Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор функциональных добавок к смазочным материалам (СМ) 9
1.1. Виды добавок к СМ 9
1.2. Антифрикционные и противоизносные добавки к моторным и трансмиссионным маслам; добавки к пластичным СМ 14
1.2.1. Природные геомодификаторы трения
1.2.2. Фуллереносодержащие добавки 28
1.2.3. Металлоплакирующие добавки 40
1.3. Выводы по главе 54
Глава 2. Методики испытаний СМ, лабораторное оборудование, приборы . 55
2.1. Испытания на машинах трения СМЦ-2, ИИ-5018; ЧШМТ 55
2.2. Стенд для испытаний СМ 61
2.2.1. Оценка триботехнических характеристик 61
2.2.2. Измерение износа 71
2.3. Выводы по главе 79
Глава 3. Испытания СМ с фуллереновыми наномодификаторами (ФНМ) 80
3.1 Влияние концентрации ФНМ в пластичном СМ на работоспособность трибосопряжений 80
3.2 Оптимизация условий нагружения и состава СМ с ФНМ для обеспечения максимальной работоспособности узлов трения 84
3.3 Выводы по главе 91
Глава 4. Испытания трибосопряжений в присутствии СМ с добавками 92
4.1. Влияние ГМТ на работоспособность трибосопряжений составе разных СМ 92
4.2. Испытания СМ на основе моторного масла с различными добавками 105
4.3. Испытания композиций на основе пластичныхСМ 112
4.4. Выводы по главе 121
Глава 5. Анализ статистических данных о влиянии условий эксплуатации на скорость изнашивания цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания 122
5.1. Моделирование износостойкости деталей ДВС на основе структурно — энергетического подхода 122
5.2. Статистический анализ опытных данных об износах цилиндровых втулок двигателей 8ЧР24/36 126
5.3. Оценка антиизносных свойств смазочных композиций 145
5.4. Выводы по главе 152
Заключение 154
Список литературы 157
Приложения 166
Введение
- Антифрикционные и противоизносные добавки к моторным и трансмиссионным маслам; добавки к пластичным СМ
- Оптимизация условий нагружения и состава СМ с ФНМ для обеспечения максимальной работоспособности узлов трения
- Испытания СМ на основе моторного масла с различными добавками
- Статистический анализ опытных данных об износах цилиндровых втулок двигателей 8ЧР24/36
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Актуальность проблемы повышения надёжности различных машин и механизмов с течением времени не только не снижается, а наоборот неуклонно возрастает. На работы по восстановлению изношенных деталей, снижению интенсивности изнашивания различного вида оборудования ежегодно расходуется до 4…5% национального дохода. Такое положение связано не только с ужесточением режимов работы машин, но также с отсутствием во многих случаях расчётных методов обоснованного выбора смазочных материалов, режимов эксплуатации по достаточно объективным критериям для конкретных условий работы трибосопряжений. Изменение характеристик смазочной среды посредством введения дополнительных добавок, даёт возможность увеличить межремонтный период и повысить надёжность трибосопряжений, в некоторых случаях даже восстановить изношенные детали. Поэтому проблема разработки новых смазочным композиций (СК), путём введения дополнительных функциональных добавок, способствующих снижению трения и повышению износостойкости ведущих деталей машин становится особенно актуальной.
Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования учёных в области трения и износа различных трибосопряжений существует необходимость в разработке новых подходов при использовании функциональных добавок к СК, а также оценки эффективности существующих СК для повышения эксплуатационных характеристик машин и механизмов.
Цель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является определение влияния функциональных добавок к различным смазочным материалам на износостойкость трибосопряжений. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- произвести анализ современных добавок к смазочным материалам (СМ), применяемых в узлах трения;
- предложить гипотезы по улучшению триботехнических и реологических свойств СК;
- определить оптимальную концентрацию добавок в составе СМ;
- провести анализ статистических данных о влиянии условий эксплуатации на скорость изнашивания цилиндровых втулок судовых дизелей при работе на различных базовых маслах с классическими добавками.
- сделать обобщающие выводы.
