Применение ГТМ-технологии позволяет улучшать свойства поверхностей трения в зоне контакта деталей, не создавая промежуточных "временных" пленок из антифрикционных материалов, а также оптимизировать зазоры в сопряжениях деталей за счет восстановления геометрии изношенных поверхностей трения.
Суть метода
В процессе проводимого ремонта на поверхностях пар трения агрегатов в зонах контакта образуется модифицированный слой, представляющий собой монокристалл, выращенный на кристаллической решетке поверхностного слоя самого металла. Одновременно в результате диффузии материалов ГТМ с поверхности в глубину металла, улучшается структура его кристаллической решетки и, тем самым, упрочняется приповерхностный слой самого металла.
Термодинамические процессы, происходящие в зонах трения в присутствии ГТМ компаунда, способствуют образованию более толстого модифицированного слоя в местах наибольшей выработки металла. Таким образом, в процессе ремонта постепенно стабилизируется и приближается к оптимальной величина зазора между трущимися деталями по всей площади пятен контакта.
Для достижения аналогичного эффекта в новых агрегатах традиционно используются дорогостоящие высококачественные стали, повышаются классы обработки их поверхностей, уменьшаются допуски, а в ряде случаев, как, например, в спортивных двигателях, детали и узлы индивидуально подбираются друг к другу. И, не смотря на все эти меры, агрегаты все равно изнашиваются по причине неизбежного контакта металлов при трении.
Основные свойства и показатели получаемых модифицированных покрытий:
- Коэффициент линейного термического расширения 13,6...14,2.
- Очень низкий коэффициент трения - около 0.007.
- Микротвердость поверхностей 690...710 HV.
- Ударная прочность 50 кг/мм2.
- Высокая коррозионная стойкость.
- Ярко выраженные свойства огнеупора и диэлектрика.
Таким образом, мы покрываем поверхности зон трения и контакта хорошо совместимым с железосодержащими материалами, алмазоподобным модифицированным слоем - наиболее стойким на истирание, обладающим отличными антикоррозийными и диэлектрическими свойствами, хорошим огнеупором.
Технико-экономические показатели
1. Стоимость восстановления по ГТМ - технологии в два-пять раз ниже стоимости капремонта по обычным технологиям.
2. Ремонт техники производится в режиме штатной эксплуатации, не требует специально оборудованного помещения и наличия запчастей.
3. Технология позволяет заменить плановые ремонты планово-предупредительной обработкой со значительным увеличением ресурса (в два-восемь раз).
4. Наличие модифицированного слоя на поверхностях трения при эксплуатации приводит к снижению потребления электроэнергии и топлива на 10...40 %, а некоторых случаях и более.
За счет снижения коэффициента трения резко увеличивается срок службы смазок.
Физическая картина процесса трения
Масла.
Даже очень хорошо подготовленная поверхность стали при детальном рассмотрении имеет вид вспаханного поля с чередой пиков, кратеров и редких равнин между ними, как на рис.1. В процессе движения этих поверхностей друг относительно друга их наиболее выступающие пики (рис.2) приходят в соприкосновение и выбивают друг друга, образуя на обеих поверхностях по микро кратеру (рис.3). В каждый последующий момент работы будут соприкасаться и стираться другие выступы микрорельефа, добавляя в масло все новые и новые частицы металла, увеличивая зазоры. Классический способ борьбы с трением - использование "масляного клина" в зонах трения приводит к существенному уменьшению вышеописанных эффектов, и до недавнего времени задача увеличения моторесурса двигателя решалась путем улучшения свойств применяемых масел, а также специальной обработкой металлических поверхностей.
Присадки.
