Eng
Главная Публикации Статьи Исследование свойств антифрикционных препаратов на основе ГМТ
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 50 гостей онлайн
Исследование свойств антифрикционных препаратов на основе ГМТ

Сборник статей «ТРАНСТРИБО-2005», Санкт-Петербург, 2005

Исследование свойств антифрикционных препаратов на основе геомодификаторов трения к смазочным композициям

В статье приведены результаты комплексных исследований влияния добавок геомодификаторов трения к смазочным материалам на характеристики трибосопряжений и поверхности трения. Испытания проводились на триботехнических стендах, технологическом оборудовании и ДВС

Введение

В настоящее время актуально встают вопросы, связанные с ремонтом изношенных механизмов и машин без разборки самого механизма. Применение данных технологий стало возможным в связи с появлением препаратов, изменяющих трение в зоне трибоконтакта и одновременно модифицирующих контактирующие поверхности [1,2]. Влияние данных препаратов на изношенные поверхности в настоящее время выяснено недостаточно. Проведенные единичные экспериментальные исследования как на стендах имитирующие те или иные пары трения, так и натурные испытания на реальных объектах и машинах не позволяют сделать однозначные выводы о характере воздействия на узлы трения с точки зрения его остаточного ресурса. Исследования [2-7], проводимые в течение последних пяти лет, позволили констатировать, что неграмотное использование этих препаратов способно не только резко уменьшить эффект воздействия от штатного смазочного материала, но и привести к отрицательным последствиям, вплоть до аварийного разрушения механизма. Можно отметить, что весь процесс применения препаратов нельзя пускать бесконтрольно, в большинстве случаев необходимо проводить под наблюдением опытного специалиста с постоянной диагностикой и мониторингом процесса.

В приведенной ниже статье сосредоточены основные выводы о результатах комплексного исследования препаратов на основе природных минералов серпентинитной группы – геомодификаторов трения (ГМТ).

1. Материалы, относящиеся к геомодификаторам трения (ГМТ)

Наиболее широко на российском рынке ГМТ представлены препараты группы минерально-восстановительных составов на базе порошков серпентинита. Это препараты торговых марок «РВС», «ХАДО», «СУПРА», «НИОД», «ФОРСАН», «Живой металл» и др. Основные испытания проходили с препаратами серии «РВС», «СУПРА», «НИОД», «ФОРСАН». Остальные препараты являются комбинациями известных минералов в сочетании с разными добавками [2, 6, 7].

2. Рентгенофазовое исследование ГМТ

Одной из главных задач любой технологии является стабильность и однотипность применяемых материалов. Для этого необходимо решить задачи входного контроля образцов материалов доступными и оперативными способами. В наших испытаниях для контроля образцов порошков геомодификаторов трения, предоставленных разными разработчиками, был применен способ рентгендифракционного анализа. Этот же метод был применен для оценки тонких поверхностных слоев поверхностей трения. Исследования проводились на установках ДРОН–2.0 лабораторий СПГУ им. Ломоносова. Cu, Ka излучение, использовался графитовый монохроматор со скоростью 1 град/мин в диапазоне 3-60 2Θ. Для диагностики фаз использованы стандартные дифракционные данные из лицензионной базы Международного Центра дифракционных данных (PCPDWIN v1.30, 1997, JCPDS – International Center for Diffraction Data).

Исследования показали следующее:

  • основой большинства препаратов ГМТ являются: лизардит, кальцит, доломит, клинохлор, мусковит, тальк, кварц, шпинель и т.п.;
  • в некоторых препаратах имеется состав фаз, который без изменений и без очистки соответственно входит в состав комплексного природного минерала поделочного камня «Змеевик» Малышевского карьера в Сибири или поделочного камня «Листвинит» карьеров Карельского перешейка;
  • некоторые порошки ГМТ содержат в своем составе: шпинели, а также кварц, то есть оксид алюминия и кремния, являющиеся нежелательно твердым абразивным материалом в антифрикционном препарате;
  • НЕ ВЫЯВЛЕНО !!! материалов, являющихся НОУ-ХАУ (как записано в патентах), таких как: кластеры углерода (например, фуллерены, нанотрубки); редкоземельные металлы; «природные фуллерены» и т.п.; дорогих «рукотворных» материалов, получение которых требует применения высоких технологий и энергозатрат;
  • на поверхностях трения образцов и деталей, эксплуатировавшихся с данными препаратами в течение длительного времени, НЕ ВЫЯВЛЕНО !!! образования новых соединений элементов из серпентинитов с железом или углеродом и прочими легирующими элементами, входящими в состав пар трения;
  • главным негативным моментом является то, что даже у одного и того же производителя препарата ГМТ, взятого из разных партий, не удалось установить полное соответствие составов имеющимся на них ТУ, а также не удалось найти двух одинаковых составов, это говорит о полном отсутствии какого-либо контроля на соответствие препаратов заявленным ТУ и средствам выходного контроля.

3. Визуальная оценка размеров частиц

Для большинства механизмов и машин важен размер частиц, добавляемых в смазочные материалы. Это ограничение связано, с одной стороны, с пропускной способностью фильтров (например, для автомобильных двигателей размер частиц колеблется от 2 до 5 мкм), с другой – поддержания взвешенного состояния частиц порошков ГМТ. Визуальный мониторинг проводился на измерительно-вычислительном комплексе «Latimet Automatic» фирмы LEITZ.

Визуальный мониторинг показал следующие результаты:

  • основную массу порошка составляют частицы от 5 до 300 !!! мкм, вместо 2...15 мкм, заявленных в ТУ;
  • отмечено слипание частиц перед просмотром на микроскопе при пробоподготовке, что потребовало использования дополнительных препаратов, не позволяющих конгломерироваться частицам (например, ультразвук + касторовое масло);
  • возникли дополнительные трудности с точностью определения размеров, поскольку из-за разброса размеров частиц порошков приходилось постоянно менять увеличение измерительного микроскопа;
  • частицы большего размера (до 100 мкм), обладая достаточной твердостью, например, шпинели или кварц, могут не только увеличить износ особенно прецизионных механизмов, но и резко снизить основные эксплуатационные показатели (например, снизить компрессию);
  • данные частицы больших размеров могут шаржировать поверхности более мягких материалов, например, вкладышей (алюминиевых, бронзовых или баббитов), при этом сами вкладыши могут стать источником повышенного износа для шее валов.

4. Триботехнические испытания на стендах трения

Триботехнические испытания проводились на двух машинах трения:

а) модернизированной, модели 77 МТ-1 (возвратно-поступательная машина трения) по схеме скольжения трех образцов (выполненных из чугуна и сталей разных марок) по плоскому образцу из серого чугуна марки СЧ 20 ГОСТ 1412-85;

б) универсальной, модели 2070 СМТ-1 по схеме скольжения ролика по ролику, где в качестве неподвижного ролика выступал образец из серого чугуна диаметром 50 мм марки СЧ 20 с просверленными отверстиями под термопары, а в качестве подвижного ролика образец из разных материалов (чугуна и сталей).

Испытания проводились при разных нагрузках, скоростях скольжения при капельной подаче жидкого смазочного материала и единовременной подаче консистентного смазочного материала.

Триботехнические исследования показали следующие результаты:

  • отмечается некоторое уменьшение температуры в зоне трения в среднем на 12...20%, уменьшение коэффициента трения в среднем на 8...10,5%, износа – примерно на 25...30,4% при условиях экстремального трения, практически без смазочного материала. В условиях штатной эксплуатации и нормальном разделении поверхностей трения смазочным материалом отмечается некоторое ухудшение практически всех параметров трения (температуры, коэффициента трения, износа) до 5...10%, чем со штатной смазкой;
  • при испытаниях выявлено негативное влияние препарата при передозировках. Установить рациональное соотношение препарата в смазочном материале достаточно сложно, и это можно сделать только эмпирически;
  • НЕ ПОЛУЧЕНЫ !!! аномально низкие коэффициенты трения 0,001 и меньше;
  • в целом результат испытания зависит от большого количества факторов (концентрации препарата, способа введения в смазочный материал и его перемешивания, температуры в зоне трения, окружающей температуры, продолжительности остановки между испытаниями, что в целом влияет на разброс данных).

