Триботехнический состав противоизносный антифрикционный восстанавливающий
Владельцы патента RU 2599161:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственная Торговая Компания "СУПРОТЕК" (ООО "НПТК "СУПРОТЕК") (RU)
Настоящее изобретение относится к триботехническому составу, характеризующемуся тем, что он выполнен в виде композиции, составленной из природных минералов, полученных при измельчении керна, взятого из нескольких скважин с разной глубины, при этом композиция содержит природные минералы при следующем соотношении компонентов, мас.%: Антигорит 5-7; Лизардит 1-3; Тремолит 1-5; Хлорит 23-35; Тальк 26-38; Карбонат 22-26; Магнетит 1-3; Примеси 1-3, причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас.% порошка и частицы размером не более 15 мкм. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - гарантированное формирование защитного долговременного слоя в процессе обкатки или штатной эксплуатации для восстановления изношенных поверхностей трения и(или) оптимизации зазоров в сопряженных парах узлов трения различных агрегатов и механизмов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.
Изобретение относится к составам смазочных материалов и может быть использовано для обработки изношенных поверхностей трения и (или) оптимизации зазоров в сопряженных парах узлов трения различных агрегатов и механизмов при их сборке или для их восстановления.
Известны различные технические средства формирования антифрикционных покрытий на трущихся поверхностях на основе механоактивации мелкодисперсной смеси минералов со связующим.
Известен способ формирования покрытия на трущихся поверхностях, включающий механоактивацию мелкодисперсной смеси минералов со связующим, размещение полученного состава между трущимися поверхностями и последующую его приработку, при этом для обеспечения диффузионного проникновения получаемого покрытия в поверхность трущихся деталей смесь минералов используют с дисперсностью 0,01-1,0 мкм, механоактивацию состава из смеси минералов и связующего осуществляют апериодическими колебаниями, при этом размещенный между трущимися поверхностями состав содержит, мас. %: смесь минералов - 3,3; связующее - 96,7; ингредиентное содержание упомянутого состава используют следующее, мас. %: SiO - 30-40; MgO - 20-35; Fe2O3 - 10-15; FeO - 4-6; Al2O3 - 3-8; S - 2-6; сопутствующие примеси - 5-30; причем приработку проводят при давлении не менее 10 МПа и температуре в микрообъемах не менее 300°С (патент РФ №2057257, МПК F16C 33/14, публикация 1996 г.).
Известна твердосмазочная трибокомпозиция, содержащая связующее и абразивоподобный компонент на основе природного гидросиликата магния, включающего антигорит, при этом абразивоподобный компонент дополнительно содержит благородный серпентин (офит) с игольчатой формой частиц при соотношении поперечника и длины, 1:25 - 1:40, соответственно, при следующем соотношении ингредиентов в абразивоподобном компоненте, мас. %: антигорит - 10-20; благородный серпентин (офит) - 80-90; и при следующем соотношении компонентов в твердосмазочной композиции, мас. %: абразивоподобный компонент - 0,5-5,0; связующее - остальное (патент РФ №2210587, МПК С10М 125/26, F16C 33/14, публикация 2003 г.).
К недостаткам известных технических решений следует отнести определенную сложность их практической реализации и сравнительно невысокий эффект с точки зрения износостойкости и долговечности покрытия.
Известен модификатор трения, включающий минеральные компоненты, при этом состав дополнительно содержит масло моторное авиационное, касторовое масло, борную кислоту, причем в качестве минеральных компонентов используют серпентин в виде антигорита и каолин с дисперсностью частиц 1-5 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: серпентин в виде антигорита 5-2, каолин 5-3, масло моторное авиационное 89-97, касторовое масло-3, борная кислота 3 (патент РФ №2420562, МПК С10М 163/00, С10М 125/26, С10М 159/02, C10N 30/06, публикация 2011 г.).
Состав предназначен для повышения антифрикционных и противоизносных характеристик, восстановления изношенной поверхности трения в процессе безразборной эксплуатации узлов трения за счет создания на трущихся поверхностях защитного двухслойного покрытия.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является состав для безразборного улучшения триботехнических характеристик узлов трения, содержащий измельченный природный минерал, при этом состав содержит минерал с дисперсностью 0,01-5 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: серпентин (лизардит и хризотил) - 87,4-88,0; железо в изоморфной примеси Fe - 8,2-8,6; алюминий в изоморфной примеси Al - 2,2-2,4; кремнезем SiO2 - 0,6-1,0; доломит - 0,6-1,0 (патент РФ №2169172, МПК С10М 125/04, С10М 103/06, C10N 30:06, публикация 2001 г. - прототип изобретения).
