Глава
3. Области эффективного внедрения фундаментальных
открытий
в трибологии на основе самоорганизации
Основными областями эффективного внедрения открытий в трибологии являются пять направлений:
1.
Металлоплакирующие смазочные материалы.
2.
ФАБО рабочих поверхностей трибосопряжений.
3.
Реализация безызносного трения при металлообработке.
4.
Безразборное восстановление узлов трения.
5.
Разработка интеллектуальных материалов для узлов трения и на их основе
«универсальных узлов трения» механизмов и машин.
3.1
Металлоплакирующие
смазочные материалы
3.1.1.
Основные
характеристики металлоплакирующих смазочных
материалов
Многие десятилетия (более 60 лет) для обеспечения нормального режима работы и снижения износа сопряженных пар трения в смазочные материалы для химического модифицирования поверхностей трения вводились противоизносные – противозадирные присадки, включающие элементы V, VI,
VII групп Периодической системы Менделеева, в основном S, C1, Р- содержащие соединения в количестве до 15 %.
Общим в механизме действия защиты поверхностей трения таких присадок является образование тонких пленок около 0,1 мкм в виде сульфидов, хлоридов, фосфидов в результате химического взаимодействия присадок или продуктов их химического распада с контактирующими поверхностями.
Роль модифицирующих слоев состоит в насыщении свободных связей кристаллической решетки ювенильных поверхностей, обнажающихся в процессе пластической деформации при трении, и препятствовать их схватыванию и разрушению на глубину.
В случае применения сероорганических соединений (толщина пленки
300…400
Нм), пленка стабильна до 800°С; при использовании хлорсодержащих соединений образующаяся пленка полимолекулярного слоя хлоридов железа FeCl2, FeCl3 стабильна до 300 °С. Пленки фосфидов железа возникают при сравнительно низких температурах
(
200
°С).
Фосфорсодержащие присадки слабо повышают противозадирные свойства, но обладают антифрикционными. По противозадирным свойствам эффективны присадки, содержащие одновременно серу и хлор. По- видимому, хлориды, образующиеся на поверхности металла, повышают смазочные свойства вследствие большей пластичности, а сульфиды усиливают их действие,
81 обеспечивая больший противозадирный эффект. При всех режимах трения хлорсодержащие присадки были более эффективны и их активность зависела не столько от содержания хлора в сложной органической молекуле, сколько от подвижности (ср. хлор в алкильной группе и хлор в бензоле). Помимо термического разложения присадки могут подвергаться и гидролизу и тогда в смазочной среде появляются активные продукты. Для подавления кислотности, для защиты от коррозии, в смазочную композицию вводились щелочные добавки. Щелочное число являлось одним из показателей ресурса рабочего масла. Защита трущихся поверхностей применением сложных элемен- тоорганических соединений продолжается до тех пор, пока не израсходовалась присадка, после чего наблюдается ускоренный износ от каталитического действия обнаженного металла и коррозии. Недостатком использования таких присадок является и отсутствие автокомпенсации повреждений и износа. В связи с ужесточением условий эксплуатации машин и механизмов, большими тепловыми и фрикционными нагрузками, традиционно применяемые элементоорганические присадки не могут удовлетворять требования, предъявляемые к смазочным материалам. В решении этой проблемы получает развитие принципиально новое направление, основанное на научном открытии эффекта безызносности с использованием в узлах трения «металлоплакирующих» смазочных материалов (МСМ), обеспечивающих высокую износостойкость деталей машин, снижение расхода горюче- смазочных материалов и энергозатрат. 3.1.2.Получение и исследование металлоплакирующих смазочных материалов с применением металлов переменной валентности Металлоплакирование сопряженных поверхностей происходит в процессе работы узла трения при использовании смазочного материала, обеспечивающего условия режима ИП (эффекта безызносности) и cущественно отличается от граничного трения, где определяющим является адсорбция смазки и механическое взаимодействие. Если в качестве присадки используется металлический порошок, то процесс образования пленки этого металла на поверхности трения может осуществляться либо путем намазывания, (заполнения) неровностей, т.