СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ТРИБОСИСТЕМ
METHOD OF RECOVERING TRIBOSYSTEM FRICTION SURFACES

Изобретение относится к общему машиностроению, в частности к ремонту транспортных средств, машин и механизмов, безразборным восстановлением их изношенных узлов и агрегатов, имеющих поверхности трения трибосистем, за счет создания на поверхностях трения металлокерамического и полимерного покрытия.
В современном машиностроении известны технологии восстановления ресурса механизмов и машин, включающих способы обработки поверхностей трения деталей машин и механизмов без их разборки и прекращения эксплуатации (Основы трибологии: Учебник. Антипенко A.M., Белас А.Н., Войтов В.А. и др. Под ред. Войтова В.А. - Харьков: ХНТУСГ, 2008 - с. 342). К таким технологиям можно отнести ряд существующих способов восстановления поверхностей трения, общими признаками которых является введение в рабочую жидкость трибосистем, в частности в смазку, определенных добавок на основе неорганических материалов.
Благодаря этому при приработке рабочих поверхностей трения в процессе эксплуатации машин и механизмов на рабочих поверхностях образуется металлокерамическое покрытие, слои которого замещают изношенные участки рабочих поверхностей и имеют значительно большие износостойкость и антифрикционные свойства, чем основной материал рабочих поверхностей.
Известен способ безразборного восстановления, который включает подготовку восстановительного состава, содержащего минеральные вещества, а именно - каолинит и серпофит с катализатором и кристаллизатором. Далее указанный состав вводят в зону трения и приработки (Патент RU №2169208, МПК C23C 26/00).
Применение такого способа позволяет получить на поверхностях трения металлокерамическое покрытие с высокой твердостью, однородностью структуры и заданной равномерной толщины. Но металлокерамические слои, получаемые при применении известного способа, имеют кристаллическую структуру, из-за введения в добавки кристаллизатора. Известно, что кристаллические структуры очень быстро накапливают усталость, результатом которой является износ, то есть потеря веса или уменьшение размера.
Этот недостаток в некоторой степени преодолен в известном способе (патент UA №24442 МПК C23C 26/00), включающем приготовление восстанавливаемого состава добавок, их подачу в зону трения с помощью рабочей жидкости, приработку пары трения. Состав добавок готовят на основе минеральных веществ, содержащих оксид кремния в метастабильном состоянии, или их смесей и катализаторов. Полученное на поверхностях трения в результате применения известного способа металлокерамическое покрытие состоит из слоев, которые представляют собой так называемые «зеркала трения», что позволяет снизить коэффициент трения на восстановленных поверхностях. Но эти «зеркала трения» также имеют кристаллическую структуру, что, как было указано выше, существенно уменьшает их износостойкость. Кроме того, такие покрытия содержатся на поверхностях трения за счет реакции замещения атомов восстановительных добавок атомами железа или атомами цветных металлов, из которых изготовлены поверхности трения. Такие реакции формируют твердые растворы.
Для того чтобы металлы могли образовать твердый раствор реакциями замещения, необходимо, чтобы они соответствовали многим условиям протекания реакций замещения, которые существенно ограничивают область применения известного способа (Кравец И.А. Репаративная регенерация трибосистем. Тернополь: Бережанский агротехнический институт. 2003, с. 284).
Вышеуказанные недостатки преодолены в техническом решении - патент UA №41896, МПК C23C 24/00 (прототип).
Способ восстановления поверхностей трения трибосистем, охарактеризованный в данном патенте, является ближайшим к заявленному техническому решению по совокупности признаков и технической сути.
Способ, описанный в прототипе, включает приготовление восстановительного состава добавок на основе минеральных веществ и катализаторов, которые осуществляют в два этапа: сначала готовят первую часть восстановительного состава на основе минеральных веществ, а затем отдельно готовят вторую часть состава на основе катализаторов, причем первая часть составляет 30-45% массовой единицы состава. Подачу восстановительного состава в зону трения осуществляют тоже в два этапа, причем сначала подают первую часть состава, затем подают вторую часть, а приработку пары трения осуществляют между первым и вторым этапом подачи состава и после второго этапа подачи состава. Полученные на поверхностях трения покрытия аморфного строения обладают запасом пластичности, имеют высокую износостойкость и низкий коэффициент трения, но применяется в два этапа с приработкой пары трения между первым и вторым этапами. Это затрудняет применение способа безразборного восстановления поверхностей трения трибосистем.
Кроме того, такие покрытия содержатся на поверхностях трения за счет шаржирования (углубление) минеральных веществ на поверхности трения с образованием металлических мыл аморфного строения на их основе, связывающие шаржированные оксиды, препятствуя их выкрашиванию с поверхностей трения.
Такой способ не обеспечивает надежного удержания шаржированных оксидов минералов на поверхности трения, то есть не является эффективным.
В основу изобретения поставлена задача создания способа безразборного восстановления поверхностей трения трибосистем изношенных узлов или агрегатов машин и механизмов без прекращения их эксплуатации, путем однократного введения в рабочую жидкость триботехнического восстановительного состава, тем самым обеспечить формирование на поверхностях трения покрытия аморфного строения, которое имеет высокую износостойкость и низкий коэффициент трения и надежно удерживается на поверхности.
Технический результат - восстановление поверхностей трения трибосистем узлов или агрегатов машин и механизмов.