Объект исследования и методы исследования. Объектом исследования в диссертации являются СК состоящие из базовых масел и многофункциональных добавок, работающие в трибосопряжениях при граничном трении, а также детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых дизелей 8ЧР24/36, работавших в период навигации на различных смазочных маслах с классическими добавками применяемыми в течении многих лет.
Решения задач базируются на полученных в диссертации экспериментальных данных, известных теоретических положениях теории трения и изнашивания, структурно-энергетической теории изнашивания, теории планирования эксперимента и математической статистики.
Научные положения выносимые на защиту:
- впервые выполненные результаты исследования влияния фуллереновых наномодификаторов (ФНМ) при совместном введении с порошками мягких металлов в пластичный СМ на износ и критическую нагрузку схватывания поверхностей трения;
- впервые выполненные результаты исследования влияния добавок на основе природного геомодификатора трения (ГМТ) при совместном введении в СМ на основе моторного масла;
- методика оценки износостойкости деталей ДВС на основе структурно-энергетического подхода;
- результаты анализа износа цилиндровых втулок судовых дизелей при работе на базовых маслах с классическими добавками.
Научная новизна работы. Впервые установлены зависимости влияния добавок на основе ФНМ при совместном введении с порошками мягких металлов в составе пластичного СМ на работоспособность трибосопряжений, впервые проведены исследования по влиянию добавок на основе ГМТ при совместном введении с порошками мягких металлов в составе моторного масла, впервые выполнены и проанализированы сравнительные испытания смазочных композиций с известными присадками к базовым маслам на износостойкость втулок цилиндров судовых дизелей.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обусловлена:
- высокой эффективностью, использованного в диссертации структурно- энергетического подхода при анализе износостойкости цилидровых втулок судовых дизелей;
- использованием испытательных стендов и методов исследований, достаточно хорошо изученных в исследовательской практике и позволяющих в связи с этим получать воспроизводимые результаты, сопоставимые с накопленными ранее опытными данными, а также результатами исследований других авторов;
- новизна выполненных теоретических решений подтверждается соответствующим техническим актом, приложенным в работе.
Практическая ценность работы:
- сделан обобщающий вывод о том, что использование ГМТ и ФНМ совместно с другими многофункциональными добавками в составе различных СМ представляется наиболее перспективным в решении проблем трения и износа;
- настоящая работа подтверждает необходимость расширения научных исследований по комплексной проблеме повышения надёжности трибосопряжений;
- установлены объективные энергетические модели износостойкости и долговечности цилиндровых втулок судовых дизелей.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками НПО «ВМПАВТО» и НПО «НАНОПРОМ».
При этом лично автору принадлежат:
- обоснование направления исследований и постановка задач;
- планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с испытаниями на триботехнических стендах;
- обобщение экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Научно-методической конференции «Надёжность судовых техничесих средств, конструкционных материалов и покрытий», посвящённой 70-летию Судомеханического факультета СПбГУВК (г. С.-Петербург 2008); 10-ой Международной научно-практической конференции «Ремонт-2008» (г. С.-Петербург 2008); Международной конференции «Плёнки и покрытия» 2007 и 2009 (г. С.-Петербург, РАН).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ. Среди них 3 статьи опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 95 наименований и содержит 173 страницы текста, включая 26 таблиц, 49 рисунков, 56 формул и 4 приложения.
Антифрикционные и противоизносные добавки к моторным и трансмиссионным маслам; добавки к пластичным СМ
В различных областях техники для снижения потерь, на трение и повышения, надёжности трибосопряжений широко применяется- целый ряд композиций, содержащих добавки конкретного функционального назначения: модификаторы трения, кондиционеры металлов, реметаллизанты (восстановители) и т.п. Круг смазочных композиций непрерывно1 растёт за счёт разработки новых составов.
В последние десятилетия научные работники, специалисты известных фирм — производителей, смазочных материалов (СМ) и широкий круг потребителей проявляют интерес к, проблеме улучшения комплекса триботехнических свойств СМ; и смазочных композиций (масло+добавки) за счёт введения в.СМ- различного-рода добавок. [9, 14, 49, 58, 6Г, 75, 77]. в качестве-добавок, чаще всего используют комплексные препараты на, основе тефлона и- других, фторсодержащих компонентов металлоорганических маслорастворимых соединений; солей- металлов и растворов, содержащих ионы металлов; ультрадисперсных порошков металлов и сплавов (УДП). При использовании металлосодержащих добавок на поверхностях трения образуются- тонкие- металлические плёнки или соединения типа сульфидов, фосфидов и пр:, улучшающие триботехнические характеристики сопряжений.