5. Оценка параметров шероховатости и волнистости поверхности образцов и деталей

Оценка микрогеометрии поверхности трения трибосопряжений деталей и образцов осуществлялась на измерительно-вычислительном комплексе «Профиль», реализованном на базе стандартного профилографа – профилографа модели Калибр 201, интерфейса и ПЭВМ. На данном комплексе была проведена оценка шероховатости и волнистости.

Результаты измерения показали:

  • разные препараты оказали разное приработочное действие. В среднем шероховатость изменяется по высотному параметру Ra примерно в два раза за первые 30...40 минут работы, определяющими при этом являются фракционный состав препарата и фазовый состав частиц (т.е. зависит от того, какой фазы в минерале больше), это условие, на наш взгляд, является определяющим, поскольку от него зависит время нахождения препарата в зоне трения;
  • наличие крупных частиц (более 100 мкм) может привести к появлению отдельных рисок глубиной в десятки раз !!! превышающих саму шероховатость приработанной поверхности, составляющую в некоторых случаях после приработки 0,09...0,06 мкм по параметру Ra;
  • волнистость приработанных поверхностей уменьшается в среднем в 1,5...2 раза по сравнению с базовыми составами, что, безусловно, является положительным.

6. Металлографические исследования поверхностей трения деталей и образцов пар трения

Металлографический анализ проводился при содействии центральной заводской лаборатории ОАО завода «Измерон» г. С.-Петербург по методикам, используемым для оценки инструментальных материалов. Данный анализ включал в себя: подготовку образцов с применением электроэрозионных станков; изготовление микрошлифов; измерение твердости и микротвердости; упрощенный химических анализ; анализ микроструктуры и визуальный мониторинг с использованием ИВК «Latimet Automatic».

Металлографические исследования показали следующее:

  • на представленных поверхностях не выявлено явных структурных изменений и изменений микротвердости в поверхностном слое образцов, испытывавшихся как с препаратом, так и с базовым маслом в течение 1, 5 и 25 ч.;
  • изменение цвета некоторых тонких поверхностных слоев (до 5..10 мкм для сталей марой ШХ15) позволило выявить наличие слоя с повышенной твердостью, образовавшегося, скорее всего, вследствие наклепа.

7. Оценка микротвердости поверхностных слоев

Исследования микротвердости проводились по методу восстановленного отпечатка ГОСТ 9450-76. На поверхность образца наносился отпечаток под действием статической нагрузки P = 0,49 H, приложенной к четырехгранному алмазному наконечнику в течение 30 секунд. Отпечатки на поверхность исследуемого образца наносились на микротвердомере ПМТ-3.

Измерения микротвердости показали следующие результаты:

  • отмечено увеличение микротвердости образцов до 20-25% по сравнению с базовым составом для стальных (сталь 20Х13, 40Х, 38Х и 45) и не термообработанных образцов;
  • отсутствие изменения микротвердости для образцов из чугуна;
  • некоторое увеличение микротвердости (на 10% – погрешность метода измерения микротвердости) для образцов из стали ШХ15 и ХВГ;
  • не отмечено влияние препаратов ГМТ на упрочнение поверхности посредством ее наклепа для образцов из цветных сплавов.

8. Визуальный мониторинг поверхностей трения

Для оценки поверхностей трения с целью выявления зарождающихся дефектов: микротрещин; рисок; прижогов; вырывов и т.п., проводился визуальный мониторинг с использованием измерительно-вычислительного комплекса «Latimet Automatic» фирмы LEITZ.

