ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРОТИВОИЗНОСНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ВОССТАНАВЛИВАЮЩИЙ
ANTIWEAR, ANTIFRICTION RESTORATION TRIBOTECHNICAL COMPOSITION

Изобретение относится к составам смазочных материалов и может быть использовано для обработки изношенных поверхностей трения и (или) оптимизации зазоров в сопряженных парах узлов трения различных агрегатов и механизмов при их сборке или для их восстановления.
Известны различные технические средства формирования антифрикционных покрытий на трущихся поверхностях на основе механоактивации мелкодисперсной смеси минералов со связующим.
2
3
2
3
Известен способ формирования покрытия на трущихся поверхностях, включающий механоактивацию мелкодисперсной смеси минералов со связующим, размещение полученного состава между трущимися поверхностями и последующую его приработку, при этом для обеспечения диффузионного проникновения получаемого покрытия в поверхность трущихся деталей смесь минералов используют с дисперсностью 0,01-1,0 мкм, механоактивацию состава из смеси минералов и связующего осуществляют апериодическими колебаниями, при этом размещенный между трущимися поверхностями состав содержит, мас. %: смесь минералов - 3,3; связующее - 96,7; ингредиентное содержание упомянутого состава используют следующее, мас. %: SiO - 30-40; MgO - 20-35; FeO - 10-15; FeO - 4-6; AlO - 3-8; S - 2-6; сопутствующие примеси - 5-30; причем приработку проводят при давлении не менее 10 МПа и температуре в микрообъемах не менее 300°С (патент РФ №2057257, МПК F16C 33/14, публикация 1996 г.).
Известна твердосмазочная трибокомпозиция, содержащая связующее и абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, включающего антигорит, при этом абразивоподобный компонент дополнительно содержит благородный серпентин (офит) с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины, 1:25 - 1:40, соответственно, при следующем соотношении ингредиентов в абразивоподобном компоненте, мас. %: антигорит - 10-20; благородный серпентин (офит) - 80-90; и при следующем соотношении компонентов в твердосмазочной композиции, мас. %: абразивоподобный компонент - 0,5-5,0; связующее - остальное (патент РФ №2210587, МПК С10М 125/26, F16C 33/14, публикация 2003 г.).
К недостаткам известных технических решений следует отнести определенную сложность их практической реализации и сравнительно невысокий эффект с точки зрения износостойкости и долговечности покрытия.
Известен модификатор трения, включающий минеральные компоненты, при этом состав дополнительно содержит масло моторное авиационное, касторовое масло, борную кислоту, причем в качестве минеральных компонентов используют серпентин в виде антигорита и каолин с дисперсностью частиц 1-5 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: серпентин в виде антигорита 5-2, каолин 5-3, масло моторное авиационное 89-97, касторовое масло-3, борная кислота 3 (патент РФ №2420562, МПК С10М 163/00, С10М 125/26, С10М 159/02, C10N 30/06, публикация 2011 г.).
Состав предназначен для повышения антифрикционных и противоизносных характеристик, восстановления изношенной поверхности трения в процессе безразборной эксплуатации узлов трения за счет создания на трущихся поверхностях защитного двухслойного покрытия.
2
Наиболее близким к заявленному техническому решению является состав для безразборного улучшения триботехнических характеристик узлов трения, содержащий измельченный природный минерал, при этом состав содержит минерал с дисперсностью 0,01-5 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: серпентин (лизардит и хризотил) - 87,4-88,0; железо в изоморфной примеси Fe - 8,2-8,6; алюминий в изоморфной примеси Al - 2,2-2,4; кремнезем SiO - 0,6-1,0; доломит - 0,6-1,0 (патент РФ №2169172, МПК С10М 125/04, С10М 103/06, C10N 30:06, публикация 2001 г. - прототип изобретения).
