Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 19
1.2. Общие вопросы трения и изнашивания 19
1.2 Влияние смазочных материалов на процесс трения и изнашивания 22
1.3. Свойства и применение пластичных смазочных материалов ПСМ. 24
1.3.1. Классификация ПСМ 24
1.3.2. Области применения и типы ПСМ 28
1.3.3. Реологические свойства ПСМ 30
1.3.4. Термомеханические свойства ПСМ 31
1.3.5. Трибологические свойства ПСМ 32
1.4. Улучшение триботехнических свойств смазочных материалов присадками и наполнителями 34
1.4.1. Присадки к маслам и ПСМ 35
1.4.2. Поверхностно-активные присадки 36
1.4.3. Химически-активные присадки 36
1.4.4. Наполнители масел и ПСМ 37
1.5. Твердые смазочные материалы и физико-химия их смазочного действия 40
1.5.1. Общие характеристики и классификация ТСМ 40
1.5.2. Неорганические твердые смазочные материалы 42
1.5.3. Мягкие металлы и окислы 48
1.5.4. ТСМ органической природы 54
1.5.5. Твердосмазочные порошковые присадки с покрытиями 54
1.6. Присадки-геомодификаторы 57
1.7. Металлизация дисперсных наполнителей пластичных смазок 65
1.8. Влияние удельной поверхности твердого тела на его триботехнические характеристики 69
1.8.1. Влияние удельной поверхности твердосмазочного компонента на реакционную способность 69
1.8.2. Изменение удельной поверхности дисперсного твердосмазочного компонента в процессе трения 71
2. Выводы по аналитическому обзору. Выбор материалов, постановка цели и задач исследования 72
2.1. Выводы по аналитическому обзору 72
2.2. Выбор материалов для исследования 73
2.3. Цели и задачи исследования 74
3. Механизм смазочного действия присадок мелкодисперсного графита с металлическим покрытием 75
3.1. Постановка задачи 75
3.2. Оценка поверхностной энергии для присадки графита с металлическим покрытием 77
3.2.1. Оценка поверхностной энергии двухкомпонентной дисперсной системы при раздельном введении компонентов 77
3.2.2. Оценка поверхностной энергии композитной дисперсной системы (частицы с покрытием) 81
3.2.3. Оценочный расчет 84
3.3. Выводы из теоретической модели 88
4. Получение порошков с покрытиями 91
4.1. Нанесение покрытия на порошок 91
4.2. Расчет средней толщины покрытия 96
5. Исследование порошков присадок 100
6. Триботехнические испытания смазочных композиций с порошковыми присадками 109
6.1. Методики триботехнических испытаний смазочных материалов. 109
6.1.1. Измерения коэффициента трения 110
6.1.2. Измерения интенсивности изнашивания 112
6.1.3. Измерения микротвердости поверхностей трения 115
6.2. Результаты триботехнических испытаний 116
6.3. Исследование поверхностей трения 135
7. Обсуждение результатов работы и общие выводы 137
Литература 139
- Влияние смазочных материалов на процесс трения и изнашивания
- Влияние удельной поверхности твердого тела на его триботехнические характеристики
- Оценка поверхностной энергии для присадки графита с металлическим покрытием
- Измерения микротвердости поверхностей трения
Введение к работе
Современное развитие трибологии происходит по многим направлениям триботехнического материаловедения, при этом большинство работ, как и прежде, посвящено новым смазочным материалам (СМ) [85, 88, 117]. СМ играют важную роль для обеспечения безаварийной и длительной работы узлов трения в различных машинах и механизмах. Основное значение этих материалов и композиций - снижение трения и износа, обеспечение долговечности деталей машин.
При жестких режимах эксплуатации эффективность действия поверхностно активных веществ (ПАВ), содержащихся в пластичных смазочных материалах (ПСМ) на мыльных загустителях, низка, и в этих случаях три-ботехнические свойства СМ могут быть улучшены нанесением твердосма-зочных покрытий [55], введением противоизносных и противозадирных присадок, а также высокодисперсных активных наполнителей [1, 128, 143]. Для улучшения триботехнических свойств ПСМ используют порошкообразные активные наполнители: графит, дисульфид молибдена [43, 43, 111, 120], порошки полимеров, металлов и сплавов, а также оксиды металлов и ряд других неметаллических материалов. Влияние активных наполнителей на структуру и свойства смазок определяется в первую очередь характером их взаимодействия с поверхностями трения, а также параметрами их совместимости с загустителями дисперсионной средой и другими компонентами ПСМ.