Технический результат достигается тем, что в способе одноэтапного безразборного восстановления поверхностей трения трибосистем, который включает приготовление восстановительного состава добавок на основе минеральных веществ и катализаторов, их подачу в зону трения и приработку трибосистемы, подачу восстановительного состава добавок осуществляют в один этап, в соотношении: восстановительный состав на основе минеральных веществ (каолин) - не более 55% массовой единицы состава, восстановительный состав на основе катализаторов - не более 43% массовой единицы состава, при этом в состав на основе катализаторов вводят фуллерены не более 2% массовой единицы состава.
Восстановление поверхностей трения трибосистем происходит благодаря подаче триботехнического восстановительного состава в зону трения с приработкой пары трения. При этом достигается шаржирование минеральных веществ на поверхности трения. Это обуславливается общими положениями теории трения, согласно которым - любая чужеродная частица значительно тверже, чем трущиеся поверхности, попадая между ними, шаржуется (т.е. углубляется) в эти поверхности.
За счет одновременного действия катализаторов и фуллеренов образуются металлические мыла (пластические, легкоплавкие пленки аморфного строения) на поверхностях трения, содержащие метастабильные оксиды минеральных веществ и полимерные слои пленок, связывающие шаржированные оксиды, препятствуя их выкрашивание с поверхностей трения. Такие структуры не имеют кристаллической структуры и обладают большим запасом пластичности, медленно накапливают усталость. Это обеспечивает высокую износостойкость покрытия, образованную рыхлыми и полимерными пленками, а слабые связи обусловливают низкий коэффициент трения.
Приработка пары трения обеспечивает перемещение по поверхности трения вышеуказанных пленок, которые образуют слои металлических мыл и полимерные слои, чередующиеся с металлокерамическими, что приводит к восстановлению изношенных участков поверхностей трения этим многослойным аморфным и полимерным покрытием. При этом же происходит постоянное обновление износостойкого покрытия на поверхностях трения по мере их износа.
Заявленное соотношение минеральных веществ, которое составляет не более 55% массовой единицы состава, обосновано обеспечением высокой износостойкости полученного покрытия. При большем 55% содержании минеральных веществ происходит волнообразное изменение скорости износа, также уменьшается износостойкость полученного покрытия.
Таким образом, шаржирование минеральных веществ на поверхности трения с последующим получением, наращиванием и обновлением на этих поверхностях упомянутых аморфных и полимерных слоев в сочетании с оптимальным выбором процентного содержания частей триботехнического восстановительного состава, обеспечивающих такое шаржирование, наращивание и обновление, позволяет достичь формирования на поверхностях трения покрытия аморфной и полимерной структуры строения, состоящие из металлокерамических слоев, слоев металлического мыла и полимерных слоев, которые имеют высокую износостойкость и низкий коэффициент трения.
Кроме того, использование фуллеренов для формирования покрытия на изношенных поверхностях, в отличие от реакций образования металлических мыл позволяет восстанавливать поверхности, изготовленные из любого материала, например всех марок сталей и чугунов, сплавов на основе меди, алюминия, титана, в том числе и полимеров.
Возможность реализации предложенного способа и достижения указанного технического результата проверена лабораторными исследованиями.
Лабораторные испытания проводились на машине трения СМТ-1. Схема испытания «диск-диск» в режиме скольжения с проскальзыванием (20% качения верхнего диска). Диски изготовлены из легированной стали с последующей цементацией. Такая пара трения выбрана для моделирования зубчатых сцеплений. Смазочной средой было моторное масло М-10ДМ.
Сначала приработка проводилось на чистом моторном масле. После завершения приработки коэффициент трения стабилизировался и достиг значения µ=0,55, где µ - коэффициент трения. Скорость износа определялась по величине амплитуд акустической эмиссии, которая регистрировалась из зоны трения пьезоэлементом. Средняя величина амплитуды после приработки составила А=8 µВ.
Смазка осуществлялась погружением нижнего вращательного диска в ванну с маслом.
После завершения приработки ванна с чистым маслом М-10ДМ без остановки машины трения была заменена ванной с маслом М-10ДМ, дополнительно содержащим триботехнический восстановительный состав. Через несколько секунд работы пары трения начал расти коэффициент трения и увеличиваться скорость износа. По истечении 15 минут работы коэффициент трения и скорость износа, пройдя через максимум µ=0,065; А=18 µВ, стали уменьшаться, что свидетельствует о начале процесса шаржирования минеральных веществ.
После 30 минут работы пары трения начался процесс снижения коэффициента трения и скорости износа. Стабилизация указанных параметров произошла за 3 часа работы. Коэффициент трения уменьшился до значения µ=0,03, а скорость износа - до значений амплитуд 0,35 µВ, что свидетельствует о начале эффекта образования металлокерамических и полимерных слоев.
В течение следующих 4 часов работы существенных изменений в работе пары трения не произошло. Пара работала устойчиво с параметрами µ=0,03 и амплитудами акустической эмиссии А=0,35 µВ, что свидетельствует о реализации эффекта образования металлокерамических и полимерных слоев.
Изучение сложившихся пленок на поверхностях трения дисков под электронным микроскопом позволило установить их слоистое строение и аморфность структуры. Химический анализ пленок показал, что это металлокерамика и полимерное покрытие.
Лабораторные испытания подтвердили эффективность предложенного способа безразборного восстановления поверхностей трения трибосистем и возможность его реализации в производственных условиях.
В источниках информации способа безразборного восстановления поверхностей трения трибосистем с аналогичными признаками автором не обнаружено.