Визуальный мониторинг образцов трения и деталей показал:

  • образование рисок (шириной до 0,05 мм и длиной до 1,5...2 мм) на стальных не термообработанных образцах (сталь 20Х13, 40Х, 45) по контр телу из серого чугуна (марки СЧ20) в первые 15...45 мин испытаний;
  • образование локальных прижогов (очагов) после 3 часов испытаний в виде рыже-бурых пятен средней площадью до 0,08...1 мм2;
  • при испытании отдельных стальных образцов, после 15...25 часов наблюдаются отдельные зоны с разрушенными поверхностями в виде вырывов со средней площадью до 1,5 мм2;
  • для хромированных поверхностей компрессионных колец можно отметить появление дефектов: в виде продольных рисок (вдоль следов трения); разрыхления хрома и подложки чугуна у замков; появления прижогов на хроме на радиальных рабочих поверхностях;
  • прижогов на шатунных пальцах в виде протяженных очагов (шириной до 3...4 мм и длиной до 10 мм);
  • отдельное шаржирование твердыми частицами мягких антифрикционных материалов вкладышей двигателя и регулировочных опорных колец, удерживающих коленчатый вал от осевого смещения;
  • образование радиальных рисок и надиров на коренных и шатунных шейках коленчатого вала.

9. Стендовые испытания препаратов

На кафедре ДВС СПбГПУ г. С-Петербург проводились стендовые испытания влияния смазочных композиций с включением различных восстанавливающих антифрикционных препаратов на основные показатели двигателя [6, 7]. На кафедре Технологии машиностроения ПИМАШ проводилась инструментальная оценка параметров качества основных деталей двигателей. Испытания проводились на пяти типах различных бензиновых и дизельных двигателей.

Композиции были представлены различными фирмами и отличались количественным содержанием, фракционностью, типом носителя порошка ГМТ. Ниже изложены результаты, полученные на бензиновых двигателях, поскольку именно эти испытания выявили наибольшее число проблем.

Первая проблема – это наличие оптимальной точки обработки двигателя. Положение этой точки зависит от множества факторов: состав ГМТ; режим приработки; размерность двигателя; начальная степень его износа и т.д.

Вторая проблема и, как выяснилось, наиболее серьезная проблема – это нарушение теплового состояния двигателя при модификации поверхностей трения, одновременно являющимися и поверхностями теплоотвода.

Третья проблема, которая была характерна для большинства испытанных композиций – это развитие аномалий сгорания на тяжелых режимах нагружения двигателя. Аномалии проявлялись в виде стуков в ЦПГ двигателя, падении мощности и резком росте токсичности отработавших газов, особенно по компоненте CH. Причем развитие этих явлений в основном наблюдалось также после прохождения некой оптимальной точки обработки двигателя.

Четвертой проблемой является наблюдаемые резкий рост расхода масла на стадии приработки двигателя с ГМТ. Так, в зависимости от типа ГМТ, расход масла на двигателе ВАЗ-2108 составил от 0,8 до 1,4 л за 20 моточасов. Наиболее опасная причина – это резкое повышение температур поршневых колец в процессе модификации поверхностного слоя.

Пятая проблема связана с нарушением в ходе обработки рабочей поверхности вкладышей подшипников. Практически всегда после обработки наблюдались продольные царапины на поверхностях вкладышей коренных и шатунных подшипников. Очевидно, это является следствием попадания в зону трения твердых частиц ГМТ. Все это приводит к существенным нарушениям эпюры подъемной силы в подшипнике и резкому снижению его несущей способности. Естественно, четко прослеживается наличие этого явления от фракционного состава ГМТ. Так, для составов с максимальной фракционностью скорость износа была такова, что за период приработки двигателя (25-30 моточасов) блок цилиндров номинального размера потребовал расточки на второй ремонт.

