ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2009
УДК 621.891:656.53
© 2009 г. Погодаев Л.И., Буяновский И.А., Крюков Е.Ю., Кузьмин В.Н., Усачев В.В.
К МЕХАНИЗМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ СЛОИСТЫХ ГИДРОСИЛИКАТОВ С ПОВЕРХНОСТЯМИ ТРЕНИЯ
Приведены результаты анализа особенностей взаимодействия порошкообразных слоистых гидросиликатов типа серпентинита с поверхностями деталей в трибосо-пряжениях. Наибольшее внимание уделено процессам формирования защитных металлокерамических слоев на поверхностях трения в связи с атомно-молекуляр-ным строением слоистых гидросиликатов.
В последнее время большое внимание ученых и различного рода предпринимателей уделяется использованию нерудных полезных ископаемых, представляющих собой древнейшие кварц-образующие и кварц-содержащие породы. Переработка этих пород по специальным технологиям [1, 2] позволяет получить так называемые геомодификаторы (геоактиваторы) трения (ГМТ). Использование смазочных композиций с добавками ГМТ может существенно повысить работоспособность трибоспоряжений [3—8 и др.]. Упомянутые ГМТ, в частности, слоистые гидросиликаты (серпентиниты), относят ко второму поколению, а к первому относят графит и молибденит.
Несмотря на значительное количество публикаций по вопросам использования ГМТ типа серпентинитов в виде добавок к жидким и пластичным смазочным материалам для повышения работоспособности трибосопряжений, многие аспекты практического использования смазочных композитов с ГМТ и, особенно, вопросы о сущности и физической природе взаимодействия силикатов с поверхностями трения деталей изучены недостаточно полно. Это не позволяет с наибольшей эффективностью использовать в машинах и механизмах этот весьма перспективный вид минералов.
В настоящей статье предпринята попытка разработки физической модели формирования защитных металлокерамических слоев на поверхностях трения металлических деталей в зависимости от условий внешнего механо-термического воздействия и неоднородной атомно-молекулярной структуры фрагментов слоистых гидросиликатов. На этот ключевой вопрос, связанный с упрочняющими (защитными) и ремонт-но-восстанавливающими технологиями за счет использования смазочных композиций с ГМТ, пока еще нет однозначного и научно обоснованного ответа.
Как отмечалось, к первому поколению ГМТ относят графит, молибденит и ряд других минералов. Их слоистая структура снижает потери на трение в сопряжениях за счет облегчения сдвиговых деформаций между слоями, которых в частицах графита и молибденита большое количество. Например, расстояние между двумя соседними слоями в дисульфиде молибдена составляет всего 0,3 нм. Смазочные композиции с частицами графита и молибденита в зоне трения постепенно измельчаются до тонкодисперсной коллоидной смеси, которая в виде тонкой прослойки разделяет поверхности сопряженных деталей, снижает коэффициент трения и в целом повышает работоспособность трибосопряжений.
Ко второму поколению природных ГМТ относят слоистые гидросиликаты ряда металлов, среди которых наибольший научный и практический интерес вызывают сер-
п/п Наименование Химическая формула Содержание, масс. %
1 Серпентин МдаОюКОН^ 60-80
2 Магнетит Ре3О4 5-20
3 Хлориты (Мн, Бе2+, Бе3+) ■ [А^О^КОН^
4 Слюды АВ2-3[Т4О10](ОН, Б)2, где А = К, №, Са и др.; В = А1, МБ, Бе; Т = 81, А1 0-10
5 Форстерит Мн4[81О4]
6 Диопсид СаМн^Об]
7 Авгит Са(Мя, Бе, А1)[(81, А1)2О6] 0-5
8 Амфиболы А2-3В5[(81, А1)4О11]2(ОН)2, где А = Мб, Бе2+, Са или №; В = Мб, Бе2+, Бе3+ или А1
9 Гидроталькит МНбА12(ОН)1б[СОз] ■ 4Н2О 0-12
10 Карбонаты СаСО, СаМя(СО3)2 и др.
11 Полевые пшаты, например ортоклаз К[А18зОш] 0-9
12 Сульфиды, например халь- СиБе82 0-2
копирит
13 Оливин (Мн, Бе)2[81О4]
14 Пироксен АВ[812О6], где А = Li, №, Са, Мб или Бе2+; В = Мб, Бе3+ или А1 0-3
15 Прочие примеси Асбест, платина, золото, редкоземельные 0-5
элементы и т.д.
пентиниты, которые имеют довольно сложную структуру, минеральный и химический состав, решающим образом влиящие на свойства и качество конечного продукта. К серпентинитам относят горные породы, содержащие 70—80% минералов группы серпентина. Свободных от примесей пород в природе не встречается. На примеси обычно приходится 5—15 мас. %. В серпентинитах часто присутствуют реликты оливинов, пи-роксенов, амфиболов и рудных минералов: хромита, магнетита, сульфидов меди, никеля, кобальта и железа (табл. 1) [8]. В структуре серпентинитов присутствуют гетерогенные срастания минералов группы серпентинов с другими слоистыми силикатами — тальком, хлоритами, каолинитом, смектитами (рис. 1).
Кроме серпентинитов в настоящее время в трибосопряжениях в качестве ГМТ используют довольно широкий круг минералов (табл. 2) [8]. В серпентинитах могут также присутствовать вещества (не указанные в табл. 1) — 5—10 наименований в количестве до 10—12 мас. %.
