ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ-РЕВИТАЛИЗАНТ

Изобретение относится к области обработки поверхностей трения, узлов трения и может быть использовано как при обработке новых деталей и узлов трения, так и при ремонтно-восстановительных работах.

Измельченные порошки на основе природных минералов, содержащих оксиды металлов, например природного минерала серпентина - Mg₃Si₂O₅[OH]₄ с сопутствующими ему минералами и дополнительно вводимыми добавками, обладают высокими триботехническими свойствами. Добавление таких композиций в смазку приводит к образованию на поверхностях трения металлокерамической пленки с высокими антифрикционными характеристиками.

Композиции, в которых с целью модификации поверхностей трения узлов трения в качестве твердой добавки к составу для обработки поверхностей трения используют серпентины, известны из следующих источников: патенты РФ № 2001323, 2057257, 2035636, 2006707, 2059121, 2006708, 2135638, а также патента Украины № 24442.

В указанных известных источниках применяются серпентиниты или их аналоги, искусственно синтезированные, с различными добавками металлов, абразивоподобными веществами, имеющими более высокую твердость, наполнителями для загущения смазок или гелеобразователями.

Уменьшение износа происходит за счет создания устойчивых, прочных защитных (сервовитных) пленок на поверхностях трения вследствие взаимодействия частиц абразивоподобных веществ (гидратированных силикатов магния, в том числе серпентинитов или продуктов их разложения, в том числе талька). Все указанные источники используют механоактивацию, т.е. измельчение вышеуказанных веществ, и создание на их основе смесей. Главным компонентом этих смесей является серпентинит с сопутствующими природными добавками.

Согласно указанным источникам сущность восстановления трущихся поверхностей деталей механизмов заключается в образовании сервовитной пленки высокой прочности при работе механизма при достаточно высокой нагрузке и вследствие этого потере воды серпентинитом или природными продуктами его разложения (пирротином, эстатитом, фаялитом, стеатитом, тальком) и образовании при этом подобных керамике веществ, покрывающих поверхность детали и имеющих хорошую адгезию с металлом.

Покрытие образует на поверхности металла легирующий слой, что позволяет полностью отказаться от смазки трущихся пар механизмов и осуществлять механическую нагрузку при вращении, скольжении, качении без смазки длительное время, в несколько раз превышающее время при использовании стандартной смазки (см. патент № 2057257).

Сервовитная пленка образуется во время работы механизма при достаточно высокой нагрузке. В известном способе состав предварительно механоактивируют, а трущиеся поверхности подвергают приработке при давлении 0,01-1 МПа (см. патент 2035636). В результате в месте контакта трущихся поверхностей повышается температура, что вызывает дегидратацию гидратов с температурой удаления конституционной воды и разрушения кристаллической решетки в интервале 400-900°С (см. патент № 2168663).

Потеря воды серпентинитом происходит при температуре более 700°С в точке контакта пар трения. При более низкой температуре преобразование серпентина (или талька) не происходит.

Химическая реакция дегидратации может быть представлена в следующем виде:

где в результате получают стекловидное покрытие - смесь керамики (MgO∙SiO₂ - форстерит) и песка (SiO₂), которые спекаются под действием высокой температуры в местах трения в однородную массу.

Однако все известные составы не изменяют сути процесса создания сервовитной пленки, а только улучшают свойства составов.

Согласно изобретению № 2168663 известен состав для обработки пар трения, включающий оксиды металлов и неметаллов. В качестве указанных оксидов состав содержит продукты дегидратации гидратов с температурой удаления конституционной воды и разрушения кристаллической решетки в интервале 400-900°С, которые в устойчивой фазе содержат оксиды из ряда MgO, SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃, K₂O, Na₂O. Состав согласно изобретению в качестве гидратов для получения продуктов дегидратации использует природные минералы или их смеси либо синтезированные гидраты. Состав согласно изобретению содержит в продуктах дегидратации природных минералов 1-10 мас.% примесей, сопутствующих природным минералам. Процесс изготовления указанного состава включает предварительную очистку от примесей природных минералов, полученных из разных источников сырья. Синтезированные гидраты и природные минералы отжигали в муфельной печи при температурах, соответствующих удалению структурной воды. После дегидратации полученные таким образом порошки смешивали с технологической средой и обрабатывали различные узлы и механизмы при эксплуатационных нагрузках. Недостатком указанного состава является то, что он не позволяет сформировать многослойный антифрикционный защитный слой на трущихся поверхностях, что не позволяет качественно улучшить свойства антифрикционного покрытия, выражающиеся в снижении скорости износа восстановленных деталей и увеличения их поверхностной твердости и удлинения наработки на отказ. По совокупности существенных признаков указанное техническое решение по патенту РФ № 2168663 принято за прототип.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание трибосостава-ревитализанта, позволяющего значительно улучшить восстановительные и эксплуатационные свойства композиции за счет получения дополнительного слоя наращивания восстанавливаемой детали, предшествующего образованию антифрикционного слоя, известного из уровня техники.

