Способ восстановления металлических поверхностей

Способ предназначен для восстановления изношенных металлических поверхностей в парах трения, в частности позволяет повысить надежность и долговечность двигателей внутреннего сгорания, а именно их цилиндропоршневой группы. Способ включает в себя нанесение на изношенные металлические поверхности смазочного материала и приведение механизма в рабочее состояние. Смазочный материал содержит металлоорганические соединения, а именно смесь медных, никелевых и кадмиевых солей карбоновых кислот с числом атомов углерода n=2-8. Смесь солей берут в количестве, обеспечивающем следующие концентрации металлов в смазочном материале, г/л: медь не менее 0,5; никель не менее 0,5, кадмий не менее 0,01, и вводят в смазочный материал в виде раствора в липофильном органическом растворителе. Технический результат - формирование долговременных износостойких термостабильных покрытий на металлической поверхности деталей и узлов машин и механизмов в парах трения. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам восстановления изношенных металлических поверхностей в парах трения, и обеспечивает решение проблемы сохранения на должном уровне эксплуатационных характеристик машин и механизмов, побывавших в использовании, в частности позволяет повысить надежность и долговечность двигателей внутреннего сгорания, а именно их цилиндропоршневой группы.

В настоящее время известен ряд способов восстановления металлических поверхностей, включая химическое осаждение паров, в том числе металлоорганических соединений, напыление металлоорганических соединений в магнитном поле, обеспечивающих хорошие результаты, однако обязательно требующих разборки изношенного узла. Известны также безразборочные способы с использованием смазочных композиций, содержащих в своем составе металлоорганические добавки, которые наряду с замедлением коррозии, очисткой загрязнения обеспечивают также снижение износа трущихся металлических поверхностей в различных механизмах. Однако присутствие металлоорганических добавок в известных способах способствует снижению износа при работе механизма за счет увеличения тем или иным образом эффективности смазки, но не позволяет восстановить изношенную поверхность и устранить образовавшиеся неровности и дефекты.

Известен способ безразборочного восстановления сопряжения деталей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания с помощью металлических износостойких пленок, снижающих потери на трение и восстанавливающих утраченные в процессе эксплуатации характеристики, получаемых путем подачи в систему питания работающего на холостом ходу двигателя технологической среды на основе глицерина, содержащей хлорную медь, двухлористое олово, формалин, а также мочевину, мочевиноформальдегидную смолу и нитрит натрия, в виде аэрозоля под давлением 2-3 атм [пат. РФ №2015379, опубл. 30.06.94 г.]. Недостатки известного способа заключаются в том, что он дает лишь кратковременный эффект выравнивания изношенной поверхности металла, например, в период обкатки двигателя и не позволяет получить долговременного износоустойчивого покрытия, поскольку используемая для его осуществления технологическая среда в указанных условиях не обеспечивает образования свободных металлов. К тому же указанная технологическая среда представляет собой суспензию, что затрудняет ее использование в виде аэрозоля.

Наиболее близким к заявляемому является способ создания защитного покрытия на поверхности двух соприкасающихся между собой движущихся металлических частей, описанный в патенте США №5385683 (опубликован 31.01.95), который включает добавление жидких маслорастворимых висмут- и оловоорганических соединений в количестве 1-10% в смазочный материал, наносимый на соприкасающиеся подвижные металлические части механизма, преимущественно двигателя внутреннего сгорания, и приведение механизма в рабочее состояние. При работе механизма (например, двигателя внутреннего сгорания) под воздействием давления, возникающего в результате трения, и сопутствующей давлению высокой температуры металлоорганические соединения диссоциируют, при этом атомы олова и висмута образуют на поверхности металлических частей покрытие, снижающее трение и износ указанной поверхности в процессе дальнейшей работы.

