Совершенствованиетеорииипрактикиремонтаизношенных поверхностей деталей, повышения эффективности эксплуатации деталей машин покрытиями и

Совершенствованиетеорииипрактикиремонтаизношенных поверхностей
деталей, повышения эффективности эксплуатации деталей машин покрытиями и
ресурсосберегающими технологиями, и создание на этой основе
возможности прогнозирования и обеспечения качественных показателей можно
назвать актуальной научной задачей.
Новым направлением обеспечения высокой износостойкости рабочих поверхностей
деталей является формирование благоприятной направленности
кристаллографической структуры основного металла детали за счет нанесения на
изношенную поверхность специальных составов. Новые технологии в ряде случаев
позволяют полностью исключить из процесса восстановления изношенных рабочих
поверхностей деталей наплавки и механическую обработку.
Для повышения надежности и продления сроков безотказной работы необходим
поиск новых технологий, материалов, оборудования.
К подобным новым технологическим решениям можно отнести ремонтновосстановительные составы (РВС), которые можно отнести к разряду твердофазных
смазочных материалов. Они в последнее время получают достаточно широкое
применение [3,7]. Технологии РВС применяют для улучшения качественных физикомеханических характеристик работы трущихся пар при различных трущихся
материалов и разновидностей сопряжения контактирующих поверхностей.
Основные отличия РВС - смесей от известных присадок заключаются в следующем
[6,8]:
• Весьма низкая стоимость относительно получаемых экономических результатов
(себестоимость);
• Не требует последующих добавок при замене масла;
• Образование не пленочных покрытий, а модифицированных поверхностей самого
металла (за счет инициирования микрометаллургических процессов, возникающих
при трении на поверхностях);
• Уникальные свойства получаемой поверхности по физико-механическим и физикохимическим показателям;
• Экологически чистый природный продукт (разряд опасности равен пищевым
продуктам);
• Способность наращивать поверхности разной толщины, оптимизируя зазоры в
парах трения. Процесс наращивания - саморегулируемый и зависит от количества
выделяемой энергии при трении. Как только система достигает значения
выделяемой от трения энергии, эквивалентной 240…670°С (зависит от заданных
условий), процесс роста прекращается;
• Универсальность продукта РВС в отношении различных механизмов (пар трения)
и условий их эксплуатации;
• Возможность применения не только в трибоузлах, но и к отдельно взятой
поверхности металла детали до момента ее установки в механизм;
• Возможность применения без присутствия смазывающих материалов
• В данной технологии ремонта и составах заинтересованы многие производители
машин в автомобильной промышленности, среднем, тяжелом машиностроении и др.
Рассмотрим технологию и условия образования металлокерамического защитного
слоя.
Образование металлокерамического защитного слоя осуществляется
геоактиваторами или РВС представляющими собой мелкодисперсный порошок,
изготовленный из геологических пород.
Механизм воздействия суспензии на основе порошка (РВС) на металлическую
поверхность, взаимодействующих контактных поверхностей, заключается в
образовании металлокерамического защитного покрытия с лучшими
антифрикционными свойствами и повышенной микротвердостью. Ионы магния
замещают ионы железа у трущихся поверхностей деталей машин. Образуются
новые кристаллы, которые имеют большие пространственные решетки, и тем
самым поднимаются над изношенной поверхностью, компенсируя тем самым износ.
Процесс образования металлокерамического защитного слоя следует условно
считать состоящим из следующих взаимосвязанных этапов:
• Операция дробления;
• Очистка микрорельефа;
• уплотнение частиц РВС в углублениях трущихся пар;
• образование защитного слоя из металлокерамики.
Из основ трибологии известно, что контактирующие поверхности никогда не
являются идеально плоскими. Реальные поверхности сопрягаемых деталей имеют
существенные отличия не только по высоте, но и по характеру расположения
микронеровностей. Относительные перемещения контактирующих поверхностей и
их механическое взаимодействие приводят к изменениям состояния и свойств
материалов поверхностных слоев и их разрушению. Кроме того, имеют место
процессы, обладающие особыми признаками и протекающие по своим
отличительным законам. Это такие процессы взаимодействий, как: механические,
физические, химические, электрические и др.
