СОСТАВ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
COMPOSITION FOR METALS MODIFICATION AND REDUCTION OF METALLIC SURFACES

Изобретение относится к области машиностроения и ресурсосбережения машин и механизмов, а именно к триботехническим композициям, предназначенным для восстановления изношенных металлических поверхностей деталей трения-скольжения на основе черных и цветных металлов путем создания на металлических поверхностях сервовитных покрытий, обладающих износостойкостью, коррозионной стойкостью, достаточной прочностью и пониженным коэффициентом трения.
Большинство используемых в настоящее время модифицирующих детали трения триботехнических композиций включают в свой состав дорогостоящие синтетические материалы, например политетрафторэтилен, и «мягкие» металлы - частицы подходящих для конкретной задачи сплавов, например олова, сурьмы и висмута с добавками металлических натрия или лития. При этом следует учитывать, что применение щелочных металлов, сурьмы, висмута, цинка и свинца нарушает и «ослабляет» при нагревах структуру поверхности трения.
В авторском свидетельстве СССР №1668471 (опубл. 07.08.1991) для обработки пар трения используют присадки, содержащие цинк или медь в связанном состоянии, а также абразивные частицы оксида алюминия размером менее 10 мкм, которые вводят в смазочное масло (МГД-14) с подачей тока на детали из сплава меди и цинка, т.е. процесс протекает по механизму гальваники. Пары трения обрабатывают без каких-либо предварительных механических операций, что обусловлено возможностью армирования поверхности деталей дисперсными абразивными частицами, материалом растворимых анодных вставок и присадок, находящихся в масле.
Проведенные исследования покрытий, получаемых по а.с. СССР №1668471, с использованием электронного микроскопа и рентгеновского микроанализатора с увеличением до 20000 раз показали, что образующиеся на металлических поверхностях сервовитные пленки маломощны (0,5-2 мкм), имеют недостаточную износостойкость, действуют короткое время и не обеспечивают полного устранения образующихся при износе зазоров. При этом использование в триботехнических композициях такого сильного абразива, как оксид алюминия, недопустимо, поскольку он будет уничтожать пленки, увеличивая зазоры.
Известны также триботехнические композиции, содержащие в своем составе природные материалы либо полностью состоящие из них.
Так, триботехнический состав по авторскому свидетельству СССР №1601426 (опубл. 23.10.1990) содержит в качестве абразивоподобного порошка природный истертый кварц дисперсностью 0,1-5 мкм в количестве 0,1-5 мас.% и органическое связующее до 100%. Но поскольку кристаллический кварц является абразивом, имеющим твердость по Моосу, равную 7, то такая смесь может использоваться только для очистки и шлифовки поверхностей.
Известен также триботехнический состав, содержащий, мас.%: серпентина (хризотила) 20-40; каолинита (глины) 40-60; оксидов лантана и иттрия 2-4; оксида алюминия 2-8 и оксида железа 6-7 (патент РФ №2093719, опубл. 20.10.1997).
Использование оксидов алюминия, лантана и иттрия в данном составе придает ему абразивные свойства, что может существенно снижать его триботехнические характеристики. Кроме того, оксиды лантана и иттрия относятся к числу дорогостоящих веществ.
6
4
10
8
2
5
4
11
2
В патенте РФ №2135638 (опубл. 27.08.1999) описан состав для модифицирования сплавов на основе железа, содержащий, мас.%: офита Mg(SiO)(OH) 50-80; нефрита Ca(Mg,Fe)[SiOО](OH) 10-40; шунгита 1-10, с дисперсностью 5-10 мкм. Состав шунгита, мас.%: кварц 30-70; шунгитовый углерод 30-70 и примеси 4-10. Присадки на основе нефрита имеют перспективу в силу высоких триботехнических и механических качеств этого минерала.