Недостатки известного способа заключаются в том, что образующееся на поверхности металла покрытие, содержащее олово и висмут, не способно обеспечить долговременную защиту указанной поверхности. Восстановления изношенной поверхности как такового не происходит, поскольку образующееся покрытие является нестабильным; оно находится в постоянной динамике, которая определяется температурой. При работе механизма вследствие трения происходит частичное удаление частиц покрытия с поверхности металла, поскольку оно является очень мягким. Вдобавок, сплав олово-висмут, предположительно образующийся в составе покрытия, обладает обратным коэффициентом температурного расширения, то есть, несмотря на его пластичность, при снижении температуры он теряет связь с покрываемой поверхностью. Возросшее трение вызывает повышение температуры, которое приводит к диссоциации находящихся в составе смазки олово- и висмуторганических соединений с осаждением очередной порции олова и висмута на поверхности. Поскольку рекомбинации атомов олова и висмута, удаленных с поверхности детали, с органической частью молекулы не происходит, то частицы металла в итоге оседают на дно картера, что ведет к необходимости постоянного возмещения расхода металлоорганических соединений в составе смазочного материала. Указанная не технологичность используемых в известном способе металлоорганических соединений наряду с очень высокой стоимостью их органических оставляющих (дибутилолово) в значительной мере усложняет и удорожает этот способ.

Технической задачей заявляемого технического решения является обеспечение восстановления изношенной металлической поверхности в парах трения машин и механизмов и создание долговременного прочного износостойкого покрытия, а также упрощение и снижение стоимости способа за счет использования доступных и сравнительно дешевых органических соединений.

Поставленная техническая задача решается способом восстановления металлических поверхностей в парах трения механизмов, включающим нанесение на указанные металлические поверхности смазочного материала, содержащего смесь маслорастворимых металлоорганических соединений, и приведение механизма в рабочее состояние, при этом указанные соединения представляют собой медные, никелевые и кадмиевые соли карбоновых кислот с числом атомов углерода n=2-8, вводимые в смазочный материал в виде раствора указанной смеси солей в липофильном органическом растворителе в количествах, обеспечивающих присутствие в смазочном материале меди, никеля и кадмия в следующих концентрациях, г/л:

медь не менее 0,5

никель не менее 0,5

кадмий не менее 0,01

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят смесь металлоорганических соединений: медных, никелевых и кадмиевых солей карбоновых кислот с числом атомов углерода от 2 до 8 включительно. При этом для введения каждого металла в смазочный материал могут быть использованы: 1) соль одной кислоты; 2) смесь солей различных кислот; 3) смешанная (по аниону) соль либо смесь таковых. Количество каждой соли в смеси определяется соотношением Cu:Ni:Cd=50:50:1 (по весу). Заранее определенное количество этой смеси твердых солей растворяют в одном из известных липофильных органических растворителей, например в этоксиэтаноле, бутаноле, нефрасе. В смазочный материал вносят полученную жидкую композицию из расчета, обеспечивающего присутствие (в пересчете на металл) меди не менее 0,5 г/л, никеля не менее 0,5 г/л и кадмия не менее 0,01 г/л смазочного материала.

После соответствующей очистки одним из известных способов изношенной металлической поверхности, подлежащей восстановлению, на поверхность наносят смазочный материал, содержащий расчетное количество указанной жидкой композиции, включающей смесь металлоорганических соединений, и приводят механизм в действие.

При этом вследствие трения имеет место значительное повышение температуры в местах контакта двух металлических поверхностей, в особенности при наличии неровностей в местах износа. Присутствующие в смазочном материале металлоорганические соединения в условиях достаточно высокой локальной температуры диссоциируют, высвобождая атомы меди, никеля и кадмия. Высвободившиеся атомы металла, оседая на изношенной металлической поверхности, заполняют ее неровности. По мере высвобождения определенного количества атомов металла из металлоорганических соединений и устранения неровностей изношенной поверхности трение вблизи указанной поверхности снижается, что приводит к понижению локальной температуры. Вследствие этого диссоциация металлоорганических соединений практически прекращается.