е. путем механической адгезии; либо под воздействием больших контактных давлений частицы металла могут вступать во взаимодействие друг с другом и с подложкой и образовывать прочную металлическую связь. При этом смазочная среда должна быть химически индеферентна по отношению к металлам, но достаточно вязкой для предотвращения слипания и 82 оседания частиц металла. Такой процесс реализуют для меднения, латунирования различных поверхностей. При введении в смазочную среду на минеральной или синтетической основе мягких металлов переменной валентности в различных формах соединений (оксиды, гидроксиды, металлорганические соединения, соли таких металлов, как свинец, олово, хром, медь, цинк, бронза и др.) на поверхностях трения в местах фактического контакта образуется защитная (сервовитная) металлическая пленка толщиной 1…2 мкм, которая в 10 раз превышает толщину пленок, образующихся при использовании смазочных материалов с элементоорганическими присадками. Благоприятное действие пленки металла будет в том случае, если ее толщина в зоне контакта будет в несколько атомных слоев (Боуден). Для осуществления процесса металлоплакирования в режиме ИП (эффекта безызносности) в смазочном материале наряду с металло-плакирующим соединением необходимо наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ) и соединений, способных растворять оксиды металлов и другие продукты. ПАВ участвуют в образовании комплексов, сольватированных частиц, в создании устойчивой дисперсной системы. Существенное значение в процессе металлоплакирования имеют электрокинетические явления. Структура сервовитной пленки. Свойства сервовитной пленки, образовавшейся в процессе трения, иные чем у обычного металла, полученного из руд. Такое различие обязано условиям образования пленки. Изучение структуры сервовитной пленки методом скользящего пучка рентгеновских лучей (угол не более 1°) показало, что верхние слои пленки имеют значительные структурные изменения по сравнению с нижележащими слоями. В приповерхностном слое нет скопления дислокаций (повреждений), приводящих к разрушению поверхности, пленка неспособна к наклепу, пориста, имеет малую сопротивляемость сдвиговым усилиям, низкий коэффициент трения и обладает высокой несущей способностью. Поверхностно-активные вещества, вводимые в смазочные материалы, или образующиеся при трении в самой смазке, легко хемосорбируются на поверхности такой пленки, образуя хемосорбированный слой (серфинг-пленка), что способствует дополнительному смазыванию и снижению коэффициента трения. 83 В режиме ИП протекают самоорганизующиеся процессы, приводящие при трении к диссипативной структуре, которая характеризуется: – гомогенной средой; – наличием фазового кинетического перехода (переход от консервативного передвижения дислокаций к переползанию; – обменом энергией и веществом с внешней средой (образование и распад комплексных соединений в смазке); – ускорением потоков диффузии при пластической деформации. Благодаря этим процессам диссипативная структура может существовать без финального исхода. Среди металлов, вводимых в смазочные материалы, наибольшее распространение получила медь и ее производные. Давно известно традиционное использование органических солей меди в качестве гомогенных катализаторов окисления углеводородов. Позднее была обнаружена способность органических соединений меди к антиокислительному действию и возможность усиления эффективности органических антиоксидантов путем координирования их функциональных групп с соединениями меди. С открытием эффекта безызносности все чаще стали появляться работы с применением соединений переходных металлов для повышения износостойкости узлов трения и их несущей способности. Следует заметить, что металлосодержащие добавки чаще всего использовались в консистентных смазочных материалах, буровых растворах, СОТС (смазочно- охлаждающая технологическая среда). Гораздо меньше рекомендаций по применению их в маслах, что связано, очевидно, с большими требованиями, предъявляемыми к маслам: сохранение реологических свойств, растворимость, стабильность системы и др. Авторами впервые показана возможность применения неорганических солей – галогенидов металлов переменной валентности, как добавок к маслам для улучшения их триботехничеких свойств. Были исследованы хлориды, бромиды, иодиды металлов: Си, Со, Zn, Sn, Cr, Fe, Al, Cd. Испытаниями на машинах трения МИ-1М и ЧШМ выявлены наиболее эффективные соли: хлориды меди и олова в высшей валентности. Для обеспечения стабильности системы дополнительно в масла вводились присадки С-5А или Дипол-40 и синтезированные в лаборатории азометиновые