Защитное покрытие на поверхностях трения образуется в процессе эксплуатации машины под воздействием высоких температур (900-1200°С) в микрообъемах трущихся поверхностей. Образованное покрытие обладает достаточной толщиной, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Вместе с тем, формирование защитного покрытия на этапе эксплуатации машины носит самопроизвольный неконтролируемый характер, что приводит к неравномерности его толщины и неоднородности структуры. Указанное обстоятельство приводит к недостаточной прочности образованного защитного покрытия. Кроме того, область использования данного ремонтно-восстановительного состава ограничена применением его для восстановления только поверхностей трения, выполненных из металлов и сплавов исключительно на основе железа, и только в процессе эксплуатации машины.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому решению является состав для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, представляющий собой смесь серпофита, каолинита, метасиликата в качестве катализатора и пиролюзита в качестве кристаллизатора, взятых в следующем соотношении, мас.%: серпофит 40-70; каолинит 10-40; пиролюзит 5-10; метасиликат 5-10. Дисперсность смеси составляет 0,1-10,0 мкм (патент РФ №2169208, опубл. 20.06.2001).
2
2
2
Введенный в состав смеси в качестве кристаллизатора пиролюзит, предназначенный, по мнению авторов патента, для регулирования режима воды, согласно минералогическим классификациям в действительности отвечает формуле β-MnO, а не MnO·НО, как указано в патенте, т.е. не содержит воды.
Кроме того, необходимо отметить, что взятый в качестве основного компонента известного состава природный минерал серпофит терминологически однозначно не определен.
6
4
10
8
Термин «серпофит» представляет собой устаревшее групповое название некоторых разновидностей серпентина безотносительно кристаллической структуры (серпентин - минерал из подкласса слоистых силикатов, химический состав Mg[SiO](OH)). По морфологии и характеру деформации кристаллической решетки выделяются три основные разновидности серпентина: тонковолокнистая (хризотил), микрочешуйчатая листоватая (антигорит) и тонкозернистая (лизардит). Все они кристаллизуются в моноклинной системе. Разнообразие структур серпентина связано с различными деформациями кристаллической решетки. Эти структурные разновидности различаются рентгенографическими и электронно-микроскопическими методами.
В связи с тем что разновидности серпентина имеют различную кристаллическую структуру, они обусловливают и различную роль в пленкообразовании. Поэтому при использовании серпентина в триботехнических композициях способ его образования в природе имеет большое значение.
2
4
Проведенные исследования известного состава по патенту РФ №2169208 и структуры сформированного на основе этого состава защитного слоя при увеличениях до 20000 раз показали, что под названием «серпофит» в известном составе использована смесь двух разновидностей серпентина - хризотила и антигорита, образовавшихся за счет замещения ультраосновных магматических пород. А эта смесь всегда содержит примеси такого абразива, как шпинелид (Mg,Fe)(Al,Cr)O, с твердостью по Моосу, равной 8, отделение которого от серпентина практически невозможно или очень трудоемко.
Данное обстоятельство может ограничивать применение состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей по пат. РФ №2169208 до случаев обработки поверхностей, имеющих задиры, нагартовки на вязких, тугоплавких металлах (в пределах допуска).
Вместе с тем, несмотря на ошибочность в обосновании авторами данного патента роли отдельных компонентов и механизма образования сервовитных пленок на поверхностях трения, описанные в патенте триботехнические составы могут быть использованы на практике с достаточной эффективностью.
Кроме того, следует отметить, что наличие на современном рынке металлических деталей движения механизмов (в частности, пар трения), выполненных из металлов, менее защищенных от физических воздействий, требует разработки новых соответствующих триботехнических составов.
Задачей предлагаемого изобретения является оптимизация состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей за счет сокращения числа компонентов состава, являющихся при этом более дешевыми и более доступными природными материалами, обеспечивающего образование на обрабатываемых металлических поверхностях сервовитных пленок с достаточно высокими эксплуатационными свойствами, а также расширение ассортимента средств указанного назначения и сферы их применения.
Поставленная задача решается предлагаемым составом для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, который в отличие от известного состава содержит в качестве серпентина серпентин со структурой хризотила, образующегося по карбонатным породам, и вспученный вермикулит при следующем соотношении компонентов, мас.%: серпентин со структурой хризотила, образующегося по карбонатным породам, 85-99, вспученный вермикулит 1-15.
В частном случае осуществления изобретения, когда необходимо усиление абразивных свойств для зачистки поверхности металла, предлагаемый состав дополнительно содержит тальк-магнезитовую породу.
В случае осуществления изобретения, когда восстановлению подлежит сильно изношенный механизм, предлагаемый состав дополнительно содержит природную породу антигорит-магнетит.