Использование заявляемого триботехнического состава-ревитализанта позволит получить увеличение толщины восстановленного слоя и интенсифицировать процесс самоорганизации полученных двух твердых поверхностных слоев.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый триботехнический состав-ревитализант, содержащий абразивоподобный порошкообразный компонент на основе смеси минералов, согласно изобретению в качестве указанных минералов содержит минерал лимонит природного происхождения или искусственного, прошедший механоактивацию и дополнительную гидратацию и способный восстанавливаться до металлического железа при мгновенных температурах в месте контакта пары трения, начиная от 420°С, и минерал из группы хлоритов, предварительно отобранных по химическому составу и максимально содержащих в своем составе железо, и также прошедший механоактивацию и дополнительную гидратацию и способный к образованию стекловидного покрытия на металле поверх первого образованного восстановительного слоя при температуре свыше 700°С, а также сопутствующие минералам примеси или добавки алмазов, шунгита, порошковых металлов или абразивов для улучшения характеристик при соотношении указанных компонентов, мас.%: лимонит или его гидраты - 1-10, минерал группы хлоритов - 80-90, примеси или добавки - остальное.

Указанные отличительные признаки не известны из уровня техники и, следовательно, заявляемое техническое решение является новым. Решение также обладает изобретательским уровнем.

Для приготовления заявленной композиции производят предварительный отбор по соответствующим триботехническим, ревитализационным и химическим свойствам минералов лимонита и хлорита. Отбор производят по следующим признакам: 1) минимальное содержание алюминия и цинка, 2) минерал должен иметь минимальную твердость, 3) минимальное количество хромитов и других включений, которые обладают повышенной твердостью, 4) максимальное содержание Fe. При предварительном осмотре делают распил минерала и визуально (при необходимости под микроскопом) исследуют имеющиеся включения. Порошок от распила испытывают на абразивность. В зависимости от результатов принимают решение о целесообразности использования данного отдельного минерала.

В процессе изготовления состава минералы подвергают механоактивации - измельчению с целью снижения интенсивности изнашивания поверхностей. При необходимости проводят их очистку, чтобы они содержали наименьшее количество примесей.

Следующим этапом является гидратация минералов, которую ведут в герметичной шаровой мельнице, загружаемой минералом и металлическими шарами, в дистиллированной воде при температурах более 100°С и давлениях более 0,5 атм.

Лимонит изначально является гидратом, но в зависимости от природных источников он имеет разную степень гидратации. Дополнительной гидратацией доводят ее до максимально возможного предела. Гидратация минералов-компонентов состава позволяет снизить твердость и уменьшить абразивность частиц, изменить структуру минералов. Она позволяет получить более низкую температуру восстановления или другого преобразования под дальнейшим действием температуры, возникающей в узлах трения механизмов.

После гидратации измельченные компоненты подвергают просушке, а затем смешивают в необходимых пропорциях: лимонит или его гидраты - 1-10; минерал группы хлоритов - 80-90; примеси или добавки для улучшения характеристик - остальное. Указанное качественное и количественное соотношение компонентов является оптимальным, и при выходе за заявляемые соотношения декларируемый выше технический результат не достигается.

Полученный таким образом состав смешивали с технологической средой и обрабатывали различные узлы и механизмы при эксплуатационных нагрузках. Известно, что в сильно нагруженных сочленениях элементов пар трения в "пятнах" соприкосновения трущихся поверхностей (площадью примерно 0,05×0,05 мм) происходит локальный мгновенный нагрев до температуры более 1000°С (см., например, "Физический энциклопедический словарь", М., 1966 г., статья "Трение"), вызванный обратимой деформацией (см. патент № 2139456). Такая температура приводит к преобразованиям, описанным ниже.

Первый преимущественно металлический слой образуется потому, что гидраты начинают распадаться при низких температурах - от 420°С.

Лимонит, попадая в зону трения в присутствии масла, отдает воду (она в свободном виде и не соединяется с маслом, в дальнейшем высыхает) и кислород образующим в месте нагрева радикалам смазки, которая при этом образует окислы. Происходит прямое восстановление металлического железа.