основания или 2-иминозамещенные индолина. Замена же неорганических солей на органические (ацетат, нафтенат показателей масла не привела Поиск оптимальных концентраций минимальное время работы работоспособный слой при на модернизированной установке Эффективность масляных содержащие соли хлорида обкаточным маслом ОМ- маслом АС-8 + 3% противозадирной основу. Результаты испытаний (рис температуры поверхностных низких значениях этих параметров образцов на масле с ХМС присадкой Л3-23к и ОМ-2 соотв Рис. 3.1. Изменение температурыролик1 – АС-8; 2 – АС-8 + 3% Л АС-8 + 5% ХМС +1% С-5А Исследование эффективности при испытании на масле АС при удельной нагрузке 5,0 МПа 84 ацетат нафтенат меди) к улучшению трибологических привела. концентраций солей, вводимых в масла, работы сформировать на поверхностях слой при минимальном износе в сопряжении установке МИ-1М. масляных композиций, включающих опытные орида меди (ХМС) и хлорида олова (ХОС -2, содержащим присадку ксантогенатного противозадирной присадки Л3-23к и АС испытаний рис.3.1) показали, что стабилизация поверхностных слоев наступила уже через 30…40 этих параметров, чем для масла ОМ-2. При ХМС был в 2,3 и 1,6 раза меньше, чем 2 соответственно (табл. 3.1). Изменение температуры поверхностных слоев парыролик и момента трения на маслах: 8 + 3% Л3-23к; 3 – ОМ-2; 4 – АС-8 + 3% ХОС 5А эффективности композиций при высоких нагрузках масле АС-8 схватывание образцов (задир) происходило нагрузке 5,0 МПа, а на масле с присадкой Л3-23к улучшению трибологических масла, позволяющих за поверхностях трения сопряжении, осуществлялся опытные присадки, ХОС), сравнивали с ксантогенатного типа, с и АС-8, принятым за стабилизация момента трения и 30…40 мин при более 2. При этом износ меньше, чем на маслах с слоев пары колодка– ХОС + 1% С-5А; 5 – нагрузках показала - задир) происходило уже 23к – при 10 МПа. В случае испытания масел, удельной нагрузки до 12,5 трения (рис. 3.2).
Триботехнические_опытных__масел_Рис_._3.2._Определение_нагрузочной'>Триботехнические
опытных
масел
Рис
. 3.2. Определение нагрузочной
1 – АС-8; 2 – АС-8 + 5% Л
АС-8 + 5%ХМС + 1% С-5А
Положительное воздействие установлено в процессе экс в местах непосредственного вводимой соли.
85 масел, содержащих хлориды меди и олова до 12,5 МПа практически не меняет величину
Триботехнические
свойства приработочных масел
масел
, содержащих хлориды меди и олова
нагрузочной
способности масел при
паре
трения скольжения:
8 + 5% Л3-23к; 3– ОМ-2; 4 – АС-8 + 3% ХОС
5А воздействие масла с ХМС и ХОС, объясняется процессе экспериментов, образованием на рабочих непосредственного контакта сервовитной пленки, содержащей и олова, увеличение меняет величину момента
Таблица
3.1
приработочных масел
и
меди и
олова
при
испытании на
ХОС + 1% С-5А; 5 –
ХОС, объясняется, как рабочих поверхностях содержащей металл
86 Исследование этой защитной пленки на стальном образце проводилось с использованием физических методов – фотоэлектронной спектроскопии и электронно-зондового микроанализа. 3.1.3.Инструментальный метод исследования поверхностей трения С помощью электронного растрового микроскопа Hariba (х2000) получена микрофотография участка наибольшего контакта поверхности трения, смазываемой маслом с ХМС и рентгеновский спектр того же участка, полученный на приставке EDAX. На спектре наблюдались характеристические линии железа, никеля (легирующий элемент стали) и меди. Распределение медьсодержащих участков на поверхности трения зафиксировано с помощью прибора Camebax, состоящего из электронного растрового микроскопа и электронно-зондового анализатора. Микрофотографии, полученные в рентгеновских лучах CuKα1,2 и FeKα1,2 свидетельствуют о концентрировании меди в местах фактического контакта. На рентгено-электронном спектрометре фирмы Хьолетт-Паккард с анализируемых поверхностей также получены электронные спектры, подтверждающие содержание меди на стальной поверхности, а при использовании масла с ХОС – олова в виде оксидов, Cu 2 0, CuO, Fe 2 O 3 , SnO2 (рис. 3.3). Рис. 3.3. Электронные спектры поверхностей трения после испытания на маслах: а –АС-8 + 5% ХМС + 1% С-5А; б – АС-8; в – АС-8 + 3% ХОС + 1% С-5А Таким образом, инструментально доказано, что металлоплакирование рабочих поверхностей (сталь 45) при трении в среде смазочного материала, содержащего хлориды переходных металлов, осуществляется за счет
87 образования металлосодержащей защитной пленки, которая сконцентрирована на участке фактического контакта.
