMg)₆(Si₄O₁₀) (ОН)₈ 78-82 оливин (Mg,Fe)₂[SiO₄] 1-4 графит и шунгит 8-13 кальцит СаСО₃ 4-10

2. Способ безразборного восстановления изношенных металлических поверхностей двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу в зону трения технологической среды, содержащей ремонтно-восстановительный состав, и проведение процесса восстановления при эксплуатационной нагрузке, отличающийся тем, что используют ремонтно-восстановительный состав по п. 1, при этом восстановление осуществляют в присутствии очищающего препарата, содержащего йодбензол, изоамиловый спирт, третбутилат калия и тетрабутоксисилан, который вносят в базовое масло из расчета 5 мл препарата на 1 л базового масла одновременно с упомянутым ремонтно-восстановительным составом.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что ремонтно-восстановительный состав вводят в базовое моторное масло из расчета 0,5 г сухого порошка на 1 л масла.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что расчетное количество порошкового ремонтно-восстановительного состава предварительно диспергируют в 30-100 мл базового моторного масла, полученную дисперсию смешивают с расчетным количеством очищающего препарата и вводят смесь в технологическую среду.

5. Способ по любому из пп. 2-4, отличающийся тем, что смесь ремонтно-восстановительного состава и очищающего препарата вводят в базовое моторное масло, разогретое до рабочей температуры двигателя.