Второй минерал из группы хлоритов, предварительно отобранных по химическому составу и максимально содержащих в своем составе железо, и также прошедших механоактивацию и дополнительную гидратацию, имеет свойство образовывать стекловидное покрытие на металле, поверх первого образованного восстановительного слоя при температурах более 700°С.

Когда в зону высокой температуры попадает частица минерала группы хлоритов, то благодаря малому размеру (1 мкм и менее) быстро нагревается и преобразуется по вышеприведенной формуле (1):

Процесс идет в течение 10^-3-10^-6 с. Частичка имеет хорошую адгезию с металлом. Это свойство всей форстеритовой, на основе окисла магния, керамики.

На фиг. 1 приведена фотография микрошлифа компрессионного кольца дизельного двигателя, обработанного заявляемым триботехническим составом-ревитализантом, на которой виден полученный защитный слой (поз. 3).

На фиг. 2 приведена фотография, на которой показан зуб редуктора, который работал с заявляемым триботехническим составом-ревитализантом около 3 ч на стенде. На фотографии видна образованная пленка, которая покрывала поверхность зуба. Пленка содержит уже образованный железистый слой, поэтому она имеет большую толщину.

Разность температур преобразования с частичным их перекрытием позволяет сначала получить наращивание защитного слоя преимущественно металлом, а в дальнейшем, при повышении температуры, металлокерамическим (стекловидным) слоем.

Наличие хлорита в начальной фазе обработки позволяет улучшить адгезию железа к восстанавливаемому металлу. Следует отметить, что наличие абразивных свойств гидратированного лимонита поднимает температуру в месте контакта пар трения, что усиливает скорость его преобразования (т.е. потерю конституционной воды и преобразование до металлического железа).

В результате совместного действия двух вышеуказанных минералов получаются следующие результаты:

абразивность лимонита позволяет организовать механическое очищение рабочих поверхностей пар трения в первоначальный момент введения заявляемого состава в зону трения;

наращивание преимущественно металлического первого слоя с контролируемым размером образования сервовитной пленки методом расчета дозирования гидратированного лимонита в составе. Это свойство формирования восстановительного состава является новым. В цитируемых патентах восстанавливающая смесь добавляется в концентрациях, в несколько раз превосходящих необходимую для получения толщины слоя, заявленной патентообладателями;

хорошая адгезия преимущественно металлического слоя к металлу, из которого изготовлена восстанавливаемая деталь;

возможность получить между слоями покрытия прочный переходный металлокерамический слой за счет частичного перекрытия температур преобразования компонентов заявляемого состава;

защита первого восстановленного слоя вторым;

окончание роста защитного слоя свыше необходимого при переизбытке подвергшегося гидролизу хлорита за счет самоорганизации этого слоя. Наращивание этого слоя приводит к значительному падению коэффициента трения, вследствие чего падает температура в месте контакта и преобразование останавливается;

недостижимая при других методах наращивания толщина восстановленного слоя (до 0,2 мм).

Предлагаемый триботехнический состав-ревитализант может быть применен совместно с компонентами для гелеобразования, алмазами, шунгитом, порошками металлов, которые улучшают свойства восстановленных поверхностей.

Этот состав смешивается с различными видами смазочных материалов и не влияет на их химические и трибологические свойства. Также и смазка не изменяет трибологические и химические свойства данного состава. Это обеспечивается устойчивостью химического состава при обычных температурах окружающей среды. Поэтому предлагаемый триботехнический состав-ревитализант не является присадкой к смазкам. Смазка является средством доставки указанного состава в зону трения. Данный состав может быть доставлен в зону трения любым из известных способов.

Результаты стендовых испытаний заявляемого триботехнического состава-ревитализанта приведены в табл. 1, 2.

Как видно из табл. 1, 2 использование состава в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает получение результатов, выражающихся в повышении твердости, уменьшении коэффициента трения, улучшении технико-эксплуатационных характеристик механизмов.

Заявленное изобретение - триботехнический состав-ревитализант - является промышленно применимым и найдет применение в промышленности для обработки пар трения машин и механизмов и увеличения сроков их работы.

Источники информации.

1. Патент № 2057257. Способ формирования покрытия на трущихся поверхностях. Опубл. 1996.03.27.

2. Патент № 2035636. Способ формирования сервовитной пленки триботехническим составом. Опубл. 1995.05.20.

3. Патент № 2168663. Состав для обработки пар трения. Опубл. 2001.06.10 - наиболее близкий аналог.