В качестве примера рассмотрим любую трибосистему как взаимодействие трех
тел: сталь- «смазка»-сталь при допущении, что размер частиц РВС 3...10 мкм,
толщина пленки «смазки» 5...20 мкм; шероховатость Ra поверхностей сопрягаемых
тел соизмерима этим же размером, что соответствует реальной действительности
для большинства трибосистем.
При обычном взаимном перемещении трущихся поверхностей происходит:
1)разрыв смазочной пленки и сухое трение;
2)выкрашивание вершин микронеровностей, сопровождаемое выделением
тепловой энергии (400...1100°С для среднеуглеродистых сталей) и появлением
текучести и фазовых сдвигов с последующим смещением верхних слоев с
возникновением электрических энергий и магнитных полей;
3)влияние вышеперечисленных следствий на частицу РВС: разрыв связей Si-0-Si
: Si-O-OH-Металл при механическом воздействии на частицу РВС;
4)появление момента текучести металла, вызывающее происхождение локальных
микрометаллургических процессов с участием РВС;
5)образование защитного слоя из металлокерамики.
Сравнивая процесс образования новых фаз в зонах контакта и металлургические
процессы можно предположить высокую степень их физико-химического
соответствия.
В формуле РВС -Mg6(Si4O10)(OH)8 с сопутствующими включениями (Fe, Са, Ni, Ti, Сr,
Си и др. в виде окислов) параметр Ларсена подразумевает включения (до % масс)
SiO - 1%; SiО2 - 40%; АL2О3 - 1%; Fe2О3 - 3%; FeO - 1% и др. Сравнение с добавками,
используемыми в металлургии, позволяет продолжить это соответствие с процессом
получения кремнистых металлов (Si-Ca; Ca-Si-Al), ферросиликатов (Fe-Si) и др.
Прохождение реакций под действием указанных факторов дает возможность на
поверхности стали получить окислительно-восстановительные реакции,
связывающие концентрацию трех веществ. Введение в зону трения гидроокислов,
содержащих ионы-катализаторы металлов с переменной валентностью, создает в
трибосистеме условия устойчивого равновесия протекания окислительновосстановительных реакций.
Такие условия препятствуют образованию свободных радикалов и выходу их из
координационной сферы. Поэтому ионы металлов остаются в зоне трения и тем
самым препятствуют изнашиванию контактируемых поверхностей.
Из анализа работ [1,2,3] известно, что побочным продуктом окислительновосстановительных реакций является вода. Образуемая гидрофаза принимает
активное участие в процессах снижения силы трения и изнашивания трибосистемы.
В используемых РВС при механическом и тепловом воздействии в соединениях SiO-Si и Si-O-OH-Металл часть связей обрывается с образованием нового соединения
с освободившимися связями типа Si-O-( ); Si-O-ОН-( ) и выделением воды Н2O,
полученной в результате адсорбирования Н2 из металла и освобождением воды из
минерала. Активный процесс замещения связей за счет адсорбирования водорода и
образования новых связей Si-O-ОН; Si-O-Fe приводят к возникновению реакции
между частицами РВС и кристаллами фаз металла типа
Mg6(Si4O10)(OH)8+ Fe2O3+ H2 → 4(MgFe)SiO4+5H2O
(1)
Практическим подтверждением теоретического исследования активности процесса
замещения связей является выделение большого количества воды. Полученная
зависимость корректна ранее выполненным исследованиям и доказательствам о
термическом преобразовании серпентинитов согласно реакции
Mg6(Si4O10)(OH)8 → 3Mg2SiO4+SiO2+4H2O(при t=600°C).
(2)
Таким образом, можно считать доказанным, что применение геоактиваторов
вызывает появление микрометаллургических процессов, в результате которых
получаются поверхности металлосиликатов которые активно содействуют
образованию износостойкого, прочного металлокерамического покрытия.
В исходном состоянии поверхность контакта и трения сопряженных деталей
состоит из объемных пространственных сочетаний пиков и углублений
микронеровностей, забитых продуктами износа и разложения масел и присадок.
