15.4. Ремонтно-восстановительные составы (рвс) и их роль в прцессах образования поверхности трения

Эффект CMC-технологии основан в создании на поверхностях трения монолитной силикатномагниевой поверхности (СМП), в основу образования которой положена энергетическая теория, при которой (при температурах в локальных контактах 823÷900⁰К) происходят трибохимические реакции замещения атомов железа основного материала на атомы СМС [2].

Полученная силикатномагниевая поверхность имеет одинаковый с основным металлом коэффициент линейного термического расширения, обладает высокой твердостью и свойствами диэлектрика. Коэффициент трения СМП составляет 0,03 – 0,07. При этом срок безремонтной эксплуатации механизма становиться практически равным сроку службы механизма.

Таким образом, благодаря использованию CMC можно получить следующие положительные эффекты:

1. Не требуется применение антифрикционных материалов с повышенными противоизносными свойствами в машинах и механизмах металлургического производства;

2. Нет необходимости использовать технологии, улучшающие качество поверхностей трения, машин и механизмов металлургического цикла;

3. Отпадает необходимость разработки присадок к смазочным материалам машин и механизмов металлургического цикла;

4. Принципиально меняются технология ремонта машин и механизмов металлургических предприятий и требуемые для ремонта производственные мощности ремонтных цехов мастерских и участков;

5. Уменьшается трение в машинах и механизмах металлургических цехов и повышается производительность;

В итоге повышается эффективность использования энергетических ресурсов при эксплуатации машин металлургических цехов, что и является одной из форм энергосбережения на предприятиях отраслей промышленности.

Основы технологического процесса образования серпентино-мегниевой поверхности (смп)

СМП - технология — технология восстанов­ления изношенных узлов и механизмов серпентино-магниевыми составами (СМС) без разборки в режиме штатной экс­плуатации.

Восстановление по СМП – технологии, это перечень технологических операций, конеч­ным результатом которых является получе­ние на поверхностях трения и контакта де­талей машин силикатно-магниевого за­щитного слоя (СМП) достаточной толщи­ны для компенсации износа, при введении в узел трения СМС соответствующего режиму обработки.

Действие серпентино-магниевых составов (СМС), базируется на уникальном действии порошка серпентина (Мg₂SiO₄) (в русской минералогии – змеевик) оказывать воздействие на поверхность трения. При доставке смазкой СМС в зону контакта поверхностей трения происходит химический процесс внедрения в его структуру микрочастиц минерала и образование композитной металлокерамической структуры (металл - минерал) который по своим механическим свойствам обладает очень высокой твердостью и износостойкостью.

Доставка СМС в зону контакта поверхностей осуществляется через систему смазки. Смазка выполняет роль не только вязкостного разделителя, но и носителя ремонтного состава. Для снижения расхода СМС смазка должна быть «приработана» к узлу трения и отвечать высоким диэлектрическим свойствам. Анализ проведённых экспериментов показывает, что трибохимическая реакция с образованием СМП протекает эффективно, если электрическое сопротивление смазки не понижается до 0,8 ÷ 1 кОм. В противном случае наблюдается эффект «туннельного» пробоя смазки, а электромагнитные поля, созданные при измельчении состава СМС шероховатостями работающих деталей, резко уменьшаются и образовавшиеся валентные радикалы химических реакций перестают удерживаться в зоне контакта. Для таких условий обработки поверхностей, как правило, требуется многоэтапная обработка с детальным обоснованием и определением режима обработки при каждой последующей засыпке СМС.

Полученный материал СМП имеет следующие качественные отличия от основного металла: по своей природе не чужероден металлу и поэтому удерживается на поверхности стали значительно лучше, чем хром, никель и различные наплавки. СМП имеет одинаковый со сталью коэффициент линейного термического расширения, т. е. не скалывается при нагреве – охлаждении; обладает пластичностью до 5 МПа. Твердость поверхностей деталей достигает 63 – 70 HRC, а коэффициент трения деталей покрытых МКЗС составляет 0,03 – 0,07. МКЗС – диэлектрик, он огнеупорен, температура его разрушения 1575 – 1600˚С, стоек к коррозии 35.

Согласно точке зрения японских исследователей: Камимото И; Сига А, процесс образования МКЗС (условно) можно разделить на четыре этапа:

1.Операция измельчения частиц РВП выступами микрорельефов поверхностей сопряженных деталей. Если посмотреть на поверхность контакта сопряженных деталей под увеличением, то она состоит из пиков и углублений, забитых продуктами износа и разложения масел и присадок (Рис.19).

Когда механизм включается в работу, нагрузка сближает поверхности трения, выступы микрорельефа рвут пленки, создаваемые маслом и присадками, и, набегая друг на друга, сламываются, добавляя в масло дополнительную порцию загрязнителей. В местах слома выступов происходят микровспышки, разрушающие масла и присадки (Рис.19).

