Наноструктура ревитализанта и способ получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта
Владельцы патента RU 2480311:
Зозуля Сергей Леонидович (UA)
Зозуля Владимир Леонидович (UA)
Александров Сергей Николаевич (UA)
Изобретение относится к нанотехнологии и к способу получения наноматериалов, которые могут использоваться в смазочных составах для обработки узлов трения, а также для восстановления трущихся поверхностей деталей механизмов и машин. Наноструктурный ревитализант получен из продуктов дегидратации природных и/или синтезированных гидратов, и/или их смесей при температуре удаления конституционной воды и температуре стабилизации продукта дегидратации 300-1200°C, с устойчивой формой наноструктуры, которая в стабильном состоянии содержит оксиды из ряда MgO и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O и представляет собой наноструктуру двухфазной гранатовидной формы, состоящую из связующей фазы, объемный размер которой составляет 100-100000 нм, и зерен, объемный размер которых составляет 2-2000 нм. Для получения структурно-безвозвратной формы проводят дополнительный этап стабилизации продукта дегидратации при температуре от 900 до 1200°C на протяжении 1-3 часов и проводят дополнительный этап получения устойчивой геометрической формы после подачи стабилизированного продукта дегидратации на трущуюся поверхность или в зону трения, при котором, в зависимости от режима смазки или режима трения, устанавливают: h≤Ra ≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта, где h - толщина смазочного слоя или расстояние между трущимися поверхностями, а Ra - шероховатость поверхности. Наноструктурный ревитализант обеспечивает восстановление трущихся поверхностей, стабилизацию поверхностных слоев трения и минимизацию трения на протяжении всего срока эксплуатации трущихся поверхностей. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил., 6 табл., 1 пр.
Изобретение относится к нанотехнологии и к способу получения наноматериалов, которые могут использоваться в смазочных составах для обработки узлов трения, а также для восстановления трущихся поверхностей деталей механизмов и машин.
Наноструктуры ревитализанта - это новый шаг в техническом прогрессе, который связан с уменьшением характерных размеров материалов и переходом их на уровень нанофазных материалов, свойства таких материалов могут иметь существенные изменения, при этом у индивидуальных нанообъектов и организованных образований из нанообъектов возникают новые свойства, важные для технического применения в разных областях техники.
Заявитель использует термин «ревитализант\revitalizant» как сокращенный оригинальный технический термин, обозначающий «смазочный состав для восстановления узлов трения», полученный по определенной технологии и который предназначен для осуществления процесса «ревитализации\revitalization» и который по технической сущности означает активацию или восстановление первоначальных технических параметров или свойств трущихся поверхностей или узлов трения. Заявители и компания «ХАДО» (Украина, Харьков) используют оригинальные технические термины «ревитализант\revitalizant» и «ревитализации\revitalization», начиная с 1998 года.
Уровень техники
Известно, например, техническое решение «Суспензия органико-неорганических наноструктур, содержащая наночастицы благородных металлов» (патент РФ №2364472 от 11.10.2007), согласно которому наноструктура выполнена в виде поликомплекса в двухфазной реакционной системе, состоящей из двух объемных контактирующих несмешивающихся жидкостей, при этом поликомплекс включает органические молекулы, содержащие аминогруппы в количестве 2 или более, и наночастицы благородных металлов.
В основу технического решения, которое заявляется, поставлена задача, получения наноструктуры ревитализанта из продуктов дегидратации природных и/или синтезированных гидратов и/или их смесей, при температуре удаления конституционной воды и температуре стабилизации продукта дегидратации 300-1200°C, которая в стабильном состоянии содержит оксиды из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, где наноструктуры ревитализанта состоит из нанозерна и связующей фазы, в котором согласно предлагаемому изобретению наноструктура имеет аморфную гранатовидную форму, размер которой находится в диапазоне: 100-100000 нм, при размере нанозерна в диапазоне: 2-2000 нм, в котором дополнительно согласно изобретению, удаление конституционной воды происходит при температуре 300-1000°C, а стабилизация продукта дегидратации происходит при температуре 700-1200°C, при этом аморфная гранатовидная форма наноструктуры ревитализанта образована из смесей продуктов дегидратации природных и\или синтезированных гидратов, а связующая фаза аморфной гранатовидной формы образована однородной смесью нескольких оксидов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, где нанозерно аморфной гранатовидной формы образовано одним или несколькими оксидами из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, при твердости наночастиц ~7-10 ед. по шкале Мооса.