Использование этого состава при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, узлов трения механизмов и устройств в качестве добавки в штатные смазочные материалы, в дизельное топливо или в качестве твердо смазочного материала приводит к повышению износостойкости трущихся поверхностей деталей узлов трения.
Общим недостатком известных решений является значительное варьирование минералогического и химического состава «природных минералов», добываемых из карьеров, что приводит к снижению эффективности триботехнических составов при массовом производстве. Значительное изменение состава связано с естественными процессами формирования породы. Подтверждением могут служить результаты микрозондового анализа прозрачно-полированных шлифов минералов керна, полученного при бурении скважины для триботехнического состава, представленные на фиг. 1-2.
Породы представлены доломит-серпентин-тальковыми, тальк-доломит-хлоритовыми и тальк-хлорит-доломитовыми сланцами. С глубиной наблюдается увеличение количества доломита и уменьшение содержаний талька и серпентина. Количество хлорита в среднем по скважине не меняется и колеблется в пределах 20%. Вторичные изменения представлены карбонатизацией и хлоритизацией. Очевидно, что отдельные компоненты минерала отличаются в разы. Аналогичное отклонение наблюдается и при выходе породы на поверхность.
Для оценки триботехнических свойств природных минералов разработаны тестовые испытания на машине трения ИИ5018.
Схема испытаний: - «диск по диску» (подвижный диск - d=50, h=12, неподвижный диск - d=40, h=10), смазка осуществляется разбрызгиванием подвижным образцом (погружен в масло на 1-2 см, объем масла - 200 мл).
Материал: - 30ХГСА (закалка, шлифовка Ra=1-2 мкм).
Режим работы: - n=1200 мин -1 (V=3,14 м/с), нагрузка Р=100Н.
Продолжительность испытаний: приработка на «чистом» масле - 30 тыс.циклов (25 мин), работа на масле с препаратом - 70 тыс. циклов (60 мин).
Концентрация минерала в масле 0,3%.
Регистрируемые параметры:
- момент сопротивления трения М (Н*м);
- температура масла в камере Т (°С);
- число циклов N.
o
к/о
Износ образца (нижнего диска - Δm) и контробразца (верхнего диска - Δm) определяется взвешиванием до и после испытаний на аналитических весах АВ210М-01А с погрешностью до 0,1 мг.
Данные тестовые испытания позволяют достоверно оценить триботехнические свойства исследуемых минералов. Многочисленные испытания, часть из которых представлена в таблице 1 и на фиг. 3, показывают, что незначительное отклонение минерального состава значимо сказываются на триботехнических характеристиках.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка триботехнического состава, обеспечивающего гарантированное формирование вторичной трибоструктуры, значительно улучшающей антифрикционные, противоизносные и противозадирные характеристики при сохранении высокой адгезионной прочности слоя поверхностей трения агрегатов и механизмов.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - гарантированное формирование защитного долговременного слоя в процессе обкатки или штатной эксплуатации для восстановления изношенных поверхностей трения и (или) оптимизации зазоров в сопряженных парах узлов трения различных агрегатов и механизмов.
Указанный технический результат достигается тем, что триботехнический состав выполнен в виде композиции, составленной из природных минералов, полученных при измельчении керна, керна, взятого из нескольких скважин с разной глубины, при этом композиция содержит природные минералы при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Антигорит
5-7
Лизардит
1-3
Тремолит
1-5
Хлорит
23-35
Тальк
26-38
Карбонат
22-26
Магнетит
1-3
Примеси
1-3
причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас. % порошка и частицы размером не более 15 мкм.
Керн для образования композиции из природных минералов отбирается из нескольких скважин с разной глубины, заранее определяемых по результатам предварительного статистического анализа результатов, полученных при экспериментальных триботехнических исследованиях композиций, составленных из полученных из конкретных скважин и из конкретных отрезков глубин природных минералов.