При работе механизма, под действием усилия нагружения, сближаются
поверхности трения, выступы микрорельефа, набегая друг на друга, ломаются, рвут
поверхность пленки, создаваемой маслом и присадками, насыщают ее отломкамичастицами металла сопряженных деталей, играя роль загрязнителей. В местах
слома выступов микрорельефа происходят резкое повышение
температуры, которые разрушают масла и присадки, которые в свою очередь, также
становятся загрязнителями. При следующем контакте трения процесс повторяется:
ломаются очередные выступы микрорельефов, дополнительные порции
загрязнителей попадают в масло,
Операция дробления. Частицы РВС относительно выступов и впадин
микрорельефа сопрягаемых деталей имеют более крупные размеры и поэтому при
контакте и трении размалываются последними, словно жерновами своеобразной
мельницы. При размоле происходит интенсификация процессов микросваривания и
микросхватывания, поскольку все большее количество микровыступов будет
сломана при разломе частиц РВС.
В местах слома, в результате микрометаллургических процессов при больших
температурах (до 1200°С) в своеобразных микротигельках практически мгновенно
протекает реакция замещения с образованием новых кристаллов. Таким образом в
местах выступов появляются первые пятна металлокерамических защитных
покрытий, рисунок 1. Размеры пятен относительно невелики, так как в реакции
участвовало незначительное количество частиц РВС, хотя, несмотря на это, уже в
процессе домола механически активно происходит удаление загрязнителей из
углублений микрорельефа.
Частицы РВС могут очистить микрорельеф почти полностью от всех загрязнителей
[2,4]. Если однократной очистки недостаточно, то ее необходимо провести еще раз,
добавив еще немного РВС. Если очистка произошла нормально, то уже через часполтора после загрузки РВС можно наблюдать изменения в качестве работы
восстанавливаемой трущейся пары.
1 и 2 – металл деталей; 3- штатная смазка; 4 – частицы загрязнителей;
5 – частицы РВС; 6 – частицы металла
Рисунок 1. Внедрение РВС в процесс трения и контакта.
Уплотнение частиц РВС в углублениях трущихся пар. При этом в присутствии
катализаторов и энергии, образуемой при трении, проходит реакция когда атомы
магния в кристаллических решетках РВС замещаются на атомы железа у
поверхности слоев металла. Вследствие того, что они выстраиваются по
направлению наименьшего механического сопротивления, выступы микрорельефа
при контакте дополнительно утрамбовывают частицы РВС. При этом образуются
новые кристаллы с гораздо более объемной кристаллической решеткой, в своей
массе образующие слой, который, поднимаясь над поверхностью пятна контакта,
компенсирует износ детали.
Толщина слоев МКЗС пропорциональна количеству уплотненных частиц РВС и
энергии, выделяемой при этом трении. Она автоматически регулируется по
принципу: если есть энергия при трении в месте контакта, то МКЗС растет, зазоры
уменьшаются, и выделение энергии уменьшается. При прекращении реакции
замещения – тем самым прекращается рост защитного слоя.
Образование защитного слоя из металлокерамики. На предыдущих операциях
обеспечивался плотный контакт частиц РВС к поверхностному слою.
Во впадинах и на выступах рельефа получаются измененные кристаллы с
большими по объему кристаллическими решетками, и так образуется
металлокерамический защитный слой 3, над каждым выступом микрорельефа
рисунок 2.
Таким образом происходит выравнивание геометрии поверхностей трения деталей
машин и оптимизация зазоров в сопряжениях,.
Исследование механических свойств (определение твердости
металлокерамического покрытия на поршневых кольцах при помощи
микротвердомера ПМТ - 3 путем сравнения с основой) показывает [7], что при
усилии нагружения 100 грамм микротвердость основы равна HV 110 кг/мм2, а
микротвердость материала покрытия составляет HV 254кг/мм2, т.е. микротвердость
слоя покрытия в 2,3 раза выше, чем микротвердость основы кольца.
1 и 2 - металл деталей; 3 - металлокерамический слой
Рисунок 2. Образование металлокерамического защитного слоя.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1 . Процесс образования металлокерамического защитного покрытия состоит из
операции дробления, очистки микрорельефа, плотной пленки из частиц ремонтновосстановительного состава в углублениях микрорельефа и операции образование
защитного слоя из металлокерамики.
2. Теоретически, используя основы трибологии, показано, что применение
геоактиваторов вызывает микрометаллургические процессы, в результате которых
получаются поверхности металлосиликатов, аналогичных форстеритам
(оливинам), что активно содействует образованию износостойкого, прочного
металлокерамического покрытия.
3. Способ образования защитных металлокерамических покрытий, основанный на
реакции замещения атомов магний в кристаллических решетках РВС на атомы
железа весьма перспективен.