Как видно из описания технической сущности предлагаемого технического решения, оно является новым и может быть использовано при создании и использовании смазочных составов, в которых первоначальный размер частиц наноструктуры ревитализанта сопоставим по масштабу с размерами дефектов поверхности (зернистость, микрошероховатость). Воздействие наноструктуры ревитализанта (смазочного состава) на трущуюся поверхность приводит к пластической деформации металла в нанообъемах и перевод в активное наноструктурированное состояние трущегося поверхностного слоя. При этом происходит интенсивное дробление зерен металла, увеличение плотности их границ, улучшаются условия для диффузии углерода вглубь поверхности (по вертикали) и внутрь зерен (по горизонтали).
Изобретательский уровень предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Известные смазочные составы для обработки пар трения включают оксиды металлов и неметаллов, которые в качестве указанных оксидов содержат продукты дегидратации гидратов с температурой удаления конституционной воды и разрушения кристаллической решетки в интервале 400-900°C, которые в устойчивой фазе содержат оксиды из ряда MgO, SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O, Na2O. При указанном температурном режиме (400-900°C) происходит удаление гидроскопической влаги и части воды, слабо связанной в кристаллической решетке, а также удаление химически связанной воды в кристаллической решетке.
Однако, согласно предлагаемому техническому решению, наноструктура ревитализанта, которая имеет аморфную гранатовидную форму, размер которой находится в диапазоне 100-100000 н.м. при размере нанозерна в диапазоне 2-2000 нм, получена за счет удаления конституционной воды при температуре 300-1000°C, и кроме этого, согласно изобретению, предлагаемое техническое решение дополнительно включает этап стабилизация продукта дегидратации, который происходит при температуре 700-1200°C. Таким образом аморфная гранатовидная форма наноструктуры ревитализанта образована из смесей продуктов дегидратации природных и/или синтезированных гидратов, где связующая фаза аморфной гранатовидной формы, образована однородной смесью нескольких оксидов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, а нанозерно аморфной гранатовидной формы, образовано одним или несколькими оксидами из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, что обеспечивает получение наночастиц ревитализанта, твердость которых составляет ~7-10 ед. по шкале Мооса.
В отношении способа получения наноструктуры ревитализанта в устойчивой форме, уровень техники заключается в том, что способ получения наночастиц устойчивой формы, нельзя отделять от этапа стабилизации этих наночастиц и этапа их взаимодействия между собой и между трущимися поверхностями, после попадания наночастиц ревитализанта в зону трения.
Известен, например, «Способ получения наночастиц» (патент РФ №2233791 от 26.03.2002), включающий проведение процессов синтеза наночастиц, в котором синтез наночастиц проводится под действием химических воздействий, или химических и физических воздействий, или их комбинаций в мономолекулярном слое на поверхности жидкой фазы.
Кроме этого, известно техническое решение «Органико-неорганические наноструктуры и материалы, содержащие наночатицы благородных металлов и способы их получения» (патент РФ №2364472 от 11.10.2007), включающий формирование реакционной системы, содержащей металлосодержащие молекулы прекурсоров и лигандов, добавление к ней восстановителя и синтез наночастиц, согласно которого формируют двухфазную реакционную систему, состоящую из двух контактирующих объемных несмешивающихся жидкостей - гидрофобной и водной фазы, при этом в качестве лигандов используют органические молекулы, содержащие аминогруппы в количестве 2 или более, металлосодержащие молекулы прекурсора растворяют в гидрофобной фазе, лиганды - в водной фазе, в которую добавляют восстановитель.
При исследовании уровня техники для «Способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта», установлено, что полученные формообразования наноструктуры ревитализанта, могут использоваться для получения смазочных составов, включающих смазочную среду и продукт дегидратации гидратов природных минералов или смеси природных минералов, или синтезированных гидратов, в котором продукт дегидратации включающий оксиды MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, полученных после удаления конституционной воды и разрушением кристаллической решетки при температуре не выше 900°C, в котором за счет того, что устойчивая фаза продукта дегидратации наступает при разложения природных минералов или смеси природных минералов, или синтезированных гидратов, при температурной выдержке в диапазоне от 900-1200°C, что обеспечивает получение продукта разложения, в диапазоне 100-100000 нм.
Предлагаемый смазочный состав может быть использован в машиностроении и различных областях техники, как при первичной обработке узлов трения, а также в процессе эксплуатации различных механизмов и машин, а именно для продления межремонтного ресурса или во время ремонтно-восстановительных операций. Физико-химические свойства материала, включающего металлсодержащие частицы, в сильной степени зависят от природы металла, формы и размера частиц, их ориентации, количества и распределения частиц в структуре материала. Свойства наночастиц металла, в частности их форма, кристаллическая структура и степень кристалличности, оптические, электронные характеристики и каталитические свойства, существенно зависят от их размера.
В настоящее время в научно-технической литературе описано довольно много различных способов синтеза наночастиц благородных металлов, в том числе: разновидности метода синтеза коллоидных наночастиц благородных металлов в объемной однофазной жидкой реакционной системе, основанного на восстановлении солей или комплексов ионов металлов в присутствии стабилизирующих лигандов.