Качественные моторные и трансмиссионные масла содержат наборы, присадок, улучшающих их свойства. Эффективность действия- добавок обуславливается их химическими- свойствами и концентрацией в смазочных материалах, а также приёмистостью последних, к добавкам (одинаковые добавки более активны для- одних базовых материалов, чем для других). Добавки должны- хорошо растворяться в смазочных материалах, обладать малой летучестью и не испаряться из них при хранении и эксплуатации в широком диапазоне температур; не вымываться водой и не подвергаться гидролизу; не взаимодействовать с конструкционными материалами, контактирующими со смазочными (за исключением случаев, когда такие реакции лежат в основе механизма действия самих добавок); сохранять свои функции в присутствии иных добавок и не оказывать на них депрессивного действия.
Современный товарный рынок насыщен большим количеством подобного рода препаратов, по характеру действия на локальные зоны трения их можно разделить на три представленные группы: первая — это препараты, использующие принцип переноса мелкодисперсных частиц на контактирующие пары трения; вторая - это модификаторы с поверхностно активными веществами, позволяющие организовать новые соединения из продуктов износа, основного материала и имеющейся смазочной среды; третья - это препараты, обладающие комплексным энергетическим воздействием, позволяющие не только регулировать (уменьшать) трение в зоне контакта, но и восстанавливать (залечивать) поверхностные микродефекты и выравнивать геометрический износ контактирующих поверхностей трения.
Из перечисленных выше препаратов, безусловно, каждый имеет свою рекомендованную область применения. Условия их применения естественно не одинаковы. Некоторые из них целесообразно применять на этапе обкатки механизма, другие на этапе нормального, установившегося износа, а следующие на этапе ремонта и восстановления механизма без разборки и т.д. Главным недостатком имеющихся препаратов является ограниченность их действия по срокам, а так же сложность в выборе самих сроков их действия. Например, приработочные составы будут оказывать только вредное влияние на этапе нормальной эксплуатации, увеличивая износ, а не вовремя введённый ремонтный состав может привести к повышенной нагрузке в зоне трения и к аварийной ситуации. Поэтому актуальным является вопрос о создании препаратов, одинаково продуктивно управляющих трением и износом, как на этапе приработки, так и на этапе нормальной (штатной) эксплуатации, а так же ремонта и восстановления изношенных поверхностей деталей трибосопряжений без разборки узла трения.
По главному назначению (определяющему свойству) добавки условно объединяют в несколько групп, основные из которых рассмотрены ниже.
Добавки улучшающие смазочные свойства. Их действие обусловлено образованием на трущихся металлических поверхностях различных по химическому составу защитных плёнок.
Противоизносные добавки уменьшают износ поверхностей трения при относительно умеренных нагрузках и температурах. К таким добавкам относятся масла и жиры растительного, и животного происхождения (например, горчичное масло, свиной жир); высшие жирные кислоты (например, олеиновая) и эфиры (например, сложный эфир пентаэритрита и себациновой кислоты); соединения содержащие 8 (например, осерненное спермацетовое масло), Р (например, трикрезилфосфат); 8 и Р (например, диизооктилдитиофосфат, диалкилтиофосфат Ва, цинк-бариевая соль изобутилового эфира арилдитиофосфорной кислоты) N (например, 1- бутилбензотриазол) и т.д. Концентрация добавок в смазочных материалах 0,13,0%.
Портивозадирные добавки обеспечивают нормальную работу при высоких нагрузках трущихся поверхностей без задира и заедания, а также смягчают его, если оно происходит. Этим целям служат соединения, содержащие 8, С1, 8 и Р и др. концентрация добавок не превышает 3-5%.