В последние годы появились многочисленные присадки, как улучшающие свойства масел, так и выравнивающие дефекты микрорельефа трущихся поверхностей. Механизм работы присадки кратко рассмотрим на примере рис.4, где та же пара трения показана крупным планом. В состав данной присадки входят антиокислительные (коричневые), антизадирные (синие) и заполняющие (бордовые) элементы. В процессе трения крупные кратеры на поверхностях металла заполняются, и частично выровненные поверхности как на шариках антизадирных элементов проскальзывают друг по другу. Основной недостаток данной технологии состоит в том, что в местах трения все время необходимо наличие присадки, причем в достаточной концентрации. Постоянное поддержание значительной концентрации присадок в системе подачи масла приводит к тому, что в процессе работы двигателя продукты износа присадок постепенно засоряют узкие места масляных каналов, давление снижается и т. д. Кроме того, нужно понимать, что применение присадок лишь притормаживает процесс износа пар трения, по существу не восстанавливая технических характеристик агрегата. Это не ремонт, а скорее увеличение ресурса.
ГТМ - технология.
Процесс образования алмазоподобного углеродистого модифицированного слоя на поверхностях пар трения, рассмотрим подробнее на рис. 5-6, где как и раньше крупным планом показано место локального контакта (рис 3.). В соответствии с технологией ГТМ (частицы зеленого цвета) добавляются в носитель, в данном случае - масло, причем не новое, а уже имеющее в своем составе продукты трения (серого цвета). Если условно разделить протекающие процессы на этапы, то можно представить себе картину следующим образом. За счет высоких моющих свойств ГТМ в местах контакта происходит суперфинишная обработка поверхностей трения – очистка нагаров, окислов, деструктурированного масла. В местах локального контакта в микрообъемах возникают высокие температуры (до 1000 град. С и более), что приводит к инициации микро металлургических процессов. В результате происходит образование алмазоподобной кристаллической решетки выращенной на поверхностности пар трения (рис.5). Практически одновременно с этим происходит изменение микрорельефа и изменение поверхностного слоя. Поскольку элементы ГТМ работают как катализаторы, постольку в местах трения создаются условия для активного протекания окислительно – восстановительных процессов. В результате этих реакций материалы ГТМ диффундируют в подложку, укрепляя и модифицируя поверхностный слой. Одновременно в пограничной области происходит образование новых кристаллов, наращенных на кристаллической решетке поверхностного слоя металла. Они показаны зеленым цветом на рис 6. В дальнейшем эти кристаллы ориентируются вдоль поля и срастаются, образуя на всей поверхности пятна контакта непрерывный ряд твердых растворов или как мы понимаем, монокристаллы. Все вышеуказанные процессы на самом деле протекают практически одновременно и имеют место до тех пор, пока в носителе не иссякнет добавленный строительный материал ГТМ, или в системе не наступит равновесие: все зазоры будут выбраны до оптимальной величины, определяемой термодинамическими процессами, протекающими в каждой точке локального контакта данной системы.
В конечном счете, оптимизация зазоров в местах контакта определяется конструктивными особенностями самой системы и всего агрегата в целом. Теперь в местах контакта вместо трения металл-металл будет монокристалл-монокристалл, а эта пара имеет существенно меньший в 14-15 раз коэффициент трения и гораздо большую износоустойчивость (в 8 раз). Ярким примером преимущества нашей технологии служит процесс "холодного" запуска двигателя внутреннего сгорания, когда наши покрытия уже работают, а масла и присадки к ним - еще не поступили. По некоторым оценкам трение при "холодном" запуске создает от 50 до 80% износа двигателя. Следовательно, изменение режимов трения при запуске двигателя - это способ существенного повышения его ресурса. Необходимо отметить, что при трении модифицированных покрытий значительно снижаются требования к качеству применяемых масел. Масло уже не должно выполнять функцию эффективного третьего тела, а лишь функцию тепло отвода, аналогично тосолу.
Таким образом, мы предлагаем технологию, позволяющую провести не только ремонт изношенного механизма, но и значительно улучшить его параметры и увеличить срок его эксплуатационного ресурса, с повышением мощности двигателя внутреннего сгорания при снижении расхода топлива, увеличение производительности компрессоров, снижение потребления электроэнергии на станках и электроинструменте, причем дешевле и технологически проще обычного ремонта.