В основу технического решения, которое заявляется, поставлена задача, усовершенствования способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта, включающего этап дегидратации природных и/или синтезированных гидратов и/или их смесей, при температуре удаления конституционной воды не выше 900°C, где указанные оксиды выбраны из групп, которые включают MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, подачу полученного продукта на трущуюся поверхность или в зону трения, в котором согласно предлагаемому изобретению, формирование устойчивой формы наноструктуры ревитализанта, дополнительно включает этап стабилизации (получение структурно-безвозвратной формы), который выполняют после этапа дегидратации, при котором этап стабилизации включает стабилизацию продукта дегидратации при температуре от 700 до 1200°C на протяжении 1-3 часов, при котором наноструктура ревитализанта стабилизируется в диапазоне от 100 до 100000 нм, а затем формирование устойчивой формы наноструктуры ревитализанта завершается этапом получения устойчивой геометрической формы (формы качения), который происходит после подачи стабилизированного продукта дегидратации на трущуюся поверхность или в зону трения и который зависит от режима смазки или режима трения, при котором h≤Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта, где h - толщина смазочного слоя или расстояние между трущимися поверхностями, Ra - шероховатость поверхности, в котором дополнительно согласно изобретению, этап получения устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта (формы качения) происходит при граничном режиме смазки или граничном режиме трения, при котором h<Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта или этап получения устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта (формы качения) происходит при смешанном режиме смазки или смешанном режиме трения, при котором h=Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта или этап получения устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта (формы качения) происходит при сухом режиме трения, при котором h стремится к 0, Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта.
Предлагаемый способ получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта, технологически связан со способом приготовления смазочного состава, который включает, этап дегидратации гидратов оксидов металлов и/или не металлов при температуре от 300 до 900°C, этап перемешивания полученного продукта дегидратации со смазочной средой, где указанные оксиды выбраны из групп, которые включают MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, который в соответствии с предлагаемым решением, после дегидратации способ дополнительно включает этап стабилизации продукта дегидратации, который осуществляется путем проведения согласованной между собой температурной выдержки от 700 до 1200°C и временной выдержки от 1 часа до 3 часов.
Например, установлено, что удаление конституционной воды путем дегидратации гидратов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, является не только сложным физико-химическим процессом, а кроме того, является процессом неустойчивым и неоднородным. Заявителями установлено, что температурный режим дегидратации при температуре 300-900°C и температурный режим стабилизации при температуре 700-1200°C для гидратов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, имеет переходный режим (период\состояние), который составляет примерно 700-900°C, или режим частичной стабилизации, который зачастую приводит к обратному эффекту, то есть полученные нанообразования не имеют устойчивую форму и размеры образуемых конгломератов могут превышать 100000 нм, а при попадании таких образований в зону трения происходит неустойчивый триботехнический эффект, или так называемый «временный эффект».
С помощью использования, например, термогравиометрического метода исследования известно, что потеря веса при нагревании в некоторых гидратов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, в температурном интервале от 300 до 700°C, составляет примерно 32-10 ΔН, мм, а существенно уменьшается, хотя также происходит при температуре более 700°C и составляет примерно 2-1 ΔН, мм, где ΔН, мм пропорциональное Δ Массы, и при этом носит стабильный характер.
В фактическом применении частичная стабилизация нанообразований работает следующим образом. При применении смазочного состава, то есть при попадании нестабилизированной формы нанообразований в зону трения или на поверхность трения, можно получить эффект снижения коэффициента трения, который может занять некоторое время при стабильном и нормальном режиме эксплуатации, однако, когда на поверхность трения, временно, влияют превышенные или неравномерные нагрузки, а после этого снова поверхность трения эксплуатируется в обычном режиме, то достигнутое снижение коэффициента трения исчезает и происходит резкое повышение трения, что приводит к обратному эффекту.
Таким образом, изобретательский уровень предлагаемого способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта заключается в наличии этапа стабилизации предлагаемого продукта (наноструктуры ревитализанта), который зависит от оптимального температурного (от 700 до 1200°C) и временного режима (от 1 до 3 часов) для образования связующей фазы в виде однородной смеси, которая образована несколькими оксидами из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O и нанозерна, которое образовано одним или несколькими оксидами из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, и наличии этапа формирования устойчивой геометрической формы (формы качения), который происходит после подачи стабилизированного продукта дегидратации на трущуюся поверхность или в зону трения и который зависит от режима смазки или режима трения, при котором: h≤Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта.
По мнению авторов, наличие этапа стабилизации наноструктуры ревитализанта и этапа формирования устойчивых форм качения в зоне трения, приводит не только к восстановлению трущихся поверхностей, за счет карбидизации поверхностного слоя, что переводит его в активное наноструктурированное состояние (процесс ревитализации), а кроме этого, наноструктура ревитализанта фактически образовывает «наноподшипники качения», которые способствуют стабилизации поверхностных слоев трения и минимизации трения на протяжении всего срока эксплуатации трущихся поверхностей.