Антифрикционные добавки предназначены для снижения (модификации) трения сопряжённых поверхностей. К таким модификаторам относятся высшие жирные кислоты (например, стеариновая), мыла этих и нафтеновых кислот (например, стеарат А1, нафтенат РЬ), эфиры глицерина и жирные амины, коллоидные дисперсии Мо8г, графита и иных соединений, нерасстворимых в смазочных материалах (более перспективно применение веществ, образующих с ними устойчивые растворы, особенно ряда соединений Мо). Концентрация добавок, как правило, 0,1-0,5%.
Вязкостные или загущающие добавки повышают вязкость и улучшают вязкостно-температурные свойства смазочных материалов. В качестве таких добавок применяют обладающие большой вязкостью различные полимеры — главным образом полиизобутилен, полиметакрилаты, поливинилбутиловый эфир, а также полиалкилстиролы и т.д. Концентрация добавок 1-20%.
Оптимизация условий нагружения и состава СМ с ФНМ для обеспечения максимальной работоспособности узлов трения
В ряде работ [57, 68, 8 и др.] была получена защитная пленка. Толщина пленки в этих работах составила соответственно 0,3-0,5; 5,0 и 3,0-5,0 мкм. В описании к патенту N2168663 при испытании пары трения сталь 45 — сталь 45 при смазке маслом И-20А с ГМТ скорость изнашивания керамической пленки толщиной 5 мкм составила 0,074 мкм/ ч. Примерно такая же скорость изнашивания деталей ЦПГ карбюраторного двигателя имела место при добавлении препарата «Ниод-5» в моторное масло [84]. В обоих случаях расчетный положительный трибоэффект от наличия пленки на поверхности сопряженных деталей должен проявиться в течение примерно 27-30 суток непрерывной работы пары трения сталь-сталь (в первом случае) и работы двигателя при эксплуатации автомобиля в городских условиях со скоростью примерно 60 км/ч (во втором). В указанный период времени в последнем случае должен повышаться крутящий момент примерно на 5-9% и снижаться удельный расход топлива на 12-15%. Улучшение эксплуатационных характеристик двигателя связано с благоприятным влиянием ГМТ на микрорельеф поверхностей трения, т.е. с тонкой приработкой и последующим более плотным контактом сопряженных деталей, например, поршневых колец с поверхностью «зеркала» рабочего цилиндра двигателя [84].
Следует указать на нестабильность результатов обработки поверхностей трения с целью получения на поверхности деталей защитной керамической пленки. После добавления в смазочные материалы ГМТ во многих случаях присутствия пленки на деталях не было обнаружено в [42, 45]. Тем не менее, при испытаниях образцов из сталей 45, 40Х и 20X13 в паре с СЧ20 на машине трения 77МТ-1 при возвратно-поступательном движении и смазке моторным маслом с добавлением ГМТ технологическая шероховатость поверхностей трения снизилась на порядок и составила 0,06-0,09 мкм, а при использовании СК и ГМТ в двигателе улучшилась прилегаемость поршневых колец к поверхности цилиндра и повысилась компрессия. При этом шероховатость рабочей поверхности компрессионного кольца Яа составила 0,04 мкм [46].
Стендовые испытания двигателей, выполненные НПО «ВМПАВТО» [49] при добавлении к маслу ГМТ после приработки показали: увеличение номинальной мощности на 3..5%, максимального крутящего момента до 12%, увеличение компрессии, а также снижение расхода топлива на 2 — 9%.
В течение ряда последних лет на кафедре ДВС СПбГПУ под руководством А.Ю. Шабанова проводятся стендовые испытания влияния смазочных композиций с добавлением различных антифрикционных препаратов на основные показатели двигателей [46]. Большое внимание при этих испытаниях уделялось геомодификаторам трения на основе комплексного минерала серпентинита (ГМТ). Испытания проводились на пяти типах различных карбюраторных и дизельных двигателей.
Отметим некоторые результаты, полученные при исследовании шести различных смазочных композиций на базе ГМТ. Композиции были представлены различными фирмами и отличались качественным содержанием, фракционностью, типом носителя порошка ГМТ в антифрикционной присадке (АП). Рассмотрим только результаты, полученные на бензиновых карбюраторных двигателях, поскольку именно эти испытания выявили наибольшее число проблем, связанных с обработкой узлов трения АП. Естественно степень влияния всех композиций на процессы в двигателях была различной. Однако характер влияния, полученный результат и выявленные проблемы носили достаточно общий характер [46].