2
Выбор указанных компонентов обусловлен следующими теоретическими положениями. Как указывалось выше, серпентин (водный силикат магния) представлен в природе несколькими полиморфными модификациями, имеющими различную кристаллическую структуру. Предложенный в качестве основы заявляемого состава серпентин со структурой хризотила, образующегося по карбонатным породам, получивший особое название - офикальцит, образован слоями кремнекислородных тетраэдров и брусита (Mg[OH]), которые при определенных давлениях и температурах могут скользить относительно друг друга (как в графите), снижая тем самым фрикционность минерала.
Особо следует подчеркнуть, что хризотил из магматических пород (как в патенте РФ №2169208) не пригоден для этой цели, поскольку, как отмечалось выше, он всегда содержит высокоабразивную примесь шпинелидов, полностью отделить которую от серпентина практически невозможно.
Высокие абразивные свойства хризотила из магматических пород были подтверждены авторами заявляемого изобретения в процессе исследования вкладыша баббитового подшипника судового дизеля. После применения серпентина - хризотила из магматических пород, на поверхности подшипника были выявлены многочисленные глубокие борозды с зернами шпинелида.
Хризотил, образующийся исключительно по карбонатным породам (карбонатам магния), не содержит абразивных примесей и является оптимальной основой состава для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, выполняя в составе функцию структурообразователя сервовитных пленок. При температурах выше 700-750°С такой хризотил теряет воду, превращаясь в хрупкую смесь оливина и ортопироксена (метасиликат), в связи с чем для стабильности диапазона влагосодержания образующихся сервовитных пленок в состав введен вспученный вермикулит, который может как поглощать, так и отдавать воду при температурах выше 900°С.
Одновременно обезвоженный вермикулит как стабилизатор влаги, имея тонкопластинчатую структуру, позволяет связывать многослойную прочную сервовитную пленку.
Экспериментально установлено, что предлагаемый двухкомпонентный состав, состоящий из серпентина со структурой хризотила, образующегося по карбонатным породам (офикальцита), в количестве 85-99 мас.% и из вспученного вермикулита (обезвоженной прокаленной гидрослюды) в количестве 1-15 мас.%, обеспечивает образование на обрабатываемых металлических поверхностях многослойных сервовитных пленок, обладающих достаточно высокими эксплуатационными характеристиками: коррозионностойкостью, износостойкостью, механической прочностью.
При обработке механизмов, требующих очистки поверхностей, в заявляемый состав дополнительно вводят тальк-магнезитовую породу в количестве 5-10 мас.%.
При обработке сильно изношенных механизмов с большими зазорами в заявляемый состав дополнительно вводят природную смесь антигорита и пылевидного магнетита в количестве 5-10 мас.%.
Указанные частные случаи реализации изобретения позволяют расширить сферу его применения.
В общем случае дисперсность материала состава определяется износом механизмов и материалом поверхностей трения и может лежать в пределах 1-400 мкм. Так, на редукторах, где зазоры в зубьях шестерен могут быть от 1 до 3 мм, уместно применение составов с дисперсностью от 150 мкм и даже до 300-400 мкм (при 0,02 г/л смазки). Для обработки плунжерных пар топливных насосов высокого давления, подшипников зубопротезных турбин, прецизионной техники рекомендуемая дисперсность материала состава 1-5 мкм (при 0,1 г/л смазки).
Заявляемое количественное соотношение вспученного вермикулита и офикальцита в составе обосновано опытным путем.
Полученные на основе предлагаемого состава пленки были исследованы с использованием оптического электронного микроскопа высокого разрешения и рентгеновского микроанализатора 8100 в комплекте с электронным сканирующим микроскопом фирмы Джеол (Япония), позволяющими изучить микроморфологию поверхности с увеличением до 40000 раз и провести химический элементный анализ с разрешением 2-3 мкм. В результате было установлено значительное насыщение верхнего «мягкого» слоя металлического изделия частицами силиката магния, что обеспечивает его упрочнение.
Состав для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей готовят следующим образом.