Предложенное техническое решение поясняется графически, где на фиг. 1 представлен микрозондовый анализ керна; на фиг. 2 - минеральный состав керна по глубине; на фиг. 3 - комплексный критерий оценки триботехнических характеристик; на фиг. 4 - показана динамика коэффициента трения; на фиг. 5 - показана динамика температуры; на фиг. 6 показана динамика формирования слоя.
Полученный триботехнический состав взаимодействует непосредственно с металлическими поверхностями зон контактов (поверхностями трения) деталей узлов и механизмов и гарантировано инициирует выход системы «пара трения - смазка» на новый качественный уровень энергетического баланса. Триботехнический состав противоизносный антифрикционный восстанавливающий (ТС ПАВ) является катализатором или инициатором процессов адаптации системы «пара трения - смазка».
ТС ПАВ способствуют формированию новой структуры поверхности трения на основе кристаллической решетки металла. В процессе работы узла трения в присутствии ТС ПАВ происходит последовательное постепенное наращивание слоев на атомном уровне.
Процесс формирования защитной структуры (слоя) начинается с очистки ультратонким мягким абразивом, входящим в ТС ПАВ, деформированного в процессе обработки и эксплуатации поверхностного слоя пар трения. Это приводит к значительному увеличению выхода свободных электронов на поверхности трения, что обеспечивает условия диффузионных процессов «схватывания» поверхности трения, и попадающих в зону контакта частичек, содержащих железоуглеродистое соединение с последующим разрывом более слабых связей кристаллической решетки. «Строительным» материалом при этом являются продукты изнашивания и компоненты ТС ПАВ. Лавинообразное нарастание диффузионных процессов при каталитическом влиянии компонентов ТС ПАВ приводит к последовательному образованию тонких слоев на наноуровне.
Характеристики сформированной структуры (толщина, пористость, микротвердость, маслоудерживающая способность) определяются условиями работы самого узла трения.
По внешнему виду слой представляет собой идеальную серо-зеркальную поверхность. На самом деле - это сверхмикропористая структура повышенной прочности и, самое главное, с повышенной маслоудерживающей способностью, которая, собственно, и обеспечивает целый комплекс уникальных свойств узла трения.
Далее наступает динамическая регуляция защитного слоя - поддержание защитного слоя с такими параметрами, которые необходимы системе трения для оптимального энергетического состояния в конкретном режиме работы. Причем, при наличии в смазочном материале даже незначительного количества ТС ПАВ происходит динамическая (адаптивная) саморегуляция, когда «система стремится к выравниванию локальной разности потенциалов и, следовательно, к термодинамическому равновесию параметров защитного слоя» (Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Франк-Каменецкий Д.А., 2008 г.; Диффузия в твердых телах. Х. Мехрер, 2010 г.).
В этот период процессы изнашивания контактирующих поверхностей трения практически отсутствуют, т.к. защитный слой обладает повышенной маслоудерживающей способностью (маслофильностью), и граничный режим трения смещается в сторону гидродинамического режима, что значительно снижает интенсивность контакта пары трения, улучшая антифрикционные и противоизносные характеристики.
При этом триботехнический состав ПАВ производится из композиции материалов измельченного керна, получаемого из разных скважин и глубин, и содержит минералы при соотношении, масс. %: антигорит - 5-7; лизардит - 1-3; тремолит - 1-5; хлорит - 23-35; тальк - 26-38; карбонат - 22-26; магнетит - 1-3; примеси - 1-3. Причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас. % порошка и частицы размером не более 15 мкм.
Испытания ТС ПАВ на машине трения ИИ5018 показывают, что трибосистема реагирует практически сразу после введения композиции в смазочное масло уже приработанного образца (приработка на «чистом» масле - 30 тыс. циклов - 25 минут, далее добавление ТС ПАВ и работа - 150 тыс. циклов - 120 минут). Это проявляется в снижении коэффициента трения и температуры масла в камере. Тем не менее максимальный эффект снижения потерь на трение и температуры наблюдается в течение нескольких часов работы (таблица 2 и фиг. 4, 5).