В результате испытаний в большинстве случаев наблюдалось существенное улучшение параметров работы двигателей — увеличение номинальной мощности на 3..5%, максимального крутящего момента — до 12%, снижение расхода топлива до 2.. 10% в зависимости от режима работы двигателя и типа АП. Кроме того наблюдалось выравнивание по цилиндрам давления в конце сжатия и некоторое её повышение. Кроме того, благоприятным образом изменялась форма внешней скоростной характеристики двигателя — в- зоне максимального вращающего момента на характерной кривой появлялась так называемая «площадка», т.е. максимальный момент практически не изменялся в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала [46].
Таким образом, в целом подтверждается возможность существенного изменения параметров изношенного двигателя путём обработки АП, содержащими ГМТ. Более того, в ряде случаев наблюдалось превышение полученными параметрами базовых значений, заявленных заводом изготовителем заявленных для нового двигателя [50].
В работе [49] приведены выводы о результатах комплексного исследования препаратов (пяти фирм - разработчиков) на основе природных комплексных минералов ГМТ. Были исследованы препараты торговых марок «РВС», «ХАДО», «СУПРА», «НИОД», «ФОРСАН» и «Живой металл». Исследования показали следующее.
Основой большинства препаратов ГМТ являются лизардит, кальцит, доломит, клинохлор, мусковит, тальк, кварц, шпинель и т.п. В некоторых препаратах имеется состав фаз, который без изменений и без к очистки соответственно входит в состав комплексного природного минерала поделочного камня «Змеевик» Малышевского карьера или «Листвинит» Карельского перешейка, только в измельчённом виде. Некоторые порошки ГМТ содержат в своём составе шпинели, а также кварц, оксиды алюминия и кремния, являющиеся нежелательным твёрдым абразивным материалом в антифрикционном препарате. Не выявлено - материалов, являющихся «НОУ - ХАУ (как записано в патентах), таких как: кластеры углерода (например фуллерены, нанотрубки)»; редкоземельные металлы; «природные фуллерены» и т.п. дорогих металлов, получение которых требует применения высоких технологий и энергозатрат. Главным негативным моментом является то, что даже у одного и того же производителя, препарата ГМТ, взятого из разных партий, не удалось установить полного соответствия составов, имеющимися на них ТУ, а также не удалось найти двух одинаковых составов, что говорит о полном отсутствии какого либо контроля на соответствие препарата заявленным ТУ и средствам выходного контроля [50].
Основную массу порошка составляют частицы от 5 до 300 мкм, вместо 2.. 15 мкм, заявленных в ТУ на данные порошки изготовителями, причём частицы от 100 мкм и выше составляют более 70%. Нестабильность размеров разных партий ГМТ говорит об отсутствии выходного контроля производителем порошков и нестабильности самой технологии их изготовления, что в дальнейшем может привести к негативным последствиям при их применении. Частицы большого размера (до 100 мкм), обладая достаточной твёрдостью, могут не только увеличить износ, особенно прецизионных механизмов, но и резко снизить основные эксплуатационные показатели. Данные частицы больших размеров могут шаржировать поверхности более мягких материалов, например вкладышей подшипников, при этом сами вкладыши могут стать источником повышенного износа для шеек коленчатых валов [50].
Испытания СМ на основе моторного масла с различными добавками
Результаты исследований процессов с участием фуллеренов свидетельствует об их аномально высокой стабильности [18]. Причем, стабильность кластеров с четными значениями атомов углерода п значительно превышает стабильность кластеров с нечетными значениями п. У кластеров С - п (и-нечетное) наиболее вероятно отщепление атома углерода, поэтому доля кластеров с нечетными п не превышает 1 %. Как показывают эксперименты, твердый фуллерен Сбо без разложения сублимируется при 400 С [18].
Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью и способны присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает их сильными окислителями, способными образовывать множество новых химических соединений с новыми интересными свойствами. Сродство к электрону Сбо 2,65 ± 0,05 эВ. В работе [7] впервые экспериментально определено сродство к электрону для высших фуллеренов С70+2П («=2-13).
