Способ формирования восстанавливающего антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов

Изобретение относится к машиностроению. Способ формирования антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов заключается в том, что между трущимися поверхностями помещают размельченную минеральную композицию, составляющую антифрикционное покрытие. В качестве связующего используют минеральное масло и/или консистентную смазку, например литол-24. Размельченная минеральная композиция представлена следующим соотношением компонентов, мас.%: Антигорита (Mg,Fe₂)₃Si₂O₅(OH)₄ - 20-50, Лизардита Mg₃Si₂O₅(OH)₄ - 20-40, Периклаза MgO - 1-25, Шунгита CaWO₄ - 1-7 и воды - 5-14. При этом размельченную минеральную композицию механоактивируют со связующим в соотношении 0.03 - 3%. После приработки размельченной минеральной композиции в течение 10-150 минут и образования пленки проводят ее стабилизацию в течение 12-60 часов для обеспечения набора прочности и получения максимального результата по восстановлению геометрии узлов. Технический результат: повышение долговечности, износостойкости и ресурса трущихся поверхностей узлов и механизмов с одновременным повышением срока хранения состава за счет создания на поверхностях трущихся деталей износостойкой пленки.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости деталей и узлов механизмов, а также в восстановлении геометрии пар трения.

Известен способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями предварительно размещают механоактивированную смесь природного серпентинита дисперсностью 0,001-1 мкм в количестве 2-4 мас.% (см. патент РФ №2006707 по кл F 16 С 33/14 от 1992).

Недостатком этого способа является низкое качество и недолговечность образуемого покрытия.

Известен также способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают предварительно механоактивированную смесь размельченного формирующего антифрикционное покрытие вещества со связующим, при этом в качестве такого вещества используют кроме природного серпентинита 0,15-0,35 мас.% мелкодисперсного порошка алмаза или шунгита и 4,8-6,7 мас.% металлосодержащей добавки в виде мелкодисперсных порошков металлов (хрома, никеля, молибдена, ниобия, титана, их сплавов), оксидов или галогенидов указанных металлов, 1,5-2,0 мас.% примесей (патент РФ 2168662, кл. F 16 С 33/14 от 2000).

Недостатком этого способа является неравномерная толщина получаемого антифрикционного покрытия, его нестабильность и недолговечность и пониженная восстанавливающая способность из-за введения для повышения твердости состава и снижения износа пленки добавок из порошков алмаза или шунгита.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сути и достигаемому эффекту является способ формирования антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями помещают размельченную минеральную композицию, составляющую антифрикционное покрытие, а в качестве связующего используется минеральное масло и/или консистентная смазка, например, литол-24 (см., например, патент РФ 2204623 по кл. С 23 С 24/02, С 23 С 26/00 от 2002).

К недостаткам этого способа следует отнести небольшой срок хранения, невысокую стабильность и недолговечность антифрикционного покрытия в широком диапазоне механических и температурных воздействий. Это не позволяет обеспечить необходимую износостойкость контактирующих трущихся поверхностей.

Задачей настоящего изобретения является повышение долговечности, износостойкости и ресурса трущихся поверхностей узлов и механизмов за счет создания на поверхностях трущихся деталей износостойкой пленки, которая появляется после введения в смазочные материалы (моторное, трансмиссионное, индустриальное масло либо консистентная смазка - литол-24) разработанного состава АПВС WL.

Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов, заключающемся в том, что между трущимися поверхностями помещают измельченную минеральную композицию, составляющую антифрикционное покрытие, а в качестве связующего используют минеральное масло и/или консистентную смазку, например, литол-24, в качестве синтетической модификации используют измельченную смесь минералов, состоящую из Антигорита (Mg,Fe₂)₃Si₂O₅(OH)₄ - 20-50, Лизардита Mg₃Si₂O₅(OH)₄ - 20-40, Шунгита - CaWO₄ - 1-7 и Периклаза - MgO - 1-25 и воды Н₂O - 5-14, затем ее механоактивируют со связующим в соотношении 0.03 - 3%, а после этого производят приработку синтетической модификации смеси минералов в течение 10-150 минут.

