Способ безразборного восстановления изношенных металлических поверхностей и состав для его осуществления
METHOD OF REPAIR-IN-PLACE OF WORN-OUT METAL SURFACES AND COMPOSITION FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
6
4
10
8
2
3
2
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 Mg{SiO} (ОН) 87,4-88,0; Fe 8,2-8,6 в изоморфной примеси; А1 2,2-2,4 в изоморфной примеси; кремнезем SiO 0,6-1,0; доломит CaMg(CO) 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.
3
2
5
4
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 Mg[SiO](OH) 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)<sub>6</sub>(Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>) (ОН)<sub>8</sub>
78-82;
оливин (Mg,Fe)<sub>2</sub>[SiO<sub>4</sub>]
1-4;
графит и шунгит
8-13;
кальцит СаСО<sub>3</sub>
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.
2
2
3
2
3
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 (SiO; AlO; FeO; FeO; MgO; CaO;
2
5
РО; 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
2
4
Оливин (перидот, хризолит) с общей формулой (Mg,Fe)[SiO]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.
6
4
10
8
Предлагаемый ремонтно-восстановительный состав, основой которого является природный минерал ревдинскит, одна из разновидностей минерала серпентина MgSiO(OH), 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.
2
2
2
Первичная диагностика двигателя до проведения ремонтно-восстановительных работ показала следующее: давление масла на холостом ходу 3,7 кг/см, значение компрессии в цилиндрах от 8,0 до 9,0 кг/см (разброс 1 кг/см). 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:
2
значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - 0,80-0,84 кг/см,
2
значение компрессии Р2 (поршневые кольца) - 0,17-0,20 кг/см,
при этом предельно допустимыми характеристиками состояния ЦПГ бензинового ДВС являются:
2
значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - менее 0,74 кг/см;
2
значение компрессии Р2 (поршневые кольца) - более 0,32 кг/см.
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.
2
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/см.
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.
2
2
2
Первичная диагностика технических параметров ДВС показала давление масла 2,7 кг/см, компрессию в цилиндрах от 23,0 до 26 кг/см с разбросом в 3 кг/см. 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:
2
значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - 0,89-0,94 кг/см,
2
значение компрессии Р2 (поршневые кольца) - 0,14-0,17 кг/см,
диагностируемый двигатель обнаружил следующие показатели:
2
значение компрессии Р1 (гильза, клапаны) - менее 0,78 кг/см;
2
значение компрессия Р2 (поршневые кольца) - более 0,25 кг/см.
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.