Фуллерены обладают высокой химической инертностью к процессу мономолекулярного распада: молекула Сбо сохраняет стабильность в инертной атмосфере до 1700 К. Однако в присутствии кислорода окисление наблюдается при значительно более низких температурах (около 500 К). При этом образуется аморфная структура, в которой на одну молекулу Сбо приходится 12 атомов кислорода [19]. Повышение температуры сопровождается потерей формы молекулы Сбо- Образцы Сбо чувствительны также к воздействию ультрафиолетового излучения в отсутствии кислорода, и могут, таким образом, разложиться в реакционном сосуде. Поэтому их следует хранить в темноте и под вакуумом или в азоте [94]. В химических процессах фуллерены проявляют себя как слабые окислители.
Очень интересны электронные свойства фуллерена С60: в различных формах он ведет себя как диэлектрик, проводник, полупроводник и сверхпроводник. Проведенные расчеты показывают, что 60 в кристаллическом состоянии с кубической гранецентрированной решеткой является полупроводником. При этом молекулы Сбо совершают беспорядочные колебания [32]. Ширина запрещенной зоны 1,5 — 1,95 эВ [18]. В 1991 году исследователи установили, что при смешении с Сбо с калием можно получить новую металлическую фазу — «бакидовую соль», обладающей максимальной электропроводностью, когда на каждую молекулу бакибола приходится три атома калия. При увеличении содержания калия материал становится диэлектриком [32].
Соединение К3Сбо становится сверхпроводником при 18 К и ниже [88]. Если калий заменить на рубидий температура повысится до 30 К. Сверхпроводимость материала, допированного цезием и рубидием — при 33 К [88]. Кроме того, было установлено, что сверхпроводящими свойствами обладают почти все соединения с отношением Х3Сбо, либо ХУ2Сбо (X, У - атомы щелочного металла) [18].
На конференции в мае 1994 года по новым направлениям в исследованиях фуллеренов [21] была предсказана высокотемпературная свехпроводимость твердых высших фуллеренов, легированных атомами щелочных металлов: например, критическая температура сверхпроводников на основе С4 может достигать 100 К.
Особенностью фуллеренов как одной из форм чистого углерода является их способность растворяться в органических растворителях. Известно, что растворов алмаза или графита в природе не существует.
Интерес к поведению фуллеренов в растворах связан прежде всего с тем, что при получении, разделении и очистке фуллеренов необходимо использовать растворители. Из данных приведённых в [92, 93] известно, что Сбо практически не растворим в полярных растворителях типа спиртов, в ацетоне, тетрагидрофуране и т. п. Он слабо растворим в парафиновых углеводородах типа пентан, гексан и декан, причем с ростом числа атомов углерода растворимость в алканах возрастает. Анализ авторов [92, 93] показывает, что фуллерены лучше всего растворяются в растворителях, для которых значение удельной энтальпии испарения, отнесенной к удельному объему молекулы растворителя, близко к соответствующему значению для молекулы Сбо (примерно 100 кал см" ). Это соответствует диалектическому правилу «подобное растворяется в подобном».
Исследование поведения фуллеренов в растворах указывает на их необычные свойства. Наиболее интересная особенность поведения фуллеренов в растворах связана с температурной зависимостью растворимости.
В результате исследования группой Роуфа из Стэнфордского института (США) температурной зависимости растворимости Сбо в различных органических растворителях и CS2 была получена немонотонная зависимость с максимумом при температуре около 280 К. Сотрудники Курчатовского института предположили, что это объясняется кластерной природой растворимости фуллеренов. Согласно этому предположению, которое согласуется с экспериментальными результатами, молекулы фуллеренов в растворах образуют кластеры, состоящие из некоторого количества молекул. При увеличении температуры происходит распад этих кластеров, что приводит к снижению растворимости и выпадению в осадок некоторого количества фуллеренов [18].
Значения радиуса частиц rs в растворах превышают радиус фуллерена Сбо, что также служит подтверждением кластерной природы растворимости. Следует обратить внимание на существенное отличие значений rs для разных растворителей. Это различие также можно объяснить явлением агрегации молекул фуллеренов Сбо в растворах, при этом степень агрегации зависит от природы растворителя.