На представленных Фиг.1-7 показаны наноструктуры ревитализанта и процессы формирования устойчивых форм (форм качения) наноструктур ревитализанта, а также процессы, которые происходят на модифицированных трущихся поверхностях.
Схематично модель наночастицы ревитализанта представлена на Фиг.1, где показан контролируемый размер для узлов трения с разной начальной шероховатостью. Условно наночастицу ревитализанта можно представить в виде «граната», где его активные частицы (1) размерностью 2…2000 нм представляют собой «зерна». Связующая фаза (2) разделяет частицы от соприкосновения друг с другом. Твердость активных частиц ревитализанта составляет ~8-9 ед. по шкале Мооса, с прочностью выше прочности связующей фазы. Таким образом, эта частица может быть измельчена вплоть до самого маленького «зерна».
Исходным материалом для получения наноструктур ревитализанта служат гидраты, которые и сами являются в исходном состоянии природными наноматериалами. При дегидратации таких веществ, а именно при удалении конституционной воды из кристаллической решетки, вместо исходного вещества получаем двухфазные конгломерированные образования, состоящие из наночастиц размером 2-2000 нм.
Изложенное выше подтверждается проведенными электронно-микроскопическими исследованиями Фиг.2, 3, где Фиг.2 - Светлопольный электронно-микроскопический снимок исходной частицы гидрата наноструктуры ревитализанта на подложке изоморфного углерода, который показывает наноразмерность ревитализанта (~300 нм) и сплошность исходной частицы гидрата. На Фиг.3 показано светлопольный электронно-микроскопический снимок частиц гидрата наноструктуры ревитализанта на подложке изоаморфного углерода после их дегидратации, где видно, что удаление конституционной воды из частицы гидрата ведет к разрушению его исходной сплошности и образованию двухфазных конгломерированных составляющих в виде структуры «граната».
Фиг.4 и 5 показывают процесс активации карбидизации восстанавливаемой поверхности или поверхности трения.
Взаимодействие ревитализанта с материалами поверхностей при образовании модифицированного покрытия можно описать как формирование металлокерамического покрытия, состоящего в основном из карбидов металла. Эксперементальным путем установлено, что на этом этапе наноразмерность частиц ревитализанта обеспечивает размерный эффект их механического взаимодействия с поверхностью металла. Эффект заключается в том, что первоначальный размер частиц ревитализанта сопоставим по масштабу с размерами дефектов поверхности (зернистость, микрошероховатость и т.д.). Такое взаимодействие приводит к пластической деформации металла в нанообъемах и перевод в активное наноструктурированное состояние поверхностного слоя. При этом происходит интенсивное дробление зерен металла, увеличение плотности их границ, улучшаются условия для диффузии углерода вглубь поверхности (по вертикали) и внутрь зерен (по горизонтали) (Фиг.4).
Таким образом, согласно предложенному техническому решению, наночастицы ревитализанта выступают концентраторами давления. Давление частичек ревитализанта в местах контакта с поверхностью достигает высоких значений, поскольку его величина обратно пропорциональна квадрату размера частицы (2-2000 нм), т.е. в наноструктурированном состоянии ревитализант формирует уникальные Р, Т условия (давление, температура) для интенсивной диффузии атомов углерода внутрь поверхности. Эти условия определяют легкое образование карбидов из раствора углерода в железе (низкотемпературную карбидизацию). Такое взаимодействие возможно именно благодаря наноразмерности ревитализанта.
На Фиг.5 показана схема взаимодействия наноструктуры ревитализанта с поверхностью трения (основной металл (5) и шероховатость поверхностного слоя (1) или восстановления и насыщение поверхностного слоя (4) углеродом (6) с последующим образованием карбидов (3), показано поверхностное упрочнение наноструктурами ревитализанта, в процессе которого, кроме цементации (карбидизации) (3) поверхности/модифицированного слоя (4), происходит также поверхностное упрочнение поверхности (3). Особенностью этого упрочнения является образование знакопостоянных сжимающих напряжений (2) по глубине модифицированного слоя (4). Традиционное поверхностно-пластическое деформирование деталей проводят с использованием дроби, стальных шариков, обкатки роликами или другими известными способами. Такое механическое упрочнение создает остаточные сжимающие (положительные) напряжения в поверхностном слое деталей, повышающие предел усталостной прочности, повышается твердость поверхности, уменьшается (стремится к 0) ее шероховатость (1), устраняются микродефекты поверхности.
