Состав для повышения износостойкости узлов трения

Использование: в качестве добавки на основе природных минералов к смазочному маслу двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств, к дизельному топливу или в качестве твердосмазочных материалов. Сущность: композиция содержит в масс.%: серпентин (лизардит и хризотил) - 87-92, хлорит - 3-5, магнетит - 2-3, доломит - 0,5-1, амфибол - 1,5-2, амакинит - 1-2. Технический результат - снижение износа узлов трения в 3-4 раза, потерь на трение в 2-3 раза. 3 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к составам смазочных материалов для узлов трения из сплавов на основе железа, может быть использовано в качестве добавки к смазочным маслам двигателей внутреннего сгорания, механизмов, устройств, к дизельному топливу или в качестве твердосмазочных материалов и может найти применение в автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании судов, оборудовании горно-обогатительных комбинатов, в насосном оборудовании газо- и нефтепроводов и т.п.

Известны металлоплакирующие смазочные материалы (1 - Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безысносность. М.: Изд-во МСХА, 2001 г., 616 с.), принцип действия которых состоит в формировании на участках фактического контакта защитных пленок на основе мягких металлов Сu, Sn, Pb, Zn, Mo и других, которые уменьшают силовое воздействие и интенсивность изнашивания сопряженных поверхностей.

По фазовому признаку металлоплакирующие смазочные материалы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Первые в качестве присадок содержат растворимые в базовой смазочной среде соединения металлов, вторые - содержат металл или его окислы в виде порошков. Однако эти материалы обладают рядом недостатков (зависимость эффективности формирования пленки от концентрации металлов в среде, низкая устойчивость дисперсий металлических порошков, высокая степень чистоты порошков и другие), из-за которых их применение ограничивается главным образом пластичными смазками для определенных узлов трения.

В последние годы появился ряд технических решений (2 - Патент РФ №2043393, 3 - Патент РФ №2127299, 4 - Патент РФ №2131451), согласно которым в качестве наполнителя твердосмазочных композиций используются слоистые природные гидросиликаты: серпентинит, тальк, серпентин, нефрит и другие. Наличие порошка указанных соединений в смазочной композиции при определенных условиях ее приготовления, введения между трущимися поверхностями и их приработки приводит к образованию на трущихся металлических поверхностях так называемой сервовитной пленки, существенно уменьшающей их износ.

Прочностные и антифрикционные характеристики сервовитной пленки зависят в частности от условия изготовления, состава композиции, приработки после введения ее между поверхностями трения, от состояния последних и т.п.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототип) является состав повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации (5 - патент РФ №2176267), содержащий, масс.%:

Смазочное масло - 91,0-91,4

Серпентин (лизардит и хризотил) - 5,0-7,0

Пироксен - 1,0-1,4

Магнетит - 0,6-1,0

Доломит - 0,2-0,4

Для того чтобы состав (геомодификатор трения) имел пониженное содержание крупных твердых частиц магнетита после механоактивации (дробления и измельчения) минерала, крупные частицы магнетита удаляются из порошка методом магнитной селекции в водной или масляной среде.

Недостатком данного решения является опасность значительного абразивного изнашивания особенно в начальный период приработки узлов трения после введения вышеуказанного твердосмазачного покрытия, так как содержание твердых компонент, хотя и уменьшается за счет магнитной селекции, но все же довольно велика в наполнителе, в масс.%:

Магнетит - 9-13

Пироксен - 8-11

твердость которых превышает твердость остальных компонентов в 2-3 раза и сравнима с твердостью материала поверхностей трения.

Эти особенности вынуждают использовать антифрикционный состав в течение непродолжительного времени. Следует отметить, что время формирования сервовитной пленки для различных узлов трения и различных режимов эксплуатации так же различно и рассчитать его практически невозможно и стало быть задача повышения прочности и долговечности сервовитной пленки, а следовательно, и задача уменьшения износа трущихся металлических поверхностей по-прежнему сохраняет актуальность.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости узлов трения при эксплуатации в штатных материалах, в дизельном топливе или в качестве твердосмазочных материалов с использованием природных материалов на основе серпентина.