Предположения об образовании кластеров в растворах фуллеренов экспериментально подтвердились при измерениях методом рассеяния света в растворе Сбо в бензоле [95]. Увеличение среднего размера кластера происходило непрерывно в течение всего времени наблюдений (около 50 суток). При встряхивании сосуда с раствором кластеры разрушаются, после чего возобновляется процесс их формирования. Из оцененного в [95] соотношения между размером кластера и его массой следует, что структура кластеров фуллеренов Сбо в растворах является фрактальной. Фрактальная размерность кластеров близка к 2,09, что указывает на их весьма рыхлую структуру. Установление кластерной природы растворимости фуллеренов Сбо имеет важное значение для обогащения растворов по высшим фуллеренам, что позволит упростить технологии их разделения и очистки [73].
Хотя фуллерены имеют короткую историю, это направление науки быстро развивается, привлекая к себе все новых исследователей. Необходимость анализа возможностей применения фуллеренов была ясна уже давно, однако, пожалуй только в настоящее время результаты интенсивных исследований физико-химических свойств этих удивительных кластеров позволяют говорить о возможности перехода от гипотез к научно — обоснованным поискам промышленного применения. Фуллерены имеют большую область применения, в том числе и для решения триботехнических задач.
Статистический анализ опытных данных об износах цилиндровых втулок двигателей 8ЧР24/36
В связи с этим появляется кажущаяся целесообразность разработки препарата, содержащего кроме УДП сплава, призванного выполнять функции реметаллизанта, ещё и модифицирующую присадку для снижения коэффициента трения в новых и в изношенных трибосопряжениях.
Следует отметить, что исходя из необходимости обеспечения совместимости различных добавок, одновременно вводимых в базовое масло, сумму РМ+МТ предпочтительнее заменить одним более однородным препаратом, как это было сделано в препарате ЬиЬпШт — те1а11, где роль модификатора трения выполняет свинец, поэтому потребность введения в препарат отдельно МТ отпадает.
Наиболее перспективно дополнительно модифицировать металлоплакирующие добавки природным минеральным наполнителем — ГМТ в виде порошка гидросиликата магния (серпентина). При совместном воздействии частиц минерального и металлического наполнителя на поверхностях трения сначала будет формироваться оптимальный микрорельеф, а затем в зонах фактического контакта и локальных флуктуаций температуры будет происходить диспергирование частиц ГМТ с образованием весьма твёрдых частиц форстерита, кремнезема и воды. Абразивные частицы форстерита будут производить локальную обработку контактных площадок, кремнезем с частицами металлического наполнителя образует металлокерамическую плёнку, а вода будет способствовать реализации гидродинамической смазки на наномасштабном уровне. В процессе образования металлокерамической плёнки на субмикроконтактных площадках будет происходить «залечивание» повреждений, а в итоге - восстановление геометрии деталей (реметаллизация). Деструкция частиц» ГМТ происходит с поглощением тепла, что обеспечивает фазовым превращениям, происходящим на наноструктурном уровне, благоприятную энергетику, отводя тепло с поверхности трибоконтактов наномасштабного уровня. В результате протекания этих процессов будет реализоваться: оптимальная структурно — энергетическая модель взаимодействия сопряжённых поверхностей, благоприятные триботехнические характеристики, повышенная износостойкость и реметаллизация трибосопряжений металлокерамическими субстанциями.
Так же в настоящее время проводятся исследования с целью повышения качества пластичных смазок за счёт введения в них металлоплакирующих добавок.
В патенте № 2161177, 7С10М 125/00 от 19.07.1999 предлагается СК на основе мыльной пластичной смазки, содержащей в % (масс.): Мо82 - 1,0...5,0%; порошок цинка - 4... 13%; мыльную пластичную основу - остальное.
С целью повышения противоизносного действия в ПСМ кроме дифениламина, йода, серы и глицерина в а.с. 1062249 (БИ, 1983 №47) предлагается добавлять порошок меди. Порошки металлов рекомендуется использовать (после специальной обработки) как загущающие компоненты (в заявке № 61 - 254697, Япония).