Отбирают необходимое количество серпентина со структурой хризотила, образующегося по карбонатным породам (офикальцита), и вермикулита в естественных обнажениях и карьерах под контролем геолога-петролога или минералога для получения чистого природного материала и осуществляют сначала крупное (до 1-3 мм) дробление материала, например, на щековых и валковых дробилках, затем тонкое (до 0,05 мм) истирание материала, например, на дисковых истирателях с керамическими дисками.
Вермикулит перед дроблением и измельчением подвергают прокаливанию при температуре 800-1000°С для получения вспученного материала или используют готовый вспученный вермикулит.
Измельченный материал рассеивают в керосине с получением фракции более 50 мкм и отмучивают материал в воде для получения фракций 0,1-50 мкм. Затем смесь гомогенизируют механическим путем и вводят готовый состав в жидкий смазочный материал, например, методом ультразвукового диспергирования.
Полученную суспензию дозируют и вводят в рабочую часть механизма. Приработка механизма составляет не менее 50 часов.
В процессе приработки механизмов на плоскостях трения формируются насыщенные частицами силиката магния сервовитные пленки (слоистые серпентин-вермикулитовые износостойкие покрытия), компенсирующие выработку поверхностей и обладающие износостойкостью, коррозионной стойкостью, достаточной прочностью и пониженным коэффициентом трения.
Предлагаемый состав может быть использован для восстановления изношенных металлических поверхностей деталей трения-скольжения на основе черных и цветных металлов, для обработки новых механизмов на стадии их производства и обкатки, а также для поддержания на должном уровне технического состояния эксплуатируемых механизмов.
В результате обработки металлической поверхности предлагаемым составом для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей улучшаются эксплуатационные показатели механизмов, повышается надежность их работы и, соответственно, увеличиваются межремонтные сроки.
Следовательно, заявляемое изобретение обеспечивает получение технического результата, заключающегося в оптимизации состава за счет сокращения числа его компонентов, обеспечивающего образование на обрабатываемых металлических поверхностях сервовитных пленок с достаточно высокими эксплуатационными свойствами, а также в расширении ассортимента средств указанного назначения и сферы их применения.
При этом компоненты предлагаемого состава представляют собой недорогие, доступные и широко распространенные природные материалы, что дополнительно улучшает экономические показатели заявляемого изобретения.
Испытания предлагаемых триботехнических композиций проводились в реальных условиях на судовых, тепловозных и автомобильных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Результаты испытаний разработанных конкретных составов для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей приведены в примерах 1-4.
Пример 1. Механической службой буксира «Капитан Лашкаревич» ЗАО «Римско» (г.Владивосток) в течение 66 суток проводился ремонт вспомогательного дизель-генератора №1 марки 266/Е52 «Андория» (4Ч10,5/13) путем неоднократного введения смазочного материала, содержащего офикальцит и вспученный вермикулит, в систему масла двигателя через каждые 50 моточасов работы ДВС. В таблице 1 приведены примеры использованных составов на отдельных стадиях обработки с показателями дисперсности взятых материалов и количественного соотношения офикальцита и вспученного вермикулита.
Таблица 1
№ п/п
Вермикулит
Офикальцит
Дисперсность, мкм
Мас.%
Дисперсность, мкм
Мас.%
1
1
1
3-5
99
2
1-3
3
3-5
97
3
3
5
3-5
95
4
3
3
3-5
97
5
3
10
3-5
90
с
с
с
2
Давление сжатия (Р) перед ремонтом по цилиндрам 1-4 составляет: 1-12,0 кг/см; 2 - 11,5; 3 - 12,0; 4 - 10. Р после 120 часов эксплуатации составляет: 1 - 20,0; 2 - 20,0; 3 - 20,0; 4 - 20,0. Р после 221 часа эксплуатации соответственно составляет: 1 - 22,0; 2 - 21,0; 3 - 22,0; 4 - 21,0.
В результате обработки улучшены термодинамические характеристики работы дизеля-генератора. Увеличение компрессии в цилиндрах составило 83-110%. Посторонние шумы при работающем двигателе не наблюдались. Теплотехнический анализ масла после наработки 221 час в лаборатории ЗАО «Римско» показал, что браковочные показатели соответствуют маслу, пригодному для дальнейшего использования.