Использование этого состава при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, узлов трения механизмов и устройств в качестве добавки в штатные смазочные материалы, в дизельное топливо или в качестве твердо смазочного материала приводит к повышению износостойкости трущихся поверхностей деталей узлов трения.
Общим недостатком известных решений является значительное варьирование минералогического и химического состава «природных минералов», добываемых из карьеров, что приводит к снижению эффективности триботехнических составов при массовом производстве. Значительное изменение состава связано с естественными процессами формирования породы. Подтверждением могут служить результаты микрозондового анализа прозрачно-полированных шлифов минералов керна, полученного при бурении скважины для триботехнического состава, представленные на фиг. 1-2.
Породы представлены доломит-серпентин-тальковыми, тальк-доломит-хлоритовыми и тальк-хлорит-доломитовыми сланцами. С глубиной наблюдается увеличение количества доломита и уменьшение содержаний талька и серпентина. Количество хлорита в среднем по скважине не меняется и колеблется в пределах 20%. Вторичные изменения представлены карбонатизацией и хлоритизацией. Очевидно, что отдельные компоненты минерала отличаются в разы. Аналогичное отклонение наблюдается и при выходе породы на поверхность.
Для оценки триботехнических свойств природных минералов разработаны тестовые испытания на машине трения ИИ5018.
Схема испытаний: - «диск по диску» (подвижный диск - d=50, h=12, неподвижный диск - d=40, h=10), смазка осуществляется разбрызгиванием подвижным образцом (погружен в масло на 1-2 см, объем масла - 200 мл).
Материал: - 30ХГСА (закалка, шлифовка Ra=1-2 мкм).
Режим работы: - n=1200 мин -1 (V=3,14 м/с), нагрузка Р=100Н.
Продолжительность испытаний: приработка на «чистом» масле - 30 тыс.циклов (25 мин), работа на масле с препаратом - 70 тыс. циклов (60 мин).
Концентрация минерала в масле 0,3%.
Регистрируемые параметры:
- момент сопротивления трения М (Н*м);
- температура масла в камере Т (°С);
- число циклов N.
Износ образца (нижнего диска - Δmo) и контробразца (верхнего диска - Δmк/о) определяется взвешиванием до и после испытаний на аналитических весах АВ210М-01А с погрешностью до 0,1 мг.
Данные тестовые испытания позволяют достоверно оценить триботехнические свойства исследуемых минералов. Многочисленные испытания, часть из которых представлена в таблице 1 и на фиг. 3, показывают, что незначительное отклонение минерального состава значимо сказываются на триботехнических характеристиках.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка триботехнического состава, обеспечивающего гарантированное формирование вторичной трибоструктуры, значительно улучшающей антифрикционные, противоизносные и противозадирные характеристики при сохранении высокой адгезионной прочности слоя поверхностей трения агрегатов и механизмов.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - гарантированное формирование защитного долговременного слоя в процессе обкатки или штатной эксплуатации для восстановления изношенных поверхностей трения и (или) оптимизации зазоров в сопряженных парах узлов трения различных агрегатов и механизмов.
Указанный технический результат достигается тем, что триботехнический состав выполнен в виде композиции, составленной из природных минералов, полученных при измельчении керна, керна, взятого из нескольких скважин с разной глубины, при этом композиция содержит природные минералы при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Антигорит | 5-7 |
| Лизардит | 1-3 |
| Тремолит | 1-5 |
| Хлорит | 23-35 |
| Тальк | 26-38 |
| Карбонат | 22-26 |
| Магнетит | 1-3 |
| Примеси | 1-3 |
причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас. % порошка и частицы размером не более 15 мкм.
Керн для образования композиции из природных минералов отбирается из нескольких скважин с разной глубины, заранее определяемых по результатам предварительного статистического анализа результатов, полученных при экспериментальных триботехнических исследованиях композиций, составленных из полученных из конкретных скважин и из конкретных отрезков глубин природных минералов.