Большое значение для обеспечения триботехнической эффективности СМ имеют природа, структура, концентрация и дисперсность наполнителей. Важным резервом эффективности этих добавок является их предварительное модифицирование. Использованию наполнителей в смазках обычно предшествует их обработка (процессы диспергирования, фракционирования, очистки и активации), что, наряду с другими факторами, может су-
щественно влиять на триботехнические свойства. Эффективность наполнителей, в частности, определяется поверхностными явлениями, возникающими на границе раздела фаз. С уменьшением размера частиц увеличивается удельная поверхность и соответственно возрастает роль поверхностных явлений и связанная с ними активность добавок.
Действие наполнителей лучше проявляется в ПСМ, приготовленных на маловязких маслах или с малым содержанием загустителя. Увеличение вязкости дисперсионной среды и повышение массовой доли загустителя понижают восприимчивость смазок к наполнителям, что обусловлено ухудшением подвижности частиц в объеме смазки. Это создает менее благоприятные условия для поступления частиц наполнителя к поверхностям трения и формирования прочной смазочной пленки [1]. Мало изученным является вопрос о том, каким образом активные твердосмазочные наполнители влияют на формирование граничного смазочного слоя [18, 117].
Улучшение противоизносных и антифрикционных свойств ПСМ может быть достигнуто введением добавок неметаллической природы [1, 41, 78, 79, 162]. Большое число работ в последние годы посвящены использованию так называемых «геомодификаторов», представляющих собой мелкодисперсные порошки силикатов и других соединений [42, 104 и др.]. Существует направление по исследованию в составе ПСМ трибополимерооб-разующих компонентов [124], интересны недавние работы по применению в качестве твердосмазочных компонентов масел и ПСМ порошков гетероциклических соединений типа производных фталоцианина [13].
Из работ ряда авторов [1, 99] видно, что перспективным является введения в СМ металлоплакирующих наполнителей [99, 101, 140] Такие способы модификации смазочных материалов, помимо положительных результатов, имеют и недостатки: повышение окисляемости смазки при введении ряда наполнителей. Кроме того, слой мягкого металла, образую-
щийся на поверхности трения, не образует соединений с основным металлом, и может разрушаться.
Следует отметить недостаточную к настоящему времени теоретическую проработанность вопросов о физико-химических механизмах действия твердосмазочных присадок и наполнителей, о роли их химической природы и свойств. Так, часто указывают на важную роль дисперсности компонентов [132]. Важным является вопрос об особенностях работы твердых порошковых присадок в составе ПСМ [84, 128, 159].
Общая характеристика работы Актуальность
Одним из наиболее экономически выгодных путей повышения долговечности и надежности является улучшение качества смазочных материалов, в первую очередь улучшение их противоизносных и антифрикционных свойств. Это может быть достигнуто введением в смазки специальных высокоэффективных добавок [142]. Хороший результат демонстрируют в ПСМ порошковые присадки твердосмазочных веществ. Большинство из них хорошо совмещаются с базовой основой и другими присадками и наполнителями, что дает возможность широко варьировать их состав и свойства. Чаще всего используют вещества слоистого («анизодесмического») строения — графит, дисульфид молибдена (молибденит), сульфид серебра, пористый свинец. Иногда в качестве порошковых добавок используют «металлоплакирующие» наполнители ( «реметаллизанты») [32, 99, 101].
В настоящей работе предложено расширить диапазон применения твердосмазочных трибоактивных компонентов ПСМ путем использования композитных порошков (частицы с покрытиями). При помощи этого метода триботехническая эффективность ПСМ может быть повышена за счет изменения внутренней энергии сложной полидисперсной системы. Этот имеет практическое и теоретическое значение для разработки и использо-
вания новых эффективных ПСМ. Механизм действия многокомпонентных твердосмазочных присадок к ПСМ мало изучен, нет данных, обосновывающих применение порошков с покрытиями.
Настоящая работа является продолжением исследований Кафедры механики ИГХТУ в области разработки новых компонентов ПСМ. Работа выполнялась в рамках тематического плана научно-исследовательских работ ИГХТУ на 2006-2010 г.г.
Цель и задачи
Целью настоящего диссертационного исследования является повышение триботехнических характеристик пластичных смазочных материалов за счет введения твердых присадок композитного состава. В рамках названной цели предполагалось решить следующие задачи.
Разработать теоретическую концепцию и математическую модель, описывающую механизм действия композитных порошков в качестве трибоактивных присадок.
