ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2012
УДК 621.891:539.2
© 2012 г. Поляков С.А., Черторыльский И.С., Куксенова Л.И.
ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРЯЖЕНИЙ
Выявлена трибологическая эффективность модифицирования жидких смазочных материалов высокодисперсными неорганическими полимерами в результате диспергирования суспензии полититанатов калия с последующим введением ее в смазочный материал.
Идея повышения работоспособности трибосопряжений без изменения их конструкции за счет модификации их приповерхностных слоев с помощью особым образом подобранного состава смазочного материала впервые, вероятно, была предложена и апробирована в серии работ авторов [1]. Разработанные ими коллоидные смазочные материалы на основе органзолей железа дали положительные результаты при обкатке двигателей внутреннего сгорания, т.е. были введены в готовую конструкцию без каких-либо изменений самого узла, в том числе состава конструкционных материалов. В дальнейшем этот подход был реализован при разработке металлоплакирующих смазочных материалов [2]. Технология создания и получаемые в результате действия этих материалов пленки на поверхностях трибосопряжений имеют мезоскопический, наноразмерный масштабный уровень, с чем, вероятно, и связаны триботехнические эффекты от их действия, поскольку сам процесс трения при его нормальном развитии находится на мезоскопическом масштабном уровне. Естественно, что развитие подобных технологий должно находиться на этом же масштабном уровне, тем более что такой подход предполагает инициирование наноструктурной самоорганизации [3].
В последние годы нашли распространение некоторые минеральные добавки, получившие определенный отклик в публикациях [4—6]. Например, некоторые минералы слоистого типа (графит, Мо$2 и др.) в высокодисперсном состоянии используются в качестве противоизносных присадок к смазочным материалам [4, 5]. Положительный эффект использования этих минералов обусловлен их способностью образовывать на поверхностях трения тонкие пленки, состоящие из чешуйчатых частиц, ориентированных параллельно поверхности трения и улучшающих их трибологические свойства. Однако присадки на основе графита и Мо$2 обладают рядом недостатков, отмеченных в [7, 8], в частности, химической нестабильностью в определенных условиях, поэтому вопрос о замене такой присадки является актуальным [9—11].
Целью настоящей статьи является оценка трибологической эффективности модифицирования жидких смазочных материалов высокодисперсными неорганическими полимерами.
Материалы и методики исследования. Для триботехнических испытаний использовали машину АЕ-5 (ГОСТ 23.224-86). Методика триботехнических испытаний соответствовала требованиям (ГОСТ 23.224-86). Она предполагает два этапа — проведение приработки в режиме нагружения на грани заедания, что дает возможность оценить максимально допустимую кратковременную нагрузку. Плавная ступенчатая разгрузка
после окончания приработки позволяет проанализировать характер зависимости коэффициента трения от нагрузки в стационарных условиях и выявить основной критерий несущей способности Роп, превышение которого приводит к монотонному возрастанию коэффициента трения. Материалы пары трения: пальцы — ЛАС53, диск — сталь 45. Испытания проводили в масле И-20А, в масле И-20А с добавлением суспензии серпентина и солей жирных кислот и в масле И-20А с добавлением суспензии по-лититаната калия (ПТК); последней композиции в работе уделяется основное внимание.
Производимые ПТК представляют собой неорганические полимеры слоистой структуры с высокой подвижностью слоев, сохраняющие свою структуру и свойства до температуры 850°. Слои ПТК сформированы титан-кислородными октаэдрами, в пространстве между которыми расположены ионы калия. Чешуйчатые кристаллы ПТК имеют размер плоскости субмикронного диапазона (200, ..., 800 нм) и наноразмерную толщину (40, ..., 60 нм) [8—10]. Полученные ПТК легко поддаются различным способам модификации. Это позволяет использовать их не только в качестве самостоятельных антифрикционных и противоизносных добавок в смазочные материалы, но и в качестве носителя для других модификаторов, позволяющих регулировать трибологические и эксплуатационные характеристики смазочных материалов в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Важным фактором является то, что все титанаты калия имеют хорошие антифрикционные показатели, сопоставимые с аналогичными показателями для дисульфида молибдена, но отличаются большей химической стабильностью в условиях активных сред и высоких температур [11].
Исследование влияния полититаната калия на поведение сопряжений при добавлении его в виде дисперсного порошка K2O ■ я1Ю2 в состав смазочного материала проводили на основе образцов, предоставленных разработчиком — ООО "Нанокомпозит" (г. Саратов). Основные сведения о разработке и применении препарата приводятся в [11].
Технология диспергирования ПТК. Основной проблемой при подготовке смазочной композиции явилось диспергирование препарата до коллоидной размерности, при которой возникают основные достоинства модифицированных смазочных материалов.
В настоящей статье предпринята попытка добиться коллоидной дисперсности препарата полититаната калия с использованием технологии, разработанной применительно к диспергированию серпентина. Для этих целей применяли ультразвуковую обработку и активные среды [3, 6].
