Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 6
1.1 Общие вопросы трения и изнашивания 6
1.2 Влияние смазочных материалов на процесс трения и изнашивания 9
1.3 Улучшение триботехнических свойств смазочных материалов добавками 11
1.3.1 Присадки к маслам и смазкам 12
1.3.2 Наполнители к маслам и смазкам 13
1.4 Методы и средства безразборного восстановления трущихся соединений автомобильной техники 15
1.4.1 Металлоплакирующие смазочные материалы 16
1.4.2 Полимерсодержащие препараты 18
1.4.3 Металлокерамические восстановители 19
1.5 Свойства и способы получения минералов 30
1.5.1 Синтез серпентина 30
1.5.2 Синтез талька 33
1.5.3 Синтез форстерита 35
1.6 Актуальность работы и постановка задачи 36
2. Материалы и методика проведения эксперимента 40
2.1 Определение триботехнических характеристик разработанных смазочных материалов 40
2.2 Методика получения серпентиноподобных соединений 49
2.3 Гидролиз этилсиликата 52
2.4 Получение силикатов и гидросиликатов магния по растворной технологии 53
2.4.1 Приготовление раствора соли магния и определение содержания BHeMMgO 53
2.4.2 Расчет необходимых количеств исходных веществ для синтеза силикатов и гидросиликатов магния 53
2.5 Гидротермальный способ получения серпентина 55
2.6 Определение дисперсности синтезированных порошков серпентина 56
2.7 Рентгеноструктурный контроль синтезированных порошков серпентина 57
3. Экспериментальная часть 59
3.1 Исследование влияния минералов, полученных по золь-гель технологии, на основные триботехнические характеристики пары трения 59
3.2 Исследование влияния серпентина, полученного гидротермальным синтезом, на основные триботехнические характеристики пары трения 103
3.3 Исследование влияния искусственно полученных серпентинов на триботехнические свойства пары трения, содержащей металл с низкой твердостью 117
3.4 Рентгеноструктурный контроль порошков наполнителя 121
3.5 Контроль гранулометрического состава порошков наполнителя 125
Общие выводы 134
Литература 136
Приложение 146
- Влияние смазочных материалов на процесс трения и изнашивания
- Методика получения серпентиноподобных соединений
- Рентгеноструктурный контроль синтезированных порошков серпентина
- Исследование влияния серпентина, полученного гидротермальным синтезом, на основные триботехнические характеристики пары трения
Введение к работе
Смазочные материалы и композиции занимают значительное место в машиностроении при обработке металлов, при работе узлов трения в различного рода механизмах. Основное значение этих материалов и композиций - предупреждение разогрева трущихся деталей, снижение износа, продление долговечности деталей машин, создание особого граничного слоя в зоне трения.
Перспективным направлением в исследовании смазочных материалов и композиций является поиск новых жидкостей и масел, улучшающих качество, а также поиск различного рода добавок, наполнителей, присадок преимущественно твердого характера, позволяющих более расширить качество смазок и композиций, а также область их применения при различных условиях службы (температура, нагрузка, скорость).
В качестве присадок используются графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора (белый графит) и другие. Одним из последних направлений в этой области является применение природного тонкоизмельченного серпентина в количестве 2...40 мае. %, позволяющего улучшить износостойкость трущихся деталей, повысить микротвердость поверхности трения деталей, понизить коэффициент трения. Однако природный серпентин загрязнен целым рядом примесей. Его применение в качестве компонента смазки требует обогащения, состоящего из дробления, тонкого помола, отделения примесей от основного минерала, что повышает себестоимость такого рода наполнителей. Кроме того, такая технология подготовки серпентина не исключает полного освобождения его от сопутствующих примесей. Также к недостаткам использования природного серпентина в роли присадки к смазочным материалам можно отнести следующее: измельченный серпентин имеет большой разброс содержания отдельных компонентов (магния, кремния, асбеста, железа, никеля, базальта, шамота и др.); большой разброс по гранулометрическому составу, наличие
5 крупных частиц до 40 мкм, которые могут задерживаться фильтрами. Некоторые композиции содержат частицы кварца, что может привести к абразивному износу поверхностей трения. Применение таких композиций не уменьшает износ поверхностей трения (интенсивность изнашивания составляет 3-8 мкм/км), а коэффициенты трения достигают при этом 0,1 -0,12.