На Фиг.6 схематично показан процесс снижение потерь трения, где 1 и 2 - неподвижная и подвижная поверхности деталей; N - нагрузка; V - скорость относительного перемещения; Fтр. ск. - сила трения скольжения; Мтр. кач. - момент рения качения. На пятнах фактического контакта поверхностей вследствие их механической деформации и адгезии возникает сила трения скольжения. При взаимодействии ревитализанта с поверхностями происходит их выглаживание (снижение шероховатости), что само по себе снижает потери на трение. Частицы ревитализанта выступают в качестве тел качения, наноразмерных «шарикоподшипников». Они переводят скольжение деталей с большими потерями на трение в качение, со значительно меньшими потерями трения.
На Фиг.7 показана саморганизация размеров частиц наноструктуры ревитализанта, где процесс самоорганизации размера частиц наноструктуры ревитализанта происходит под размер шероховатости поверхностей под действием Р, Т фактора. 1 - неподвижная поверхность; 2 - движущаяся поверхность; N - нагрузка; V - скорость перемещения.
Исходный размер частицы наноструктуры ревитализанта (D) больше характерного размера шероховатости поверхности (h). Под действием Р, Т фактора исходный размер частицы ревитализанта уменьшается до оптимального значения, сопоставимого с характерным размером шероховатости. Изменение размеров частицы наноструктуры ревитализанта сопровождается и одновременным изменением шероховатости поверхности. При стабилизации процесса формирования модифицированного покрытия, поверхности приобретают так называемую равновесную шероховатость, а наноструктура ревитализанта - соответствующую этой шероховатости и условиям погружения (N, V) размерность, то есть происходит самоорганизация размера частиц наноструктуры ревитализанта условиям работы сопряжения.
Именно наноразмерность частиц наноструктуры ревитализанта определяет новизну свойств образующегося покрытия (высокую поверхностную твердость, низкую шероховатость, вовлечение продуктов износа в металлокерамическое покрытие и снижение трения на порядок на финишном этапе ревитализации поверхностей трения). Такая наноразмерность обуславливает безабразивное взаимодействие ревитализанта с модифицируемыми поверхностями, при одновременном самоорганизованном уменьшении размера частиц наноструктуры ревитализанта в конце процесса (без образования коксоподобных твердых образований).
Общие условия конструкции наноструктуры ревитализанта согласно предлагаемому техническому решению.
Наноструктура ревитализанта получена из продуктов дегидратации природных и/или синтезированных гидратов, и/или их смесей при температурах удаления конституционной воды и температурах стабилизации продуктов дегидратации, находящихся в интервале 300-1200°C, в стабильном состоянии содержит оксиды из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, представляет собой конгломерированное гранатовидное двухфазное образование, состоящее из объемных контактирующих несмешивающихся веществ: связующей фазы и зерен.
Связующая фаза образована однородной смесью нескольких оксидов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, а зерно одним или несколькими оксидами из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O.
Объемный размер связующей фазы конгломерированного образования находится в диапазоне 100-100000 нм обеспечивается размерами исходных частиц вещества природных и/или синтезированных гидратов и/или их смесей.
Объемные размеры частиц зерен в диапазоне 2-2000 нм, обеспечиваются температурными и временными условиями выдержки вещества природных и/или синтезированных гидратов и/или их смесей.
Связующая фаза имеет прочность, меньшую чем твердость зерен, и выполняет функцию разделения зерна от соприкосновения друг с другом.
Соседние наночастицы зерен локализованы на расстояниях друг от друга, которые обеспечены температурными и временными условиями удаления молекул конституционный воды из природных и/или синтезированных гидратов, и/или их смесей.
Примеры наноструктуры ревитализанта.
В качестве примера приведена наноструктура ревитализанта, полученная из продуктов дегидратации природных гидратов при температуре удаления конституционной воды 450°C и температуре стабилизации продуктов дегидратации 1100°C, которая в стабильном состоянии содержит оксиды металлов MgO, и SiO2, и Al2O3, которая представляет собой конгломерированное гранатовидное двухфазное образование, состоящее из объемных контактирующих несмешивающихся веществ: связующей фазы и зерен (Фиг.3).
Связующая фаза образована однородной смесью оксидов MgO и SiO2, а зерно образовано оксидом Al2O3.
Средний объемный размер конгломерированного образования, включающий связующую фазу, находится в диапазоне 3500-4000 нм, и обеспечивается размерами исходных частиц вещества природных гидратов и температурой удаления конституционной воды.
Средний объемный размер частиц зерен в диапазоне ~10 нм обеспечивается температурными и временными условиями выдержки и стабилизации вещества природных и/или синтезированных гидратов и/или их смесей.
Связующая фаза имеет прочность, меньшую твердости зерен. Она разделяет зерна от соприкосновения друг с другом.