Технический результат достигается тем, что противоизносный антифрикционный (ПИАФ) состав содержит минимальное количество компонент с твердостью, в 2-3 раза превышающей твердость основной компоненты серпентина (лизардита и хризотила), а также дополнительно содержит амфибол, хлорит и амакинит. Наличие амфибола, хлорита и амакинита способствуют ускоренному образованию сервовитной пленки и ее длительному сохранению.

Избирательный перенос - это особый вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта тонкой неокисляющейся пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной наклепываться. Введением в смазочный материал противоизносного антифрикционного (ПИАФ) состава реализует эффект безызносности, который проявляется в том, что на трущихся поверхностях деталей в процессе работы узлов трения формируется сервовитная пленка из введенных в смазку материалов. Это

вещество не уносится из зоны трения, а лишь поступает туда и удерживается там, то есть обладает свойствами сохранности. Сервовитная пленка исключает взаимодействие шероховатостей поверхностей, а электрический заряд частиц износа возвращает частицы в зону контактного взаимодействия поверхностей. Толщина пленки достигает 1-4 мкм, что соответствует размерам неровностей (или перекрывает их) большинства деталей общего машиностроения.

Образование сервовитной пленки в процессе трения обусловлено его созидательным характером, определенным интенсивностью обмена узла трения с внешней средой энергией и веществом, а также коллективным поведением ионов активированного материала. Свойства сервовитной пленки, образующейся в процессе трения, иные, чем у исходного материала. Пленка имеет рыхлую структуру, пориста (1), в ней почти отсутствуют дислокации и имеется много вакансий.

На этой сервовитной пленке образуется в свою очередь еще дополнительная полимерная пленка - серфинг-пленка, состоящая из металлоорганических соединений и которая создает дополнительный антифрикционный слой. Эти пленки (серфинг-пленки) образуются в результате взаимодействия лигандов (активных молекул) смазочного материала и сервовитной пленки.

Следует отметить, что при обычном трении детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01-0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате чего участки фактического контакта испытывают весьма высокие напряжения, что приводит их к взаимному внедрению, пластической деформации и, следовательно, к интенсивному изнашиванию. Если при граничном трении контакт сопряженных поверхностей происходит только в отдельных точках, то при избирательном переносе осуществляется через сервовитную пленку. В результате чего площадь фактического контакта возрастает в десятки раз. При таком трении площадки контакта плоские и трение происходит без ударов шероховатости - оно непрерывно.

Снижение количества частиц с высокой твердостью (магнетита, пироксена) получается за счет того, что после механоактивации (дробление и измельчение) минерала (размер частиц 0,1-0,2 мм) частицы магнетита и пироксена удаляются из смеси электромагнитной и термоакустической селекцией. Затем оставшаяся часть механически домалывается в шаровой или роторной мельнице, в результате получается тонкодисперсный порошок (размер частиц до 10 мкм) с фазовым составом, приведенным в таблице 1. Предлагаемый состав добавляется в штатное смазочное масло двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств в количестве 0,001-0,05 мас.%.

Табл.1
Фазовый состав порошка
Выявленная фаза	Химическая формула	Содержание, %
Серпентин (лизардит и хризотил)	Mg6[Si4O10](OH)8	87-92
Магнетит	Fе3O4	2-3
Хлорит	(MgAlFe)2[(Si,Al)8O20](OH)16	3-5
Амакинит	(Mg,Fe)(OH)2	1-2
Амфибол	Ca2(Mg,Fe)5(Si,Al)8O22(OH)6	1,5-2
Доломит	CaMg(CO3)2	0,5-1,0

Для оценки эффективности противоизносного антифрикционного состава проведены сравнительные испытания. Триботехнические испытания различных составов проводились на машине трения ИИ 5018 методом сравнения в режиме диск (Cт30, d=50 мм, В=12 мм), по пластине (Ст30, В=10 мм, Н=8 мм, L=20 мм). Режим работы:

- n=1600 об/мин (v=4,19 м/с), нагрузка Р=200 Н;

- n=700 об/мин (v=l,83 м/с), нагрузка Р=400 Н.