В данной работе предлагается заменить природный серпентин искусственным, который может быть получен в коллоидном состоянии (мелкодисперсный) и не содержать грубых включений и примесей. В этом случае специальными приемами можно замедлить формирование коллоидных частиц серпентина и получить гетерогенную систему с нужным уровнем дисперсности. Такая замена позволит решить ряд проблем, возникающих при использовании природного серпентина.
Кроме того, в процессе исследований проводится попытка определить, какой из основных компонентов, входящих в состав серпентина оказывает большее влияние на триботехнические свойства минерала. Для этой цели предлагается проведение также исследований талькоподобных и форстеритоподобных систем, являющихся аналогами серпентина и имеющих практически одинаковую химическую формулу.
Влияние смазочных материалов на процесс трения и изнашивания
При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины. Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения, по сравнению с трением без смазочного материала, в 2 - 10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз [25, 25]. Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности. Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, качества и количества последних. Хотя минеральные смазочные масла являются механической смесью неактивных углеводородов, они, за исключением неработающих сверхчистых масел, всегда имеют включения органических кислот, смол и других поверхностно - активных веществ. Жирные кислоты входят в состав масел растительно - животного происхождения, а также в состав пластичных смазочных материалов. В связи с этим почти все смазочные масла образуют на металлических поверхностях граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0.1 мкм, обладающую более или менее прочной связью с поверхностью и продольной когезией. При наличии относительно толстой масляной прослойки между поверхностями трения переход от ориентированной структуры масла к неориентированной совершается скачком [26].
Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде ворса [24, 25]. При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны.
Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенционном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу, по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением к сжатию: ее несущая поверхность исчисляется сотнями тысяч Ньютонов на кв.см. Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости [24,25].
Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой происходят упругая и пластическая деформации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в местах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках [24, 25]. Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство "самозалечиваться" при местных ее продвижениях. Это свойство играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания. Добавление в граничные слои смазочного материала и водных растворов поверхностно - активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа до 2 раз [27, 28].
Эффективность смазочного материала помимо факторов адсорбции зависит от химического взаимодействия металла. Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом поверхности, образуют мыла, т.е. металлические слои жирных кислот, способные вследствие свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значительные деформации. Химическим явлениям принадлежит важная роль в организации смазочного действия. Это подтверждается тем, что инертные металлы и стекло плохо смазываются.
Имеются косвенные основания считать, что между металлом и углеводородными маслами протекают реакции, способствующие более прочной связи пленки с основанием.
В связи с невысокой термической стойкостью граничной пленки, образуемой на металлических поверхностях обычными минеральными смазочными маслами, иногда прибегают к искусственному повышению ее химической активности. Этого достигают путем введения в масла специальных добавок (присадок), содержащих органические соединения серы, фосфора, хлора или эти элементы в разных сочетаниях. Хотя эти присадки прочно адсорбируются на поверхности трения, однако им отводится в процессе трения другая роль. В условиях высоких температур на микроконтактах активная часть присадок разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует пленки сульфида железа, фосфата железа, хлористого железа или окисленных хлоридов т.д. [24, 25].
Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь [29, 30].
Очевидно, действие присадок неэффективно, если металл не вступает в реакцию с активной частью присадки. Например, платина и серебро не вступают в реакцию с серой [31].