Заключение

На основании вышеизложенного можно сделать следующее заключение о целесообразности применения ГМТ в качестве ремонтно-восстановительных препаратов ответственных деталей узлов машин и механизмов.

1. Препараты группы ГМТ на сегодняшний день, безусловно, являются лидерами на современном товарном рынке из-за своей доступности и на первый взгляд кажущейся простоте применения технологий, созданных на их основе.

2. Вторым преимуществом является все-таки достигаемый положительный эффект основных параметров трения на парах чугун-чугун, упрочненная (закаленная, азотированная и т.п.) сталь-чугун. Достигаемый эффект, как показали наши исследования, является результатом: дошлифовки микронеровностей поверхностей трения и некоторой модификации, связанной с изменением структуры тонкого поверхностного слоя (до 1...5 мкм) (отмечено только для сталей ШХ15 и ХВГ).

3. Среди негативных моментов можно отметить:

  • отступление всеми производителями препаратов ГМТ от ими же утвержденных ТУ, как по составу, так и по размерам цастиц;
  • отсутствие у товарных производителей какого-либо выходного контроля изготавливаемых ими порошков ГМТ. Продажа на рынке жидких составов (порошка в масле) еще более усложняет входной контроль и запутывает технологию применения;
  • отсутствие подтвержденного механизма влияния препарата на основные эксплуатационные параметры качества деталей поверхностей трения, выполненных из разных конструкционных материалов, не позволяют говорить о создании технологии на основе ГМТ препаратов;
  • наши исследования показали, что в большинство ГМТ создают кислую среду в смазочном материале, что является недопустимым при использовании их в двигателях или для стальных поверхностей трения. Более того, измененный тепловой режим в зонах трибоконтакта по сравнению со штатными смазочными материалами приводит к неоправданно быстрой окисляемости жидких смазочных материалов (на двигателях почти в 1,5 раза), и, как следствие, уменьшение их сроков штатной эксплуатации в узле.

В определенной мере выходом из сложившейся ситуации может стать ряд следующих мероприятий в данной области:

  • нужен системный, комплексный подход при всех стендовых и натурных испытаниях;
  • требуются дополнительные согласования между технологическими службами производства основных деталей и сборки машин, металловедами и технологами по производству смазочных материалов, содержащих в своем составе эти препараты;
  • возможно, потребуется разработка специальных методов сертификации препаратов серии ГМТ, а также утверждение новых способов их контроля.

Литература.

  1. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надежности трибосопряжений. - С-Пб: Академия транспорта РФ, 2001. – 304 с.
  2. Петров В.М. Применение модификаторов в узлах машин для решения триботехнических задач. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. – 282 с.
  3. Погодаев Л.И. Влияние геомодификаторов трения на работоспособность трибосопряжений // Пробл. машиностроения и надежности машин, №1, 2005. – С.58-67.
  4. Мироненко И.Г., Ломухин В.Б., Певнев А.Ф. и др. Лабораторные исследования геомодификатора «Трибо» // Трение, износ, смазка. 2002. Т.4. №4. С.109-122.
  5. Половинкин В.Н., Лавров Ю.Г., Аратский П.Б. Применение геомодификаторов трения для восстановления поверхностей узлов трения при эксплуатации «СЛАВЯНТРИБО-5. Наземная и аэрокосмическая трибология - 2000: проблемы и достижения» // Материалы междунар. Научно.-практ. Симпозиума. ВМПАВТО, РГТА. С-Пб. - Рыбинск, 2000. – С.289-290.
  6. Шабанов А.Ю. Очерки современной автохимии. Мифы и реальность?-СПб.: Иван Федоров, 2004.- 216 с.
  7. Гончаренко Ю.В., Петров В.М, Шабанов А.Ю. Восстанавливающие антифрикционные препараты – М.: Русэкотранс, 2003. – 40 с.

Авторы: Петров В.М., Шабанов А.Ю., Погодаев Л.И.
Санкт-Петербург, ПИМАШ, СПбГПУ, СПбУВТ