Динамика коэффициента трения и температуры
Анализ поверхностей трения под электронным микроскопом образцов с различной наработкой с ТС ПАВ, представленный на фиг. 6, подтверждает динамику коэффициента трения как следствие динамики формирования слоя.
На фиг. 6 видно как исходная поверхность трения (а - 600-кратное увеличение поверхности образца Ra=1-2 мкм) начинает постепенно закрывается новой структурой (б). На рисунках в) и г) исходная поверхность закрыта почти полностью (на заднем плане еще просматривается исходная поверхность).
Общие результаты применения триботехнических составов ПАВ в автотранспорте (двигатели, коробки передач, редукторы, топливные насосы высокого давления, гидроусилители руля, подшипниковые узлы и ШРУС легковых автомобилей, грузовых автомобилей и спецтехники) в среднем сводятся к следующему.
Двигатели внутреннего сгорания:
- увеличение ресурса ДВС в 1,5-2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- очистка поверхностей трения от лаков и нагаров на первом этапе обработке, в том числе раскоксовка колец при их подвижности;
- повышение и стабилизация «компрессии» по цилиндрам ДВС (за счет образования нового слоя и уплотнения зазоров в трибосопряжениях ЦПГ);
- восстановление функциональных свойств гидрокомпенсаторов;
- снижение расхода топлива ДВС на 8-10% (за счет снижения потерь на трение, за счет восстановления компрессии улучшается качество сгорания топлива);
- восстановление эффективной мощности ДВС вплоть до номинальной (за счет улучшения качества сгорания топлива, снижения потерь рабочего газа в картер и снижения потерь на трение);
- уменьшение расхода масла на угар ДВС до 3 раз (за счет увеличения газоплотности в поршневых канавках);
- улучшение пусковых характеристик (холодный запуск) за счет формирования антифрикционного слоя (слой с низким сопротивлением трения) и надежного удерживания смазочного масла на поверхностях трения;
- снижение уровня шумов и вибрации в ДВС на 5-10 дБ (за счет выравнивания рабочего процесса по цилиндрам и демпфирования более толстым слоем масла перекладки поршня);
- снижение эмиссии вредных выбросов отработавших газов ДВС по СО и СН до 50% (за счет повышения качества сгорания топлива);
- возможность недолговременной эксплуатации в условиях масляного голодания.
Коробки передач, трансмиссии, дифференциалы, редукторы и другие узлы с зубчатыми зацеплениями:
- увеличение ресурса МКПП, АКПП и раздаточных коробок в 1,5-2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- повышение плавности переключения передач МКПП и АКПП за счет оптимизации зазоров и снижения потерь на трение;
- восстановление подшипников и рабочих поверхностей зубчатых передач МКПП;
- снижение уровня шумов и вибрации МКПП и раздаточных коробок на 5-10 дБ;
- восстановление производительности масляного насоса АКПП;
- улучшение работы золотникового механизма АКПП.
Гидроусилители руля:
- увеличение ресурса ГУР в 2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- улучшение работы золотникового механизма;
- восстановление производительности насоса ГУР.
Топливные насосы высокого давления дизелей:
- восстановление параметров (давления) работы ТНВД, топливной системы COMMON RAIL, топливной системы «НАСОС-ФОРСУНКИ» (за счет оптимизации зазоров в сопряженных деталях трения);
- увеличение ресурса ТНВД, топливной системы COMMON RAIL, топливной системы «НАСОС-ФОРСУНКИ» в 1,5-2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- повышение эффективной мощности ДВС (за счет улучшения качества сгорания топлива);
- снижение расхода топлива ДВС на 3-5% (за счет улучшения качества сгорания топлива);
- снижение эмиссии вредных выбросов отработавших газов ДВС по СО и СН до 50% (за счет улучшения качества сгорания топлива).