Поставленная задача достигается также тем, что после приработки смеси минералов и образования пленки осуществляют ее стабилизацию в течение 12-60 часов для обеспечения набора прочности и получения максимального результата по восстановлению геометрии узлов.

Общая химическая формула состава WL - Mg₆(Si₄O₁₀)(OH)₈. Спектральный анализ раскрыл содержание состава WL; SiO₂ - 37.7%; Al₂O₃ - 0.65%; Fe₂O₃ - 5.9%; СаО - 3.85%; MgO - 39.1%, TiO - 0.26%, MnO - 0.065, C - 0.8%, P₂O₅ - 0.012, Na₂O - 0.43%, K₂O - 0.091, H₂O - 12.15%. Основным составляющим, влияющим на повышение износостойкости состава WL являются силикаты магния (см. выше). Для повышения износостойкости и увеличения процента содержания магниевой составляющей в составе АПВС WL и предложен синтезированный минерал Периклаз (переплавленный магнезит MgO>90%). Также на повышение износостойкости эффективно влияют Fe₂O₃ содержания, которого в Антигорите значительно выше, чем в других минералах серпентинитовой группы. Пример нестабильного формирования вновь образованных пленок на прирабатываемых парах трения - график роста мощности и график экономии топлива ДВС в исследованиях Инженерного факультета Университета Айн Шамс, г.Каир, Египет. На основании анализа вышеуказанного графика видно, что после приработки WL на парах трения двигатель не остановлен, а продолжал работать на холостых оборотах и последующие 50 часов график роста мощности изменялся с 25% до 6%, после чего изменений не происходило все последующие 350 часов работы двигателя на стенде. Вывод напросился сам, что для сохранения максимальной мощности 25% необходимо остановить двигатель после приработки на время 12-60 часов, после чего продолжить работу двигателя. Период остановки двигателя после приработки автор изобретения назвал стабилизацией. Стабилизация позволяет получать максимальные и стабильно надежные результаты в короткие сроки за счет отсутствия эксплуатации ДВС в период нестабильной прочности вновь образованной пленки в парах трения в процессе приработки АПВС WL.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличий на достигаемый результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень".

Способ реализуют следующим образом.

Способ формирования антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов заключается в том, что между трущимися поверхностями помещают размельченную минеральную композицию, составляющую антифрикционное покрытие, а в качестве связующего используют минеральное масло и/или консистентную смазку, например, литол-24, при этом в качестве синтетической модификации используют (предлагаемый состав WL) измельченную смесь минералов со следующим соотношением компонентов, мас.%: Антигорита (Mg,Fe₂)₃Si₂O₅(OH)₄ - 20-50, Лизардита Mg₃Si₂O₅(OH)₄ - 20-40, Периклаза MgO - 1-25, Шунгита CaWO₄ - 1-7 и воды - 5-14, и механоактивируют ее со связующим в соотношении 0.03 - 3%, а после приработки смеси минералов и образования пленки проводят ее стабилизацию в течение 12-60 часов для обеспечения набора прочности и получения максимального результата по восстановлению геометрии узлов.

Антифрикционное и износостойкое покрытие изготавливают путем дробления, обогащения, размола и смешения (например, на щековых дробилках или в шаровых мельницах, сепараторах, дезинтеграторах и смесителях) на известном оборудовании разного типа. Для восстановления трущихся поверхностей узлов и механизмов мелкодисперсную смесь минералов перемешивают с носителем, обычно штатной смазкой, при этом вводят в штатную смазку из расчета 0.3-30 г состава на 1 кг смазки в зависимости от типа обрабатываемого механизма и прирабатывают при штатной нагрузке в рабочем режиме. Время приработки для восстановления оптимальной геометрии пар трения составляет от 10 до 150 минут.