Большой разброс исходного сырья по составу предъявляет особые требования к его отбору и последующей переработке. Это необходимо для обеспечения стабильности составов ГМТ, используемых в трибосопряжениях. После переработки сырья продукты контролируют по 18—20 параметрам, чаще всего по 5—6. При отсутствии необходимого контроля за составом и свойствами препаратов, содержащих ГМТ, влияние смазочных композиций с ГМТ на работоспособность трибоспоряжений может изменяться в очень широких пределах и в ряде случаев приводить к негативным результатам [3—5].
Опытные данные разных исследователей, в частности, приведенные в работе [8], указывают на значительный разброс результатов при использовании смазочных композитов с ГМТ. Разброс по коэффициентам трения в сопоставимых условиях испыта-
№, п/п Наименование веществ Количество разновидностей
1 Серпентиниты осн. Mg6[Si4O10](OH)8 28
2 Ряд Si02 18
3 Ряд А1203 (с полудрагоценными камнями) 10
4 Жадеит №АШ206 4
5 Графит 2
6 Алмазы 3
7 Слюды, напр. ЕМ^3А1 Si3O10(OH)2 4
8 Циркон 2г^Ю4] 2
9 Бадделеит Zr02 1
10 Эвдиалит Ма12Са6Ре^г3^309]^9024(0Н)3]2 1
11 Оливин Mg18Ре0 2^Ю4] 3
12 Ряд форстерита Mg2Si04 4
13 Комбинированные вещества 10
ний может изменяться в пределах от 3—4 раз при использовании ГМТ из различных месторождений до 1,5—2,0 раз для одного месторождения. На рис. 1 зона разброса значений коэффициентов трения при использовании серпентинитов из одного месторождения заштрихована. Зона включает 60 опытных точек, которые для ясности не нанесены. Кроме демонстрации о количественном разбросе /рр при использовании смазочных композитов с добавлением серпентинитов из рис. 1 вытекают степенные зависимости среднего значения (/^)ср от контактного давления р
(4>ер = СОШ^зР", (1)
где сош^ 2 3 — опытные коэффициенты: сош^ — для линии 1 (при " = 0,41) и сош12и3 для отрезков 2 (при " = 0,34 и " = —0,5 соответственно).
Приработка пар трения при смазывании Литолом-24 и смазочной композиции с ГМТ завершается при р = 2 МПа и/Рр равных примерно 0,135—0,14 и 0,11—0,115 соответственно. Прир > 3,0 МПа начинает формироваться металлокерамический слой при постепенном снижении /Рр и проявлении положительных защитных свойств ГМТ. Ниспадающая ветвь кривой 2 показывает, что для формирования на поверхностях трения плотного металлокерамического слоя необходимы повышенные давления и соответствующие более высокие локальные вспышки температуры на участках фактического контакта.
Структура серпентинов (триоктаэдрических слоистых силикатов) представляет собой двухэтажные слои, состоящие из кремнекислородной тетраэдрической и брусито-подобной октаэдрической сетки, соединенных между собой через общие вершины (рис. 2, а). Между сетками существует существенное размерное несоответствие. Размер ячейки, занятой крупными катионами магния М^2+ идеальной октаэдрической сетки, составляет 9,43 А, а размер ячейки кремниевой тетраэдрической сетки всего 9,1 А. Различие в размерах элементов кристаллических решеток (сеток), равное 0,33 А, приводит к возникновению напряжений и соответствующих деформаций, проявляющихся в плоских, цилиндрически изогнутых и волнообразных с переменным направлением изгибом слоях. Серпентин М§6[$14010](0Н)8 состоит из 36 атомов и является слоистым силикатом: тетраэдрические слои Si203 состоят из 5 атомов, а октаэдриче-ские М§302(0Н)4 из 13. Различным модам деформации соответствуют полиморфные разновидности серпентина: лизардит, хризотиласбест и антигорит. Бруситоподобная сетка механически легко разрушается и при разложении выделает воду, а также ионы магния, необходимые для ионно-обменных реакций.
В хризотиле кривизна слоев уменьшается к внешним слоям, поэтому полную компенсацию несоразмерности тетра- и октаэдрических слоев можно реализовать только
Рис. 1 Рис. 3
Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от удельного давления при испытании пары чугун — чугун на машине трения СМЦ-2 в присутствии Литола 24 (кривая 1) и смазочной композиции (Литол 24 с добавлением серпентинита шести составов из одного месторождения: кривая 2 и заштрихованная зона) Рис. 3. Результаты дериватографического анализа ГМТ: 1 — потери массы при изменении температуры нагрева; 2 — изменение разности между температурой нагрева и фактической температурой препарата
в одном из этих слоев. В лизардите несоразмерность исчезает за счет искажения геометрии тетра- и октаэдрических слоев, а также за счет замещения и М^ на А1 и Бе. Однако структура серпентина остается напряженной. В структуре антигорита может произойти полная компонесация несоразмерности сеток, что делает эту серпентини-товую ассоциацию наиболее стабильной при повышенных давлениях и температурах. В связи с повышенным сопротивлением разрушающему (механическому) воздействию, антигорит является более эффективным (абразивным) материалом, с точки зрения микрошлифования поверхностей трения, в сравнении с другими полиморфными разновидностями серпентина. Однако он уступает им по степени изменения объема субстанций при релаксации когерентных напряжений между тетра- и октаэд-рическими слоями в серпентине.
Пластинчатая разновидность серпентина — антигорит наиболее стабильная и устойчивая к внешнему (механическому) воздействию и высоким температурным перепадам модификация.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.