Образовавшееся медно-никель-кадмиевое покрытие обладает высокой прочностью и износоустойчивостью, имеет высокую адгезию к поверхности и является в отличие от известного покрытия долговременным и термостабильным.

В случае обработки двигателя внутреннего сгорания с целью восстановления, в частности изношенной поверхности зеркала цилиндра, поршневых колец и канавок под ними, в соответствии с заявляемым способом, желательной является предварительная очистка двигателя от отложений и нагара одним из известных безраборных способов, например путем добавления одного из известных очищающих агентов в отработанное масло, эксплуатации двигателя в соответствующем режиме и последующего использования промывочного масла.

После очистки осуществляют смену масла. Добавляют в новое масло подготовленную жидкую композицию в расчетном количестве. Количество добавляемой композиции определяется типом двигателя и предполагаемой степенью его изношенности.

Далее двигатель эксплуатируют в обычном дорожном режиме. Образование медно-никель-кадмиевого покрытия на изношенной поверхности и устранение ее неровностей и дефектов в основном завершается после 200-300 км пробега автомобиля. В некоторых случаях для завершения процесса требуется больший пробег (до 500 км), что определяется степенью изношенности восстанавливаемой поверхности.

За счет восстановления изношенных поверхностей зеркала цилиндра, поршневых колец и канавок под ними, т.е. практического устранения всех неровностей этих поверхностей, улучшается герметичность рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, что, соответственно, должно проявиться в повышении компрессии и прекращении протечки масла в рабочий объем цилиндров. Повышение измеряемых значений компрессии рабочих цилиндров двигателя и прекращение угара масла свидетельствуют о достижении указанного эффекта, при этом последний сохраняется и в отсутствие металлоорганической композиции в масле, т.е. после смены масла, по крайней мере, двукратной. Таким образом, эффект восстановления изношенной поверхности, обеспечиваемый заявляемым способом, является долговременным. Он сохраняется в течение не менее 15-18 тыс. км пробега автомобиля.

Преимущественное использование медных, никелевых и кадмиевых солей таких карбоновых кислот, как уксусная и/или триметилуксусная, и/или фенилуксусная, и/или валериановая, и/или масляная, и/или пропионовая, и/или капроновая, и/или каприловая, наилучшим образом обеспечивает достижение поставленной задачи, поскольку диссоциация этих солей в условиях применения способа протекает успешнее и быстрее приводит к образованию необходимого количества свободных металлов.

Температура диссоциации выбранных металлоорганических соединений находится в интервале 125-140°С. Они являются инертными, сохраняют свою стабильность в нефтяном смазочном материале и не взаимодействуют с другими добавками в составе этого материала. Их добавление в смазочный материал, например в моторное масло, не влияет на его вязкость и другие свойства. Эти соединения не являются токсичными, не вызывают коррозии механизмов, подлежащих обработке. Оставшаяся после диссоциации органическая часть молекулы рекомбинирует с имеющимися в смазочном материале ионами водорода и кислорода. Образующиеся в незначительном количестве углеводороды с короткой цепью (C₈-С₁₀) просто испаряются.

В известном способе, в отличие от заявляемого, герметичность рабочих цилиндров обеспечивается, в основном, за счет образования так называемого “масляного клина”, то есть только за счет присутствия жидкой смазки с добавкой металлоорганических солей между стенками рабочего цилиндра и “залегшими” компрессионными и маслосъемными кольцами.

В заявляемом способе обеспечивается восстановление изношенной поверхности и за счет ликвидации имеющихся неровностей повышается герметичность цилиндров, улучшается прилегание поршневых, в том числе маслосъемных, колец, и, вдобавок, снижается трение, что соответствует повышению эффективности смазочных веществ.