При добавлении СМС выступы микрорельефа, как зубья своеобразной мельницы, размалывают частицы СМС. В местах слома при высоких локальных температурах (температура зависит от скорости слома и твердости самого выступа и может достигать 1400⁰C) протекают своеобразные микрометаллургические и химические процессы с образованием новых кристаллов. При этом остальная масса металла быстро снимает тепло из зон контакта. Это является необходимым условием для кристаллизации такого расплава. При этом начинает идти реакция замещения за счёт адсорбирования водорода и образование новых связей Si - O - OH; Si - O - Fe и т. д. 36. Так в местах выступов появляются первые пятна СМП.

Рис.19. Исходное состояние: -частицы загрязнителей; -частицы металла и РВП; -штатная мазка

2.Очистка микрорельефа. Частицы СМС, если их рассматривать относительно выступов и углублений микрорельефа (Рис. 20), - довольно крупные, то при размоле их происходит интенсификация процессов микросваривания и микросхватывания, т.к. большее количество микровыступов будет сломано от контакта с частицами СМС.

Рис.20. Срезание неровностей и домол частиц РВС выступами микрорельефа.

Одновременно происходит процесс очистки микрорельефа от всех загрязнителей (продуктов износа и разложения смазок, присадок и т.д.), присутствующих на поверхности трения. Решение этой задачи закладывается на этапе изготовления СМС, его особой структурой и соответствующими добавками. Обычные моющие присадки в составе смазки не способны очистить микрорельеф до такой степени, как это выполняет измельчаемый порошок СМС. В ходе домола частиц состава, происходит выдавливание загрязнителей из вогнустей микрорельефа поверхностей (Рис.21) и образование первых «чешуек» метало-керамического защитного слоя (МКЗС).

Рис.21. Образование первых чешуек МКЗС и очистка микрорельефа от загрязнителей. -чешуйки МКЗС.

3. Уплотнение частиц СМС в углублениях микрорельефа. Чем меньше будет продуктов загрязнения, тем успешнее будет происходить очень важная стадия - плотного уплотнения домолотых частиц восстановительного состава. Именно при плотном уплотнении, в присутствии катализаторов и при энергии, выделяемой при трении и измельчении состава, протекает химическая реакция замещения атомов магния в кристаллических решетках СМС на атомы железа поверхностного и подповерхностного слоев металла.

Плотное уплотнение частиц СМС (Рис. 22) обеспечивается их слабомагнитными свойствами (ориентируются в определенном порядке векторами электромагнитных полей), абсолютной спайностью (вступают силы межкристаллического взаимодействия). Кроме того, они выстраиваются по направлению наименьшего механического сопротивления, а выступы микрорельефа при контакте еще и утрамбовывают частицы СМС. 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.

Рис.22.Очистка микрорельефа поверхности трения.

Толщина слоев СМП пропорциональна количеству уплотненных частиц СМС и энергии, выделяемой при трении, и регулируется автоматически: есть энергия при трении и контакте - СМП растет, зазоры компенсируются, в результате чего выделение энергии снижается, прекращается реакция замещения - прекращается рост СМП.

4.Операция образования СМП. Все три предыдущие операции в итоге обеспечивают плотный контакт домолотых частиц РВС к металлу поверхностного слоя. Необходимая энергия для прохождения реакции замещения - это энергия трения и контакта измельчения СМС. Кроме того, специальные катализаторы обеспечивают протекание этой реакции уже при температурах в микрообъемах около 120⁰С и с относительно большой скоростью (15-25 часов непрерывной или суммарной работы механизма). В результате в углублениях и на выступах микрорельефа образуются видоизмененные кристаллы с большими пространственными кристаллическими решетками (Рис. 23), которые и образуют металлокерамический защитный слой, возвышающийся над каждым выступом микрорельефа. Так происходит выравнивание геометрии поверхностей контакта деталей машин , оптимизация зазоров в сопряжениях (Рис. 24) и образование МКЗС (рис. 25).

Рис.23. Уплотнение РВП и МКЗС на поверхности трения.

Рис.24. Прохождение реакции замещения с образованием новых кристаллов МКЗС.

Рис.25. Образование МКЗС, восстановление номинальных зазоров и геометрии сечения.

В природе, в результате гидратации ультраосновных пород и в результате процессов серпентинизации за сотни миллионов лет происходит реакция замещения атомов Fе атомами Mg при строительстве кристаллов серпентина. Рассмотренный способ позволяет запустить процесс износа поверхности трения в обратном порядке. В этом суть данного процесса.

Анализ многочисленных попыток применения СМС для обработки изношенных узлов трения, к сожалению, навсегда успешные. Проведённые исследования свидетельствует, что причина неудач, прежде всего, кроется в режимных аспектах обработки и отсутствии технологического контроля за трибохимическими процессами обработки.