Измельченная смесь минералов (предлагаемая композиция; состав WL) в процессе использования производит очистку и микрошлифование трущихся поверхностей, внедрение ее в эти поверхности происходит под действием контактного давления, при этом происходит распределение ее в приповерхностном слое с образованием твердых пленок, что обеспечивает восстановление формы и размеров трущихся поверхностей деталей и механизмов.

Использование предлагаемого состава (композиции), состоящего из природных и синтезированных минералов с узкими пределами содержания каждого из них, для обработки трущихся поверхностей обеспечивает снижение коэффициента трения и явный противозадирный эффект, а также образование на поверхности пар трения из предлагаемого состава высокопрочной пленки, что приводит к увеличению ресурса узлов и механизмов и в несколько раз повышает их износостойкость и долговечность. Кроме того, т.к. дисперсность состава колеблется в достаточно широких пределах от 0,01 до 40 мкм, он достаточно прост в изготовлении и сроки его хранения значительно увеличены (против мелкодисперсных от 0.01 до 1 микрона) за счет более медленной коагуляции (слипания).

Именно использование в качестве исходного противоизносного вещества композиции измельченных минералов в диапазоне от 0.1 до 40 мкм, состоящая из Антигорита 20-50%, Лизардита 20-40%, Периклаза 1-25%, Шунгита 1-7% и воды 5-14% в указанных пределах их содержания и обеспечивает достижение указанных технических результатов за счет образования прочной и долговечной пленки на трущихся поверхностях (0.03% состава WL от объема смазки - применяется для новых автомобилей, а 0.15% состава WL от объема смазки применяется на автомобилях с износом более 50%, если же используют 3% состава WL от объема смазки, то она применяется для восстановления подшипников).

Таким образом, можно заключить, что процесс нанесения антифрикционного и износостойкого покрытия осуществляется в четыре этапа:

1. Этап изготовления антифрикционного и износостойкого покрытия.

2. Этап приработки на поверхности трения узлов и деталей машин и механизмов композиции, состоящей из антигорита, лизардита, периклаза и шунгита и воды.

3. Этап образования антифрикционного и износостойкого покрытия на поверхности трения узлов и деталей машин и механизмов.

4. Этап набора прочности вновь образованного антифрикционного и износостойкого покрытия (процесс стабилизации).

В процессе изготовления антифрикционного и износостойкого покрытия композицию, состоящую из минералов: антигорита, лизардита, периклаза и шунгита, измельчают, добавляют воду, активируют и смешивают с минеральным маслом или консистентной смазкой.

Измельчение минералов производят до размера от 0,01 до 40 мкм. Испытания показали, что эти размеры частиц являются наиболее оптимальными: увеличение частиц до размеров свыше 40 мкм резко снижает эффективность образования покрытия, а уменьшение частиц до размера менее 0,01 мкм не приводит к интенсивной очистке поверхности в процессе приработки состава и нагартовке (наклепе) состава в поверхность. На последующей стадии доизмельчения производится смешивание компонентов восстанавливающего антифрикционного и износостойкого покрытия в следующих пропорциях, мас.%: Антигорит - 20-50, Лизардит - 20-40, Периклаз - 1-25, Шунгит - 1-7, Вода - 5-14. Указанное соотношение компонентов является оптимальным, и при выходе за рамки заявляемого соотношения значения технического результата снижаются. В соответствии с ГОСТ 27674-88 "Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения" под приработкой понимают процессы и явления релаксационного перехода трибосистемы к устойчивому состоянию после начала трения. В процессе суперфинишной обработки, сопровождающей приработку состава, снимаются выступы микрорельефа, образующиеся в результате разрушения поверхностей трения при различных видах обработки, воздействия коррозии, водородного растрескивания, абразивного износа, усталостных трещин, кавитации и прочих факторов разрушения поверхностей при трении. В ходе данной операции выступы микрорельефа способствуют дальнейшему измельчению частиц антифрикционного и износостойкого покрытия.

Процесс приработки проводится в течение 10 - 150 минут. Этого времени достаточно для получения подготовленной поверхности под последующее формирование покрытия. За время меньшее чем 10 минут невозможно достичь полной очистки и нагартовки поверхности, а увеличение длительности приработки более 150 минут ведет к удалению вновь образованной пленки.