Способ может быть успешно использован для восстановления изношенных поверхностей в парах трения любых деталей различных машин и механизмов: двигателей, трансмиссий, дифференциалов, подшипников и т.д. Жидкая композиция, представляющая собой раствор металлоорганических соединений в липофильном органическом растворителе, в соответствии с заявляемым способом может быть внесена в соответствующем количестве в любой нефтяной смазочный материал: моторное масло, трансмиссионное масло, турбинное масло, смазку различного назначения.

Предлагаемый способ является простым и эффективным. Расход используемых металлоорганических соединений незначителен. Используемые соединения доступны и сравнительно недороги.

Таким образом, технический результат способа заключается в формировании долговременных износостойких термостабильных покрытий на металлической поверхности деталей и узлов машин и механизмов в парах трения.

Примеры конкретного осуществления способа

Примерами, иллюстрирующими работу заявляемого способа, служат примеры обработки двигателя внутреннего сгорания с изношенными поверхностями зеркала цилиндра, поршневых колец и канавок под ними, обеспечивающей восстановление указанных поверхностей. Подтверждением достижения эффекта восстановления указанных поверхностей служит повышение компрессии рабочих цилиндров двигателя и снижение расхода (угара) масла на 1000 км пробега автомобиля.

Пример 1.

Автомобиль "Toyota Carina" 1991 г. выпуска, двигатель 3Е (бензиновый, карбюраторный), пробег по спидометру 158363 км.

Первоначальный замер значения компрессии по цилиндрам: 1 ц. - 13,5 кг/см², 2 ц. - 13,0 кг/см², 3 ц. - 13,5 кг/см², 4 ц. - 13,5 кг/см². Расход масла на 1000 км пробега - 300 мл.

Готовят смесь 105,0 г медной соли триметилуксусной кислоты, 110,5 г никелевой соли триметилуксусной кислоты и 1,4 г кадмиевой соли триметилуксусной кислоты. Полученную смесь солей растворяют при комнатной температуре в 1000 мл этоксиэтанола. Полученную жидкую композицию вносят в моторное масло марки Shell 10W30 из расчета 20 мл композиции на 1 л масла.

Двигатель очищают путем добавления в масляную систему двигателя одного из известных очищающих агентов и эксплуатации двигателя в соответствующем режиме. После удаления отработанного масла в маслоприемное отверстие заливают масло с добавкой приготовленной жидкой композиции и эксплуатируют автомобиль в дорожном режиме.

После 250 км пробега повторно замеряют значение компрессии. Полученные результаты: 1 ц. - 15,4 кг/см², 2 ц. - 15,3 кг/см², 3 ц. - 15,4 кг/см², 4 ц. - 15,3 кг/см².

После 1000 км пробега осуществляют контрольный замер компрессии и подсчет расхода масла. Полученные результаты: 1 ц. - 15,4 кг/см², 2 ц. - 15,3 кг/см², 3 ц. - 15,4 кг/см², 4 ц. - 15,3 кг/см². Расход масла на 1000 км пробега - 0 мл.

После 1500 км пробега осуществляют вторичный контрольный замер компрессии и подсчет расхода масла на 1000 км пробега (в пересчете). Полученные результаты совпадают с результатами первого контрольного замера.

Последующие замеры (после каждых 5000 км пробега, соответствующих срокам очередной замены масла) показывают, что полученный эффект сохраняется в течение не менее 15-16 тыс. км пробега автомобиля (проверка более отдаленных результатов не входила в программу исследований), что подтверждает факт долговременного восстановления поверхности зеркала цилиндра, поршневых колец и канавок под ними.

Пример 2.

Автомобиль "Nissan-Ade" 1993 г. выпуска, двигатель CD (дизельный), пробег по спидометру 130499 км. Первоначальный замер значения компрессии по цилиндрам: 1 ц. - 25,5 кг/см², 2 ц. - 25,0 кг/см², 3 ц. - 27,0 кг/см², 4 ц. - 25,5 кг/см².