Коэффициент трения определялся по моменту сопротивления трения. Износ образца (подвижного диска) определялся по потере веса, определенной взвешиванием до и после испытания на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Продолжительность испытаний одного состава 30 тыс. циклов. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Табл.2.
Антифрикционные и противоизносные характеристики
Режим (м/с/Н)	4/19/200	1,83/400
Смазка	Износ образца, мг	Коэфф. трения	Износ образца, мг	Коэфф. трения
МС-20+4% ГМТ	1,90	0,040	5,2	0,050
МС-20+0,001% ПИАФ	1,30	0,018	2,6	0,022
МС-20+0,01% ПИАФ	1,35	0,016	2,5	0,028
МС-20+0,05% ПИАФ	1,40	0,020	2,7	0,031

Сравнительные испытания показывают преимущества предлагаемого ПИАФ состава по сравнению с известными добавками в смазочное масло по антифрикционным и противоизносным свойствам, а также по количеству используемого состава (0,001-0,05 вес.% по сравнению с известным - 7-9 мас.%).

Предлагаемый ПИАФ состав позволяет не только повысить износостойкость узлов трения, но эффект безысносного трения с образованием сервовитной пленки, имеющей толщину, соразмерную с величиной износа деталей в процессе работы, позволяет также использовать этот состав для восстановления компрессии двигателей внутреннего сгорания без их разборки, что подтверждается следующими примерами.

Предлагаемый состав, содержащий 90% серпентина, 3% хлорита, 2,5% магнетита, 1% доломита, 1,5% амфибола и 2% амакинита с маслом И20 в качестве органического связующего, был введен в штатную смазку двигателей внутреннего сгорания автомобилей, из расчета 0,004 г состава на 100 г штатной смазки. Результаты приведены в таблице 3.

Табл.3
Результаты по безразборному восстановлению двигателей автомобилей
Марка автотранспорта,	Пробег, км	Компрессия по цилиндрам
до ремонта	после ремонта
		1	2	3	4	1	2	3	4
ГАЗ-2412 “Волга”	58554	5,8	6,0	6,4	7,0	8,2	8,2	8,2	8,2
ГАЗ-3110 “Волга”	145 890	7,5	7,6	7,0	7,3	8,1	8,1	8,1	8,1
ГАЗ-20 “Победа”	123 586	3,5	4,2	5,3	6,0	7,0	7,0	7,0	7,0
Москвич 214123	113626	9,5	8,5	7,5	9,0	9,5	9,5	9,5	9,5
Москвич 214123	82526	9,6	10	9,8	9,8	11	11	11	11,5
ГАЗель	36396	8,7	10	10	10,2	10	10	10	10,6
*- Расход топлива, масла и уровень СО из повышенного переходил после обработки в норму.

Использование предлагаемого состава в двигателях, механизмах и устройствах позволяет снизить износ узлов трения в 3-4 раза, уменьшить потери на трение в 2-3 раза, осуществить восстановление компрессии в ДВС без их разборки.

Источники информации

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безысносность. М.: Изд-во МСХА, 2001 г., 616 с.

2. Патент РФ №2043393, С 10 М 125/04, Бюлл. №25 от 10.09.95.

3. Патент РФ №2127299, С 10 М 125/10, Бюлл. №7 от 10.03.99.

4. Патент РФ №2131451, С 10 М 125/26, Бюлл. №16 от 10.06.99.

5. Патент РФ №2176267, С 10 М 125/26, Бюлл. №33 от 27.11.2001.

Состав для повышения износостойкости узлов трения, содержащий смазочное масло и измельченный природный материал с дисперсностью до 10 мкм, отличающийся тем, что содержит минерал при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Серпентин (лизардит и хризотил) 87-92

Хлорит 3-5

Магнетит 2-3

Доломит 0,5-1

Амфибол 1,5-2

Амакинит 1-2