Соседние наночастицы зерен (Al2O3) локализованы на расстояниях порядка 2-50 нм друг от друга, которое обеспечено температурными и временными условиями удаления молекул удаленной конституционный воды.
Примеры практического применения наноструктуры ревитализанта.
Наноструктура ревитализанта входит в смазочный состав, который используется для обработки бензинового двигателя мощностью 85 кВ в котором используется моторное масло вязкостью SAE 10W-40 по стандарту SAE J300 и уровнем эксплуатационных свойств АСЕА A3 по стандарту АСЕА.
Смазочный состав включает смазочною среду, состоящую из минерального масла, и наноструктуру ревитализанта, который является продуктом дегидратации гидратов природных минералов или смеси природных минералов, или синтезированных гидратов, где продукт дегидратации включает оксиды MgO, и SiO2, и Al2O3, полученные после удаления конституционной воды и разрушения кристаллической решетки при температуре 750°C, устойчивая фаза продукта дегидратации достигается при помощи температурной выдержки при температуре 1000°C в течение 120 мин, что обеспечивает получение зерна продукта разложения, в диапазоне 50000-60000 нм.
После обработки двигателя с помощью смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта, путем сравнения параметров работы двигателя автомобиля до и после обработки: токсичность отработавших газов, расход топлива, мощность двигателя и компрессия, была оценена эффективность воздействия предлагаемой наноструктуры.
Измерение токсичности отработавших газов (CO, HC, NOx, CO2,) проводилось согласно 70/220/ЕЭС i.d.F. 2006/96/ЕС Тип I. Применение смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта, повлекло за собой позитивное изменение выбросов оксида углерода, диоксида углерода и углеводорода (Таблица 1). Изменение среднего значения с 1,250 г. СО/км до 1,051 г. СО/км соответствует снижению выброса окиси углерода на 15,92%. Изменение среднего значения с 173,247 г. CO2/км до 164,319 г. CO2/км соответствует снижению выброса диоксида углерода на 5,16%. Изменение среднего значения с 0,118 г. НС/км до 0.109 г. НС/км соответствует снижению выброса углеводорода на 7,63%. Уменьшение выброса оксида азота в рамках испытания не было выявлено.
| Таблица 1 | |||
| Сопоставление усредненных показателей токсичности до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта. | |||
| № | Показатель токсичности | Значение до обработки, г/км | Значение после обработки, г/км |
| 1 | Средняя величина СО | 1,25 | 1,051 |
| 2 | Средняя величина CO2 | 173 | 164 |
| 3 | Средняя величина НС | 0,118 | 0,109 |
| 4 | Средняя величина NOx | 0,084 | 0,087 |
Определение расхода топлива проводилось согласно 80/1268/ЕЭС i.d.F. 2004/3/ЕС. В результате использования смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта, было установлено уменьшение расхода топлива посредством сравнительного анализа. (Таблица 2). Изменение среднего значения с 7,351 л/100 км до 6,962 л/100 км соответствует снижению расхода топлива на 5,29%.
| Таблица 2 | |||
| Сопоставление средних показателей расхода топлива до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта | |||
| № | Показатель | Значение до обработки, л/100 км | Значение после обработки, л/100 км |
| 1 | Средняя величина расхода топлива | 7,351 | 6,962 |
Измерение мощности двигателя проводилось согласно 80/1269/ЕЭС i.d.F. 1999/99/ЕС. В результате использования смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта, было установлено повышение мощности двигателя (Таблица 3). Изменение мощности двигателя с 85,6 кВт до 87,9 кВт соответствует повышению на 2,68% или 2,3 кВт.
| Таблица 3 | |||
| Сопоставление средних показателей мощности двигателя до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта. | |||
| № | Показатель | Значение до обработки | Значение после обработки |
| 1 | Мощность двигателя, кВт | 85,6 | 87,9 |
Определение компрессии проводилось с помощью самопишущего прибора для определения компрессии. Применение смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта, повысило компрессию двигателя (Таблица 4). При исходных измерениях перед использованием наблюдалась неравномерная картина давления сжатия, отклонения на отдельных цилиндрах составляло до 2-х атм. После применения картина давления сжатия стала равномерной. Отклонения компрессии в отдельных цилиндрах между собой стали незначительными. К тому же было установлено значительное повышение давления сжатия в цилиндрах 2 и 3.
| Таблица 4 | ||
| Средние показатели компрессии в отдельных цилиндрах до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта. | ||
| № цилиндра | Значение компрессии до обработки, бар | Значение компрессии после обработки, бар |
| 1 | 12,6 | 14,1 |
| 2 | 9,6 | 14,1 |
| 3 | 9,3 | 14,4 |
| 4 | 11,6 | 14,5 |
Общие условия осуществления способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта, согласно предлагаемому техническому решению.