Реализация заявленного способа проиллюстрирована примерами.

Пример 1

Автомобиль, на котором в последующем будут проведены испытания, был установлен на электронный стенд, например, RHAS-SP V1.3-03E (4WD -MOTOR VEHICLE 2x2000) и произведены замеры следующих показателей: температура двигателя, мощности и крутящего момента и получены следующие результаты:

- температура двигателя (в°С) - 94,

- мощность двигателя (в лошадиных силах) - 114.5,

- крутящий момент (в кг/м) - 15.4.

Пример 2

В процессе эксплуатации узлов и деталей машин и механизмов зазоры увеличиваются по сравнению с исходными.

Восстанавливающий антифрикционный и износостойкий состав (покрытие) изготавливали путем измельчения компонентов до размеров частиц от 0,01 до 40 мкм и их перемешивания. Состав содержал в мас.%: Антигорит - 20-50; Лизардит- 20-40; Периклаз - 1-15; Шунгит - 1-7 и воду - 7-14. Затем 4.0 грамма состава WL, тщательно размешанного со 100 граммами моторного масла, ввели в смазку и вместе со смазкой нанесли на изношенную поверхность и осуществили приработку состава в течение 10 -150 минут.

После обработки трущихся поверхностей по предложенной технологии и 65-минутного испытания на установке заменили масло и фильтр, продолжили испытания и получили следующие результаты:

- температура двигателя (в°С) - 94,

- мощность двигателя (в лошадиных силах) - 120.38,

- крутящий момент (в кг/м) - 15.9.

Пример 3

Автомобиль марки BMW 518 Е28 86 года (1800 см³) с мощностью двигателя 90 л.с. установили на стенд и динамометром проверили мощность его двигателя.

Приработку двигателя проводили в течение 90 минут с составом WL, а затем остановили его на 24 часа (на стабилизацию). При этом расход состава WL составил 1.0 грамм/литр моторного масла.

После этого завели автомобиль и проработали еще 3 часа, затем остановили на 12 часов. Дали водителю сделать 50 км, после этого замерили мощность двигателя, которая до обработки была равна - 82.78 л.с, а после обработки составила 85.78 л.с.

Пример 4

Автомобиль марки Опель «Vectra» 1995 г.с пробегом 175 000 км.

Приработку состава WL с расходом 1.5 грамма/литр моторного масла осуществили в течение 90 минут, а затем остановили его на стабилизацию на 36 часов. Простой автомобиля без работы (процесс стабилизации). После приработки состава WL пробег автомобиля составил около 100 км. Достижение полного эффекта произошло на 9-10 день, а рост мощности составил - не менее чем на 30 л.с.

Благодаря реализации заявленного способа создается эффект "безызносного трения", при этом срок безаварийной эксплуатации машин и механизмов становится сравнимым со временем наступления усталостных разрушений, кроме этого, он позволяет восстановить все эксплуатационные характеристики деталей. Способ прост и не требует применения дорогостоящего оборудования. Для реализации способа использованы распространенные породообразующие минералы и стандартное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию "промышленная применимость".

1. Способ формирования восстанавливающего антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями помещают размельченную минеральную композицию, составляющую антифрикционное покрытие, а в качестве связующего используют минеральное масло и/или консистентную смазку, например, литол-24, отличающийся тем, что размельченная минеральная композиция представлена следующим соотношением компонентов, мас.%: антигорит (Mg,Fe₂)₃Si₂O₅(OH)₄ 20-50, лизардита Mg₃Si₂O₅(OH)₄ 20-40, периклаз MgO 1-25, шунгит CaWO₄ 1-7 и вода 5-14, при этом размельченную минеральную композицию механоактивируют со связующим в соотношении 0,03-3%, после чего осуществляют ее приработку в течение 10-150 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после приработки размельченной минеральной композиции и образования пленки проводят ее стабилизацию в течение 12-60 ч для обеспечения набора прочности.