Пример 2. ЗАО «Наум» (г.Владивосток) в течение 54 суток проводился ремонт вспомогательного дизель-генератора №3 марки 6Е524 «Wartsila» ледокола «Магадан» путем неоднократного введения смазочного материала, содержащего офикальцит и вспученный вермикулит, в систему масла двигателя с интервалом 72 моточаса. В таблице 2 приведены примеры использованных составов на отдельных стадиях обработки с показателями дисперсности взятых офикальцита и вспученного вермикулита и их количественного соотношения.
Таблица 2
№
Вермикулит
Офикальцит
п/п
Дисперсность, мкм
Мас.%
Дисперсность, мкм
Мас.%
1
1
10
1-5
90
2
3
5
5-7
95
3
3
3
1-5
97
4
3
10
3-5
90
5
3
5
3-5
95
с
м
с
м
2
2
Параметры двигателя до ремонта: Р по цилиндрам - 1 - 22; 2 - 21; 3 - 23; 4 - 24; 5 - 22; 6 - 21. Давление масла (Р) при Т 70-75°С - 2 кг/см. После 9-кратного ввода триботехнического состава - смазочного материала, содержащего офикальцит и вспученный вермикулит, в количестве 240 г и испытаний на холостом ходу и при нагрузке 230 кВт через 900 часов отработки получены следующие параметры: Р - 1 - 37; 2 - 27; 3 - 38; 4 - 36; 5 - 38; 6 - 38. Р - 2,7 кг/см. Полученные параметры соответствуют требованиям завода-изготовителя «Wartsila», предъявляемым к новым двигателям.
Пример 3. Специализированным автохозяйством г.Владивостока в течение 35 суток проводился ремонт двигателя ЗМ3-53, ГА3-53А с 85%-ным износом кривошипно-шатунного механизма и 90%-ным износом цилиндропоршневой группы путем 5-кратного введения через примерно равные промежутки времени смазочного материала, содержащего офикальцит и вспученный вермикулит, в систему масла двигателя.
с
т
м
Пробег автомобиля составлял 385000 км. Параметры двигателя до ремонта: Р - 1 - 5; 2 - 6; 3 - 6; 4 - 5; 5 - 5; 6 - 5; 7 - 6; 8 - 6. Расход топлива (Q) - 32 л/100 км. Расход масла (Q) - 2,5 л/1000 км.
В таблице 3 приведены использованные на стадиях обработки двигателя составы с показателями дисперсности взятых офикальцита и вспученного вермикулита и их количественного соотношения.
Таблица 3
№
Вермикулит
Офикальцит
п/п
Дисперсность, мкм
Мас.%
Дисперсность, мкм
Мас.%
1
1
15
1-3
85
2
3
10
1-5
90
3
5
5
5-7
95
4
3
10
1-5
90
5
1
10
3-5
90
с
Параметры через 1000 км пробега: Р - 1 - 9,5; 2 - 9; 3 - 9; 4 - 8,5; 5 - 8,2; 6 - 9; 7 - 10,5; 8 - 10,2.
т
м
Q - 28 л/100 км. Q - 1 л/100 км. После пробега 55000 км двигатель был вскрыт и установлено:
1. Шатунные, коренные шейки и вкладыши имеют зеркально-прозрачный Mg-Si слой 0,1 мм по всей выработанной поверхности до 0,2 мм по зоне активного износа.
2. Коленчатый вал имеет такой же слой 0,1 мм по всей выработанной поверхности, по зоне активного износа видны закрытые керамикой риски и наклеп, устраняющий эллиптичность шеек.
3. На гильзах слой сформирован до верхней мертвой точки (полностью), на торцах и плоскостях поршневых колец площадь его составляет 95-100%.
3
с
т
м
с
т
м
Пример 4. Смазочный материал, содержащий, мас.%: офикальцит 90 и вспученный вермикулит 10, был введен в маслосистему двигателя 4Д56 а/м «Мицубиси-Делика» 1988 г. выпуска, 2500 см. Пробег - 220000 км. Параметры двигателя 4Д56 после работы в течение одного месяца: Р - 1 - 24,0; 2 - 22,0; 3 - 23,0; 4 - 25,0. Q - 15 л/100 км. Q - 500 л/1000 км. Параметры после пробега 2000 км: Р - 1 - 30; 2 - 31; 3 - 32; 4 - 33. Q - 12 л/100 км. G - 100 мл/1000 км.