Способ получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта, включающий дегидратацию природных и/или синтезированных гидратов, и/или их смесей, при температурах удаления конституционной воды от 300 до 900°C, стабилизацию продукта дегидратации при температурах от 700 до 1200°C на протяжении 1-3 часов, перемешивание полученного продукта со смазочной средой, где указанные оксиды выбраны из групп, которые включают MgO и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, подачу приготовленной смеси на трущуюся поверхность в зону трения, отличающуюся тем, что устойчивая форма наноструктуры ревитализанта, размер которой находится в диапазоне от 100 до 100000 н.м. и переходит в устойчивою форму качения в зависимости от удельного давления на трущейся поверхности и температуры в зоне трения.
Пример осуществления способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта.
Пример осуществления способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта заключается в формировании конгломерированного гранатовидного двухфазного образования, состоящего из объемных контактирующих несмешивающихся веществ: связующей фазы и зерен, которая при попадании в область трения или узел трения самоорганизовуется в форму «наноподшипника качения» и процесс такой самоорганизации зависит уже от режима смазки или режима трения.
Например, вещество, состоящее из природных гидратов MgO и SiO2 и Al2O3, размещают в держателе образца камеры дериватографа. Электронная фотография исходной частицы природного гидрата приведенная на Фиг.2, показывает его однородность. Конституционную воду удаляют при температуре 450°C, затем проводят температурную выдержку при температуре 1100°C в течение 145 мин. Удаление конституционной воды из частиц гидрата и последующая выдержка приводит к разрушению сплошности исходных частиц гидрата и образованию аморфной гранатовидной наноструктуры, состоящей из связующей фазы и зерен Фиг.3. Связующая фаза, представляющая собой однородной смесь оксидов MgO и SiO2, разделяет зерна, состоящие из Al2O3, от соприкосновения друг с другом. Средний размер связующей фазы 3500-4000 нм определяется средними размерами исходных частиц природных гидратов и температурой удаления конституционной воды 450°C. Средний объемный размер частиц зерен в диапазоне ~10 нм обеспечивается последующей 145-минутной выдержкой при температуре 1100°C. Соседние наночастицы зерен (Al2O3) локализованы на расстояниях порядка 2-50 нм друг от друга, они обеспечены указанными температурными и временными условиями удаления молекул удаленной конституционный воды и последующей выдержкой.
Устойчивая форма наноструктуры ревитализанта, которая после этапа стабилизации имеет размер нанозерна 2500-5000 нм, входит в смазочный состав. Смазочный состав подается в зону трения или узел трения и предназначен для улучшения трибологических характеристик смазываемых моторным маслом сопряжении деталей: уменьшения коэффициента трения и снижения интенсивности изнашивания. Действие смазочного состава основано на процессах физико-химического взаимодействия поверхностей трущихся деталей в присутствии смазочного состава во время работы. Результатом действия смазочного состава является изменение свойств (модификация) поверхностей трущихся деталей по сравнению с исходными свойствами (до применения состава).
Получения устойчивой геометрической формы (формы качения), которая образовывается после подачи стабилизированного продукта дегидратации на трущуюся поверхность или в зону трения зависит от режима смазки или режима трения, при котором: h≤Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта, где h - толщина смазочного слоя или расстояние между трущимися поверхностями, Ra - шероховатость поверхности.
В соответствии с общими принципами формирования устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта (формы качения) или «наноподшипников качения», при котором h<Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта (100-100000 нм) или h=Ra≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта (100-100000 нм), размер стабилизированной наноструктуры ревитализанта находится 2500-5000 нм.
В Таблице 5 приведены примеры формирования устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта (формы качения) в различных узлах трения или поверхностях трения.
| Таблица 5 | |||||
| N |
Узел, механизм | Режим смазки (условия) | h - толщина смазочного слоя или расстояние между трущимися поверхностями, мкм | Ra - шероховатость поверхности, мкм | Размер стабилизированной наноструктуры ревитализанта, нм |
| 1 | Стенка цилиндра двигателя внутреннего сгорания - поршневое кольцо (верхняя мертвая точка) | граничный режим смазки (граничный режим трения) h<Ra≤P | |||
| 0,02 | 0,1 | 2500 | |||
| 2 | Направляющая скольжения металлорежущего станка | смешанный режим смазки (смешанный режим трения) h~Ra≤P | |||
| 0,5 | 0,5 | 50000 | |||
В Таблице 6 показан пример осуществления способа получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта, которая при попадании в область трения или узел трения самоорганизуется в форму «наноподшипника качения» при режиме смазки или режиме трения, при котором h стремится к 0, Ra ≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта (100-100000 нм), приведен пример формирования наноструктуры ревитализанта во внутренней поверхности канала ствола нарезного оружия.
| Таблица 6 | |||||
| N | Узел, механизм | Режим смазки (условия) | h - толщина смазочного слоя или расстояние между трущимися поверхностями, мкм | Ra - шероховатость поверхности, мкм | Размер стабилизированной наноструктуры ревитализанта, нм |
| Внутренняя поверхность канала ствола нарезного оружия | сухое трение h→0; Ra≤P | ||||
| 0 | 0,06 | 500 | |||
Описанные выше наноструктуры ревитализанта, полученные путем дегидратации природных и/или синтезированных гидратов, и/или их смесей, где указанные оксиды выбраны из групп, которые включают MgO и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, используются компанией ХАДО (г.Харьков, Украина; UA), при применении «ХАДО-технологии».