Предложенное техническое решение поясняется графически, где на фиг. 1 представлен микрозондовый анализ керна; на фиг. 2 - минеральный состав керна по глубине; на фиг. 3 - комплексный критерий оценки триботехнических характеристик; на фиг. 4 - показана динамика коэффициента трения; на фиг. 5 - показана динамика температуры; на фиг. 6 показана динамика формирования слоя.
Полученный триботехнический состав взаимодействует непосредственно с металлическими поверхностями зон контактов (поверхностями трения) деталей узлов и механизмов и гарантировано инициирует выход системы «пара трения - смазка» на новый качественный уровень энергетического баланса. Триботехнический состав противоизносный антифрикционный восстанавливающий (ТС ПАВ) является катализатором или инициатором процессов адаптации системы «пара трения - смазка».
ТС ПАВ способствуют формированию новой структуры поверхности трения на основе кристаллической решетки металла. В процессе работы узла трения в присутствии ТС ПАВ происходит последовательное постепенное наращивание слоев на атомном уровне.
Процесс формирования защитной структуры (слоя) начинается с очистки ультратонким мягким абразивом, входящим в ТС ПАВ, деформированного в процессе обработки и эксплуатации поверхностного слоя пар трения. Это приводит к значительному увеличению выхода свободных электронов на поверхности трения, что обеспечивает условия диффузионных процессов «схватывания» поверхности трения, и попадающих в зону контакта частичек, содержащих железоуглеродистое соединение с последующим разрывом более слабых связей кристаллической решетки. «Строительным» материалом при этом являются продукты изнашивания и компоненты ТС ПАВ. Лавинообразное нарастание диффузионных процессов при каталитическом влиянии компонентов ТС ПАВ приводит к последовательному образованию тонких слоев на наноуровне.
Характеристики сформированной структуры (толщина, пористость, микротвердость, маслоудерживающая способность) определяются условиями работы самого узла трения.
По внешнему виду слой представляет собой идеальную серо-зеркальную поверхность. На самом деле - это сверхмикропористая структура повышенной прочности и, самое главное, с повышенной маслоудерживающей способностью, которая, собственно, и обеспечивает целый комплекс уникальных свойств узла трения.
Далее наступает динамическая регуляция защитного слоя - поддержание защитного слоя с такими параметрами, которые необходимы системе трения для оптимального энергетического состояния в конкретном режиме работы. Причем, при наличии в смазочном материале даже незначительного количества ТС ПАВ происходит динамическая (адаптивная) саморегуляция, когда «система стремится к выравниванию локальной разности потенциалов и, следовательно, к термодинамическому равновесию параметров защитного слоя» (Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Франк-Каменецкий Д.А., 2008 г.; Диффузия в твердых телах. Х. Мехрер, 2010 г.).
В этот период процессы изнашивания контактирующих поверхностей трения практически отсутствуют, т.к. защитный слой обладает повышенной маслоудерживающей способностью (маслофильностью), и граничный режим трения смещается в сторону гидродинамического режима, что значительно снижает интенсивность контакта пары трения, улучшая антифрикционные и противоизносные характеристики.
При этом триботехнический состав ПАВ производится из композиции материалов измельченного керна, получаемого из разных скважин и глубин, и содержит минералы при соотношении, масс. %: антигорит - 5-7; лизардит - 1-3; тремолит - 1-5; хлорит - 23-35; тальк - 26-38; карбонат - 22-26; магнетит - 1-3; примеси - 1-3. Причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас. % порошка и частицы размером не более 15 мкм.
Испытания ТС ПАВ на машине трения ИИ5018 показывают, что трибосистема реагирует практически сразу после введения композиции в смазочное масло уже приработанного образца (приработка на «чистом» масле - 30 тыс. циклов - 25 минут, далее добавление ТС ПАВ и работа - 150 тыс. циклов - 120 минут). Это проявляется в снижении коэффициента трения и температуры масла в камере. Тем не менее максимальный эффект снижения потерь на трение и температуры наблюдается в течение нескольких часов работы (таблица 2 и фиг. 4, 5).
Динамика коэффициента трения и температуры
Анализ поверхностей трения под электронным микроскопом образцов с различной наработкой с ТС ПАВ, представленный на фиг. 6, подтверждает динамику коэффициента трения как следствие динамики формирования слоя.
На фиг. 6 видно как исходная поверхность трения (а - 600-кратное увеличение поверхности образца Ra=1-2 мкм) начинает постепенно закрывается новой структурой (б). На рисунках в) и г) исходная поверхность закрыта почти полностью (на заднем плане еще просматривается исходная поверхность).