3.1.4.
Особенности
кинетики износа пары трения при использовании
металлоплакирующего
смазочного материала
С помощью специального датчика на машине трения, имитирующей пару вал – частичный вкладыш, получена кинетика износа пары трения сталь– сталь на приработочных маслах с ХМС, ХОС и базовом масле М-11 (рис. 3.4).
Высокая чувствительность датчика износа позволила фиксировать не только суммарный износ образцов трения, но и проследить образование вторичных структур во времени.
В первоначальный период работы пары трения на исследуемых смазочных композициях наблюдается повышенный износ поверхностей
(кривые 2, 3). В дальнейшем износ стабилизируется благодаря образованию металлоплакирующей пленки и остается постоянным в течение всего времени испытания. Стабилизация износа характеризует завершение формирования площади контакта (приработки) трущихся деталей и по времени соответствует стабилизации момента трения и температуры п поверхностных слоях (см. рис.
3.4).
Рис
.3.4. Кинетика износа пары трения сталь–сталь на приработочных
маслах
с ХМС (3), ХОС (2) и базовом М-11 (1)
Размах колебаний кривой износа есть не что иное как толщина пленки, образуемая металлом вводимой присадки, которая составляет для масла с ХМС
1,2…2,0 мкм, а для масла с ХОС – 0,8…1,2 мкм.
Испытания, проведенные на установке МИ-1М по выявлению данной характеристики смазочной композиции с ХМС, и эмиссионный анализ отработанного масла показали, что с увеличением числа приработок время приработки удлиняется. Последнее связано, очевидно, с уменьшением
88 концентрации меди в масле и накоплением железа в масле по мере увеличения числа приработок. Наличие ионов С1 в смазке в начальной стадии процесса трения способствует быстрому (опережая процессы схватывания) протеканию химических реакций с металлом поверхности трения с образованием защитных слоев ‒хлоридов железа, которые уже могут обеспечить нормальный режим трения во фрикционном контакте. FeO + 2НС1 →FeCl2 + Н2О Fe203+ 6HC1→ 2FeCl3 + ЗН2О. В дальнейшем при разрушении химической пленки (хлорида железа) медь или олово, содержащиеся в масле в виде ионов, комплексов или сольватированных частиц, под действием трибо-ЭДС переносятся на ювенильную поверхность в зоне контакта. Восстановление ионов меди, например, до нейтральных частиц возможно как на поверхности трения, так и альдегидами и оксипероксидными радикалами. При более высоких температурах восстановление металла в состоянии высшей валентности может протекать и при участи углеводородов. В результате проведенных теоретических исследований и натурных испытаний созданы смазочные материалы – консистентные смазки широкого профиля, моторные масла с использованием растворимых металлоплакируюших присадок и организовано их многотоннажное производство для железнодорожного и автомобильного транспорта и других отраслей промышленности. Полученные результаты еще раз подтверждают, что разработанные смазочные материалы, работающие в режиме граничного трения, считающегося разрушительным процессом, приводят к самоорганизующимся созидательным процессам, реализуя низкий коэффициент трения, равный жидкостному, обеспечивая безызносное трение. На присадки к маслам и пластичным смазочным материалам получено шесть патентов: – в 2002 г. разработана антифрикционная металлоплакирующая смазка (металлоплакирующий смазочный материал); – в 2004 г. специалистами корпорации «Сплав ЛТД» учеными В.Г. Бабель, С.М. Мамыкиным и Д.Н. Гаркуновым была создана металлосодержащая маслорастворимая композиция для смазочных материалов ТУ-0257-001- 17368431-05, патент РФ 2277579 (далее по тексту МСК «Валена»), используемая в различных смазочных материалах и маслах; 89 – в 2006 г. разработана консистентный смазочный материал «Металлплакс- П», с использованием МСК «Валена» для подшипников качения буксовых узлов локомотивов и других узлов трения машин и механизмов; – в 2007 г. разработан смазочный материал «ПУМА-М» с использованием МСК «Валена» для тяжелонагруженных механизмов на железнодорожном транспорте; – в 2010 г. создана металлоплакирующая, многофункциональная композиция МФК «Сервовит» для моторных, трансмиссионных и индустриальных масел. – в 2012 г. Получен зарубежный патент на композицию МФК «Сервовит» в Германии. | 
Скачать 6.32 Mb.