Готовят смесь 99,5 г соли меди с анионами триметилуксусной и валериановой кислот, 110,5 г соли никеля с анионами триметилуксусной и масляной кислот и 1,4 г соли кадмия с анионами триметилуксусной и валериановой кислот. Далее готовят раствор указанной смеси солей аналогично примеру 1. Полученную жидкую композицию вносят в моторное масло марки Shell 10W30 из расчета 30 мл композиции на 1 л масла.

Далее обработку двигателя осуществляют в соответствии с примером 1.

После 300 км пробега повторно замеряют значение компрессии. Полученные результаты: 1 ц. - 26,0 кг/см², 2 ц. - 25,5 кг/см², 3 ц. - 27,0 кг/см², 4 ц. - 26,0 кг/см².

Далее контрольные замеры осуществляют в соответствии с примером 1. Дважды замеренный расход масла на 1000 км - 0 мл. Результаты, полученные в результате восстановления изношенных поверхностей зеркала цилиндра, поршневых колец и канавок под ними сохраняются в течение 15 тыс. км пробега автомобиля.

Пример 3

Автомобиль "Mitsubishi Pajero" 1992 г. выпуска, двигатель 4D-56 (дизельный), пробег по спидометру 70893 км. Первоначальный замер значения компрессии по цилиндрам: 1 ц. - 23,0 кг/см², 2 ц. - 27,0 кг/см², 3 ц. - 27,0 кг/см², 4 ц. - 28,0 кг/см². Расход масла на 1000 км пробега - 1000 мл.

Готовят смесь 39,0 г медной соли фенилуксусной и 24,0 г медной соли уксусной кислоты, 41,5 г никелевой соли фенилуксусной и 29,5 г никелевой соли уксусной кислоты, 0,55 г кадмиевой соли фенилуксусной и 0,4 г кадмиевой соли уксусной кислоты. Далее готовят раствор указанной смеси солей аналогично примеру 1. Полученную жидкую композицию вносят в моторное масло марки Zic DOHL/TURBO 7,5W30 из расчета 40 мл композиции на 1 л масла и осуществляют обработку двигателя в соответствии с примером 1.

После 300 км пробега повторно замеряют значение компрессии. Полученные результаты: 1 ц. - 25,5 кг/см², 2 ц. - 28.0 кг/см², 3 ц. - 28,0 кг/см², 4 ц. - 29,0 кг/см².

Далее контрольные замеры осуществляют в соответствии с примером 1. Расход масла на 1000 км пробега после обработки составляет 50 мл.

Результаты, полученные в результате восстановления изношенных поверхностей зеркала цилиндра, поршневых колец и канавок под ними сохраняются в течение не менее 17-18 тыс. км пробега автомобиля.

Расчет концентраций металлоорганических солей, вводимых в состав смазочного материала, не является единственно возможным, и приведенные примеры не являются исчерпывающими.

1. Способ восстановления металлических поверхностей в парах трения путем нанесения на указанные металлические поверхности смазочного материала, содержащего маслорастворимые металлоорганические соединения, и приведение механизма в рабочее состояние, отличающийся тем, что в качестве металлоорганических соединений используют смесь медных, никелевых и кадмиевых солей карбоновых кислот с числом атомов углерода n=2-8, взятую в количестве, обеспечивающем следующие концентрации металлов в смазочном материале, г/л:

Медь Не менее 0,5

Никель Не менее 0,5

Кадмий Не менее 0,01,

и вводимую в смазочный материал в виде раствора в липофильном органическом растворителе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве медных, никелевых и кадмиевых солей карбоновых кислот используют соли уксусной, и/или триметилуксусной, и/или фенилуксусной, и/или валериановой, и/или масляной, и/или пропионовой, и/или капроновой, и/или каприловой кислоты.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве липофильного растворителя используют этоксиэтанол, бутанол либо нефрас.