На рис. 1 приведены результаты исследования ПТК с помощью метода электронной микроскопии, из которых следует, что частицы ПТК до обработки имеют кристаллическую структуру и слоистое строение, где а — микроэлектронограмма; б — све-топольное изображение; в — морфология частиц ПТК, выявленная с помощью РЭМ; г, д — фотография частиц ПТК в характеристических лучах титана и калия, соответственно.
Кроме того, частицы имеют сложный элементный состав (рис. 2), основными компонентами которого являются титан и калий (см. рис. 1, г, д).
Для анализа размеров частиц ПТК использовали фотографии, полученные методом РЭМ. При этом использование программы обработки позволило вводить масштаб и указывать размеры отдельных частиц непосредственно на фотографии. На рис. 3 приведена морфология частиц ПТК после обработки ультразвуком мощностью 5 кВт в течение 5 мин (а) в среде этилового спирта и гистограмма распределения частиц по размерам (б). Сравнение рис. 1, в и рис. 3, а показывает на существенное изменение морфологии частиц при воздействии ультразвуковых колебаний. Однако обработка в течение 5 мин, хотя и приводит к диспергированию частиц, но их большее количество остается достаточно крупным (400, 500, 2000 нм; рис. 3, б). Поэтому было увеличено время обработки до 10, 15, 20 и 25 мин, и изменили состав среды — в этиловый спирт вводили 0,1% уксусной кислоты. Наблюдали постепенное увеличение степени дисперсности частиц с повышением времени обработки. При этом контро-
аб в
Рис. 1
I
Е, кэВ
Рис. 2. Элементный состав порошка ПТК (по горизонтали — характеристическая энергия Е, кэВ, по вертикали — относительная интенсивность линий I, безразмерная)
лировали раствор полититанатов калия методом спектрофотометрии. По спектру оптической плотности спиртового раствора дисперсного полититаната калия было установлено, что состав частиц ПТК не изменяется и соответствует данным, полученным методом электронной микроскопии в исходном состоянии.
Размер частиц, нм
Рис. 3
Рис. 4
На рис. 4 представлена морфология частиц ПТК после обработки в течение 25 мин (а) и гистограмма распределения частиц по размерам (б). Видно, что большая доля частиц соответствует размеру порядка 300 нм, что соответствует уровню, близкому к коллоидному. Зависимость среднего размера частиц В (нм) ПТК от времени ультразвуковой обработки Т (мин) (рис. 5) показывает, что в выбранной среде время обработки является важной характеристикой для достижения коллоидной дисперсности.
Триботехнические испытания. Для триботехнических испытаний в смазочный материал вводили суспензию ПТК после обработки в течение 25 мин. Основные результаты приведены в таблице и на рис. 6.
Состав смазочного масла Соотношение объемов присадки и основного масла Нагрузка Роп, МПа Интенсивность изнашивания в период приработки Интенсивность изнашивания в стационарном режиме
И-20А, чистое - 5 9 • 10-9 6,9 • 10-9
И-20А + ПТК 0,02 8 9,29 • 10-10 6,29 • 10-10
И-20А + (СС + СЖК) 0,02 12 2,9 • 10-10 2,9 • 10-10
В, нм 1200
800
400 200
30
Т, мин
10
Р, МПа
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 6. Зависимость коэффициента трения/от давления Р при трении в разных смазочных средах: 1 — масло И-20А + ПТК, 2 — И-20А чистое
/, мА 13
11
9
7
5
3
1 0
-1
-3 -5
0
0,05 0
-0,05 -0,15 -0,25 -0,35 -0,45 -0,55
0
и, мВ
Рис. 7. Типичные вольт-амперные характеристики прохождения тока через область контакта микрозонда с поверхностью образца до (а) и после трения (б) в среде смазочной композиции И20-А + ПТК (по горизонтали — напряжение и, мВ, по вертикали ток /, мА)
Из экспериментальных данных видно, что введение суспензии ПТК повышает значение показателя несущей способности Роп более чем в полтора раза. Это указывает на положительное влияние данной присадки на работоспособность сопряжения. Кроме того, триботехнические испытания смазочной композиции с использованием вы-сокодиспергированного политинанта калия и данные по оценке коэффициента трения в функции давления (рис. 6) показали, что исследуемая композиция соответствует характеристикам сопряжения со смазочной композицией И-20 с суспензией серпентина [6].
Для выявления природы положительного влияния на работоспособность сопряжения в среде масла с добавкой ПТК проводили исследования с помощью сканирующего туннельного микроскопа и анализировали вольт-амперные характеристики прохождения тока через область контакта микрозонда с поверхностью образца. На рис. 7 приведены типичные характеристики. Видно, что линейный вид вольтампер-ной характеристики образцов до трения сменяется на нелинейный после трения при смазывании композицией И-20А + ПТК. Опыт экспериментальных исследований с заранее нане
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.