Согласно предлагаемой «ХАДО - технологии» нанострутуры ревитализанта, которые не являются в данном случае абразивом, выступают в роли деформационно-упрочняющих элементов. Образование значительных сжимающих напряжений в поверхностном слое подтверждается данными рентгеновской тензометрии (sin2ψ - метод). Причем эффекты поверхностного упрочнения при использовании ревитализанта переходят на наноуровень. Таким образом, сжимающие напряжения, которые можно получить только «дробовой» обработкой в нашем случае происходит за счет так называемой - «нанодроби», которая не является абразивом и присутствует в смазочном веществе на протяжении всего периода ревитализации. Взаимодействие частицы ревитализанта под действием Р,Т фактора (высоких удельных давлений и температуры) деформирует поверхность детали. При этом происходит ее упрочнение и выглаживание, снижение шероховатости до наноразмерного уровня.
Как видно из описания предлагаемого технического решения, наноструктура ревитализанта и способ получения устойчивой формы наноструктуры ревитализанта являются новыми, имеют изобретательский уровень и являются промышленно применимыми.
1. Наноструктурный ревитализант, полученный из продуктов дегидратации природных и/или синтезированных гидратов и/или их смесей при температуре удаления конституционной воды и температуре стабилизации продукта дегидратации 300-1200°C, с устойчивой формой наноструктуры, которая в стабильном состоянии содержит оксиды из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O и представляет собой наноструктуру двухфазной гранатовидной формы, состоящую из связующей фазы, объемный размер которой составляет 100-100000 нм, и зерен, объемный размер которых составляет 2-2000 нм.
2. Ревитализант по п.1, отличающийся тем, что конституционная вода удалена при температуре 300-1000°C.
3. Ревитализант по п.1, отличающийся тем, что продукт дегидратации стабилизирован при температуре 700-1200°C.
4. Ревитализант по п.1, отличающийся тем, что двухфазная гранатовидная форма наноструктуры образована из смесей продуктов дегидратации природных и/или синтезированных гидратов.
5. Ревитализант по п.1, отличающийся тем, что связующая фаза наноструктуры образована однородной смесью нескольких оксидов из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O.
6. Ревитализант по п.1, отличающийся тем, что зерна наноструктуры образованы одним или более оксидами из ряда MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или CaO, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O.
7. Ревитализант по п.1, отличающийся тем, что твердость зерен составляет 7-10 ед. по шкале Мооса.
8. Способ получения наноструктурного ревитализанта с устойчивой формой наноструктуры, включающий этап дегидратации природных, и/или синтезированных гидратов, и/или их смесей, при температуре удаления конституционной воды не выше 900°C, причем указанные оксиды выбирают из групп, которые включают MgO, и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или СаО, и/или Fe2O3, и/или K2O, и/или Na2O, подачу полученного продукта на трущуюся поверхность или в зону трения, при этом формируют наноструктуру двухфазной гранатовидной формы, состоящую из связующей фазы и зерен, путем проведения дополнительного этапа стабилизации для получения структурно-безвозвратной формы, который включает стабилизацию продукта дегидратации при температуре от 900 до 1200°C на протяжении 1-3 ч, при котором наноструктура ревитализанта стабилизируется с объемным размером связующей фазы в диапазоне от 100 до 100000 нм и с объемным размером зерен 2-2000 нм, и проведения дополнительного этапа получения устойчивой геометрической формы, который осуществляют после подачи стабилизированного продукта дегидратации на трущуюся поверхность или в зону трения, при котором, в зависимости от режима смазки или режима трения, устанавливают: h≤Ra ≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта, где h - толщина смазочного слоя или расстояние между трущимися поверхностями, a Ra - шероховатость поверхности.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что этап получения устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта осуществляют при граничном режиме смазки или граничном режиме трения, при котором h<Ra ≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта.
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что этап получения устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта осуществляют при смешанном режиме смазки или смешанном режиме трения, при котором h=Ra ≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что этап получения устойчивой геометрической формы наноструктуры ревитализанта осуществляют при сухом режиме трения, при котором h стремится к 0, Ra ≤ размера стабилизированной наноструктуры ревитализанта.