Методика получения серпентиноподобных соединений
За последнее время появились публикации по применению в качестве присадки природного серпентина, который может выделяться как в виде слоистой разновидности (антигорит), так и волокнисто-трубчатой (хризотил-асбест). Однако, его применение затруднено возможностью получения фазовой однородности природного серпентина. Золь-гель технология является основным методом синтеза антигорита различной степени дисперсности и большей степени чистоты, чем природный. Целью настоящей работы является разработка и исследование основных триботехнических свойств смазочной композиции на основе минеральных масел, наполненных порошками синтезированных серпентина и его аналогов. Серпентин представляет собой слоистую разновидность гидросиликатов магния с формулой Mg3Si205(OH)4. Он может быть синтезирован с применением геля кремниевой кислоты и соединений магния (растворимыми и не растворимыми). Гель кремниевой кислоты получается из силиката натрия путем приливання соляной кислоты, но при этом трудно получить частицы золя или геля нанодисперсных размеров, а отмывка геля от хлор-ионов является затяжной операцией. В данной работе использовался гель кремниевой кислоты, полученный путем гидролиза этилсиликата марок ЭТС-32, ЭТС-40. Из литературных данных известно, что для получения серпентиноподобной системы используются следующие соединения магния: Mg(OH)2, MgC03, MgCl2, MgS04, Mg(N03)2 и другие. В данной работе применялись Mg(OH)2 и Mg(N03)2 6Н20, как наименее дефицитные вещества [80]. Кроме серпентина, в качестве наполнителя, для улучшения триботехнических свойств масел исследовались тальк и форстерит, так как тальк имеет слоистую структуру, как и серпентин, а форстерит представляет собой силикат магния. В качестве исходных материалов использовались вещества: а) для синтеза силикатов и гидросиликатов магния по растворной технологии: Этилсиликат - 32, основные свойства, которого: 1. плотность при 20 С р = 1,00 г/см3;
Полимерные соединения имеют в своем составе силоксановые связи, образующиеся в процессе гидролиза и последующей конденсации. Полимерные соединения кремния находятся в растворенном состоянии, раствор получается прозрачным. Соляная кислота увеличивает скорость гидролиза и стабилизирует гель кремнекислота. Доказано, что максимальной устойчивостью при данной концентрации SiCb в этилсиликате обладают гидролизированные растворы с рН = 1,5...3. Изменения рН в большую или меньшую сторону приводят к уменьшению времени устойчивости. Наиболее устойчивые растворы имеют рН, равный 2,0...2,5. Гидролиз ЭТС-32 проводят под тягой при комнатной температуре (18...22 С), в качестве катализатора используется концентрированная соляная кислота. Гидролиз происходит ступенчато по следующей схеме: 1. Готовится раствор соляной кислоты, исходя из количества 0,1 мл 0,2М НС1 и 0,63 мл дистиллированной воды; 2.
При интенсивном перемешивании к раствору НС1 добавляется ЭТС-32 в количестве 4,3 мл и проводится гидролиз. По литературным данным, продолжительность гидролиза ЭТС-32 составляет не более 15 минут. Однако исследование показывает, что гидролиз проходит полностью лишь в течение суток; при этом образуется объемная пространственная структура геля. Учитывая вышесказанное, в дальнейшем решается, ЭТС-32 непосредственно смешивать с раствором Mg(N03)2 6Н20 и порошком Mg(OH)2 [94].
Рентгеноструктурный контроль синтезированных порошков серпентина
Рентгеноструктурный анализ - один из наиболее распространенных физических методов исследования и контроля материалов [96 - 98]. Исследование полученных разными методами порошков серпентина проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0 - общего назначения. Параметры измерений были выбраны следующие: напряжение на рентгеновской трубке U = 40 кВ; ток рентгеновской трубки I = 20 мА; скорость счетчика равна 4 мин" , излучение - СиКа. Особенность исследований заключалась в приготовлении образцов. Образцы для анализа готовились следующим образом: серпентиноподобные системы измельчались и просеивались через сито №0063 (10000 отв./см ). Масса порошка 1 г. Приспособление для крепления образцов на дифрактометре приспособлено для удержания прочных образцов формой в виде таблетки. Поэтому исследуемым порошкам необходимо было придать нужную форму. Для этого порошки плотно запрессовали в стеклянные кюветы круглой формы, тем самым, получив нужные образцы. Контроль исследуемых материалов проводили по методу гомологических пар. Метод гомологических пар заключается в визуальном подборе пары линий, принадлежащих разным фазам и имеющих равную интенсивность. Подобрав такую пару, называемую гомологической, с помощью предварительно составленных таблиц находили количество искомой фазы.
Исходными данными для расшифровки рентгенограмм служили углы 9 и значения межплоскостного расстояния d, которые находились по таблицам. Наполнители к маслу, представляли собой искусственно полученные минералы, а именно форстерит, серпентин, и тальк. Как следует из литературных источников [80] серпентин синтезируется из геля кремниевой кислоты, поэтому в данной работе проводились исследования и этого наполнителя. Попадая в зону трения частицы наполнителя, под действием давления, разрушаются с выделением тепла. В размягченные слои металла поверхности трения внедряются частицы наполнителя, образуя прочный металлокерамический слой. Образованный слой значительно снижает коэффициент трения, интенсивность изнашивания, обладает повышенной микротвердостью [55, 56]. Из литературных данных известно, что количество наполнителя к маслам в среднем составляет 12,5 %. Для исследования полученных наполнителей в данной работе, первоначальные испытания проводили с количеством наполнителя 10%. Смазочные композиции вводились в зону трения капельным способом - 8 - 10 капель в минуту. На рисунках 3.1 - 3.4 представлено изменение основных триботехнических показателей базового масла И - 20 после введения в него искусственного (полученного в условиях лаборатории) наполнителя - форстерита. Анализируя графики зависимостей (рис. 3.1 - 3.4) триботехнических свойств от влияния наполнителя - форстерита в смазочном материале, можно сделать следующие выводы: 1. Добавление 10 % наполнителя - форстерита приводит к улучшению триботехнических свойств базового масла И - 20. 2.