Общие результаты применения триботехнических составов ПАВ в автотранспорте (двигатели, коробки передач, редукторы, топливные насосы высокого давления, гидроусилители руля, подшипниковые узлы и ШРУС легковых автомобилей, грузовых автомобилей и спецтехники) в среднем сводятся к следующему.
Двигатели внутреннего сгорания:
- увеличение ресурса ДВС в 1,5-2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- очистка поверхностей трения от лаков и нагаров на первом этапе обработке, в том числе раскоксовка колец при их подвижности;
- повышение и стабилизация «компрессии» по цилиндрам ДВС (за счет образования нового слоя и уплотнения зазоров в трибосопряжениях ЦПГ);
- восстановление функциональных свойств гидрокомпенсаторов;
- снижение расхода топлива ДВС на 8-10% (за счет снижения потерь на трение, за счет восстановления компрессии улучшается качество сгорания топлива);
- восстановление эффективной мощности ДВС вплоть до номинальной (за счет улучшения качества сгорания топлива, снижения потерь рабочего газа в картер и снижения потерь на трение);
- уменьшение расхода масла на угар ДВС до 3 раз (за счет увеличения газоплотности в поршневых канавках);
- улучшение пусковых характеристик (холодный запуск) за счет формирования антифрикционного слоя (слой с низким сопротивлением трения) и надежного удерживания смазочного масла на поверхностях трения;
- снижение уровня шумов и вибрации в ДВС на 5-10 дБ (за счет выравнивания рабочего процесса по цилиндрам и демпфирования более толстым слоем масла перекладки поршня);
- снижение эмиссии вредных выбросов отработавших газов ДВС по СО и СН до 50% (за счет повышения качества сгорания топлива);
- возможность недолговременной эксплуатации в условиях масляного голодания.
Коробки передач, трансмиссии, дифференциалы, редукторы и другие узлы с зубчатыми зацеплениями:
- увеличение ресурса МКПП, АКПП и раздаточных коробок в 1,5-2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- повышение плавности переключения передач МКПП и АКПП за счет оптимизации зазоров и снижения потерь на трение;
- восстановление подшипников и рабочих поверхностей зубчатых передач МКПП;
- снижение уровня шумов и вибрации МКПП и раздаточных коробок на 5-10 дБ;
- восстановление производительности масляного насоса АКПП;
- улучшение работы золотникового механизма АКПП.
Гидроусилители руля:
- увеличение ресурса ГУР в 2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- улучшение работы золотникового механизма;
- восстановление производительности насоса ГУР.
Топливные насосы высокого давления дизелей:
- восстановление параметров (давления) работы ТНВД, топливной системы COMMON RAIL, топливной системы «НАСОС-ФОРСУНКИ» (за счет оптимизации зазоров в сопряженных деталях трения);
- увеличение ресурса ТНВД, топливной системы COMMON RAIL, топливной системы «НАСОС-ФОРСУНКИ» в 1,5-2 раза (за счет уменьшения интенсивности износа деталей);
- повышение эффективной мощности ДВС (за счет улучшения качества сгорания топлива);
- снижение расхода топлива ДВС на 3-5% (за счет улучшения качества сгорания топлива);
- снижение эмиссии вредных выбросов отработавших газов ДВС по СО и СН до 50% (за счет улучшения качества сгорания топлива).
1. Триботехнический состав, характеризующийся тем, что он выполнен в виде композиции, составленной из природных минералов, полученных при измельчении керна, взятого из нескольких скважин с разной глубины, при этом композиция содержит природные минералы при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Антигорит | 5-7 |
| Лизардит | 1-3 |
| Тремолит | 1-5 |
| Хлорит | 23-35 |
| Тальк | 26-38 |
| Карбонат | 22-26 |
| Магнетит | 1-3 |
| Примеси | 1-3 |
причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас.% порошка и частицы размером не более 15 мкм.
2. Триботехнический состав по п. 1. отличающийся тем, что керн для образования композиции из природных минералов отбирается из нескольких скважин с разной глубины, заранее определяемых по результатам предварительного статистического анализа результатов, полученных при экспериментальных триботехнических исследованиях композиций, составленных из полученных из конкретных скважин и из конкретных отрезков глубин природных минералов.