В российском патенте № 2103331 (2004) для тяжелонагруженных подшипников скольжения с целью снижения износа предлагается ПСМ, содержащая: литиевое мыло -12%, оксистеариновой кислоты - 4,0...4,8% (масс.); Мо82 - 0,4...0,9%; бронзовую пудру — 6...8%; нефтяное масло - остальное. Использование металлического порошка в этом патенте в виде тонкодисперсной бронзовой пудры, как показал опыт, делает работу трибосопряженийделает работу трибосопряжений нестабильной из—за того, что слишком мелкий наполнитель набивается во впадины между выступами шероховатости на поверхностях трения, а затем затирается в них, образуя непрочный поверхностный слой, который в процессе работы узлов трения отделяется от деталей в виде больших частиц износа (крупностью до 60 мкм), резко снижая их работоспособность. Частицы металлического порошка должны иметь оптимальную крупность, сопоставимую с шероховатостью поверхностей трения. Это важное обстоятельство в патенте № 2103331 не учитывается.
Известны а.с. под №: 142492, 179409, 1004456, 1121286, 1361171, 1643594 и 1696466, в которых ПСМ содержит металлоплакирующие порошки металлов. В патенте № 167532 С ЮМ 169/04 смазка содержит порошок оловянистой бронзы. Однако установлено (а.с. № 518517), что порошки металлов разупрочняют структуру и ухудшают реологические свойства ПСМ, т.к. частицы металлов не удерживаются в масляной основе смазок. Для лучшей устойчивости ПСМ добавляют специальные стабилизаторы (патенты РФ: 2010840 и 2017795), что значительно удорожает смазочные материалы.
В патенте № 2139920 С ЮМ 125/04 (БШ, 1999 г.) рекомендуется использовать в качестве добавок 5...20% металлического порошка свинца, цинка или бронзы. При этом допускается присутствие легирующих добавок сурьмы, олова или кадмия. Крупность металлических частиц не должна превышать 20 мкм. По данным авторов патента в условиях граничного трения при испытании трибосопряжения сталь - сталь на машине трения СМТ - 1 толщина плёнки из цинка составила всего 0,04 мкм, что не позволяет говорить о существенных эффектах восстановления изношенных деталей за счёт металлоплакирования.
Фирмой ВМПАВТО (Санкт-Петербург) был разработан металлоплакирующий ПСМ (патент № 2161177 С1 7 С10М 125/00 от 29.07.1999 г.) известный под названием МС-1000 (многоцелевая смазка). В качестве добавок используются твёрдые наполнители Мо8г и Испытания на машине трения СМЦ-2 и ЧШМТ показали, что МС-1000 в . сравнении с Литол-24 снижает коэффициент трения на 33%, Р =1900 кг/см , несущую способность наполнители увеличивают на 5... 24% , существенно снижается износ — на 50...80%. На основании этих данных нетрудно сделать выводы о положительных и негативных свойствах ПСМ МС-1000.
К достоинствам ПСМ с наполнителями в виде тонкодисперсных порошков Zn и Мо82 следует отнести высокое сопротивление схватыванию Рсв сопряжённых поверхностей трения. Повышение Рсв происходит за счёт присутствия в ПСМ цинка. Можно полагать, что при локальных вспышках температуры на поверхностях трения до 400С и выше происходит подплавление частиц Zn и микроцинкование ювенильных участков сопряжённых металлических материалов, препятствующее схватыванию деталей. Однако МС-1000 имеет значительно больше недостатков нежели достоинств.
Снижение коэффициента трения на 33% при использовании МС-1000 в сравнении с ф СК, содержащей только Zn (Вымпел) следует считать эвристическим, т.к. при нормальных условиях трения синергетического снижения трения от совместного влияния на СК порошков Ъх\ и Мо8г ожидать трудно, поскольку аналогичный положительный эффект не проявляется в экстремальных условиях трения. Для положительного влияния Мо82 в условиях преобладания его чисто механического взаимодействия с поверхностями трения можно увеличить его концентрацию в СК , превратив последнюю в дисульфидмолибденовую пасту. По такому пути пошли авторы смазочных паст ЦИАТИМ-201 и 203, в которых содержание МоБз достигает 60-70% (а.с.№1595885, БИ. №36 за 1996 г.).