Коэффициент трения в присутствии наполнителя уменьшается в 1,1-8,8 раза в зависимости от давления. 3. Интенсивность изнашивания пары трения близка к показаниям интенсивности изнашивания базового масла. Но добавление наполнителя - форстерита приводит к снижению интенсивности изнашивания при высоких давлениях. Так при давлении 6 МПа интенсивность изнашивания снижается в 8 раз. 4. Снижение коэффициента трения приводит к значительному снижению температуры образца. В зависимости от давления температура снижается на 10 - 40 С. 5. В процессе работы на поверхностях трения образуется слой с повышенной микротвердостью. Микротвердость поверхности трения, в зависимости от давления, увеличилась в 1,1 - 1,3 раза. 6. Оптимальным рабочим давлением для масла с наполнителем -форстеритом является р = 3 МПа. При этом давлении коэффициент трения снижается в 3,8 раза вызывая снижение температуры образцов на 30 С, интенсивность изнашивания уменьшается 2 раза. На рисунках 3.5 - 3.8 представлено изменение основных триботехнических показателей базового масла И - 20 после введения в него порошка искусственного и природного серпентина.
Исследование влияния серпентина, полученного гидротермальным синтезом, на основные триботехнические характеристики пары трения
Как показали результаты исследований, минералы, полученные по золь - гель технологии, улучшают триботехнические свойства минерального масла И-20. Но кроме этой технологии существует гидротермальный синтез минералов (раздел 2.4). Основными отличиями двух способов получения минералов, являются температура и давление, присутствующие в гидротермальном синтезе. Под действием этих факторов образуются более прочные кристаллы, обладающие новыми свойствами. Для исследования основных триботехнических характеристик было приготовлено три смазочных материала на основе минерального масла И-20 и 1%, 10% и 30% наполнителя серпентина, полученного гидротермальным синтезом (ГТС), соответственно. На рисунках 3.44 - 3.52 представлены основные триботехнические показатели разработанных смазочных композиций, для сравнения на этих рисунках представлены триботехнические показатели смазочных композиций содержащих соответствующее количество природного серпентина. Пара трения: «диск - частичный вкладыш», материал образцов -сталь 45 ГОСТ 1050. Смазка в зону трения подавалась капельным путем 8 В - для масла И - 20 с 30 % наполнителя (природный серпентин).
Рассматривая триботехнические зависимости от содержания порошка наполнителя - серпентина, полученного гидротермальным синтезом, в масле в разном процентном соотношении можно отметить следующее: 1. Добавление в масло наполнителя изменяет его триботехнические свойства. Концентрация искусственного наполнителя в количестве 1%, 10% и 30%о снижают коэффициент трения, в зависимости от концентрации и давления на образцы в 1,5-3 раза. Природный наполнитель в количестве 1% , 10% и 30% незначительно влияет на коэффициент трения, снижая его в 1,1 -1,2 раза, в зависимости от концентрации и давления на образцы. 2. Оптимальной является концентрация искусственного наполнителя - 1%, имеющая меньшие значения фрикционных характеристик (коэффициент трения, интенсивность изнашивания). 3. Коэффициент трения в присутствии искусственного наполнителя снижается в 4 раза, а интенсивность изнашивания уменьшается в 5 раз (концентрация наполнителя 1%). 4. Оптимальным давлением на образцы, при котором искусственный наполнитель, всех трех концентраций, показал лучшие свойства, является р = 3 МПа. 5. Сравнивая триботехнические характеристики смазочной композиции содержащей серпентин, полученный гидротермальным синтезом со смазочной композицией содержащей природный серпентин, можно отметить превосходство по всем параметрам первой композиции. Коэффициент трения ниже в 1,5 - 2 раза, интенсивность изнашивания - в 2 раза. На рисунках 3.53 - 3.61 представлены графики зависимостей основных триботехнических характеристик масла с наполнителем - искусственным серпентином, от пути трения при постоянном давлении р = 3 МПа. Концентрация наполнителя в масле составляла 1%, 10%) и 30%). Смазка в зону трения подавалась капельным путем 8 - 10 капель в минуту.