Выявить зависимость между химическим составом, концентрацией и триботехническими параметрами композиционных присадок различной природы.
Создать новые, эффективные присадки порошков в покрытиями.
Методы исследования
Задачи, поставленные в работе, решались теоретическими и экспериментальными методами. В теоретических исследованиях применены основные положения физикохимии поверхностей. Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с известными методиками измерения трения, износа, предельной нагрузки схватывания. Новые типы покрытий порошков создавали с использованием химической технологии нанесения покрытий на неметаллические поверхности.
Частицы присадок исследовали методами оптической и электронной микроскопии, электронографии. Для оценки гранулометрического состава порошков применяли соответствующие методы математической статистики. Исследование поверхностей трения производили методами оптической микроскопии, профилометрии и путем измерения микротвердости. Экспериментальные зависимости обрабатывали с использованием регрессионного анализа.
Автор защищает
Теоретическую концепцию, объясняющую эффективность композиционных (покрытых) порошковых твердосмазочных присадок избытком поверхностной энергии полидисперсной системы.
Математическую модель и методику расчета избытка поверхностной энергии композитной присадки по сравнению с раздельным введением компонентов.
Новые составы композитных порошковых присадок.
Количественные зависимости, связывающие состав и концентрацию композиционных присадок в ПСМ с их триботехническими характеристиками.
Научная новизна работы заключается в:
разработке теоретических положений, обосновывающих применение в смазочных материалах композиционных (покрытых) порошковых твердосмазочных присадок;
получении количественных закономерностей триботехнической эффективности композиционных твердосмазочных присадок;
Практическая полезность
Разработана лабораторная технология получения композитных твердосмазочных присадок, получены оптимизированные модельные составы ПСМ повышенной триботехнической эффективности. Техническая ин-
формация о разработанных новых твердосмазочных порошковых композитах передана в ООО «ТЕХНОЛОГИЯ» при ИГХТУ для организации малотоннажного производства. На способ получения графитового порошка с двухслойным покрытием авторским коллективом при участии автора диссертации была подана заявка на получение патента (Заявка № 2008121021/04(024901), приоритет от 26.05.2008).
Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры «Механика» ИГХТУ при чтении курса «Триботехника», выполнении студентами лабораторных, курсовых и дипломных работ.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных конференциях, симпозиумах, семинарах Междунар. научно-методич. конф. Иваново, ИГСХА, 2007 г.; Научно-практической научной конференции по трибологии. Иваново, ИвГУ, 2008 г.; Научно-практической научной конференции ИГСХА, Иваново, 2008 г.; VIII Междунар. научн. конф. «Трибология и надежность» С-Петербург, 23-25 окт. 2008 г.; заседании научно-технического совета ИГХТУ, май 2008 г.; научном семинаре Ивановского Института государственной противопожарной службы МЧС РФ, январь 2009 г.; Научном семинаре НИИ наноматериалов Ивановского государственного университета, февраль 2009 г.; Городском семинаре по механике Института проблем машиноведения РАН, С.Петербург, март 2009 г.; Региональной научно-техн. конф. «Материаловедение и надежность триботехнических систем», Иваново, апрель 2009 г.; ежегодных научных конференциях преподавателей и сотрудников кафедры «Механика» ИГХТУ, 2006-09 гг.
Публикации по теме диссертации
Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах с участием автора общим объемом 3,9 п.л., из них авторских 2,1 п.л. В том чис-
ле 9 статей (одна из них (поз. 3) в ведущем журнале по списку ВАК РФ), 1 доклад в материалах международной научной конференции и 2 тезисов выступлений.
Хуссейн Х.А., Зарубин В.П. Триботехнические свойства пластичных смазок, наполненных твердыми смазочными материалами // Тез. докл. Междунар. научно-методич. конф. Иваново, ИГСХА, 2007 г. С. 157-158.
Хуссейн Х.А., Мельников В.Г. Исследование триботехнических свойств наполненных порошками твердых смазок // Современные наукоемкие технологии. Журнал регионального отд. РАЕН, Иваново, ИГХТУ, 2007 г. № 4. С. 62-67.
Хуссейн Х.А., Мельников В.Г. Исследование влияния порошков твердых смазочных материалов и модифицирования их поверхности на триботехнические свойства наполненных смазочных композиций //Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2008. № 6. С. 18-22.
Хуссейн Х.А., Мельников В.Г. Исследование антифрикционных свойств пластичных смазочных материалов, наполненных порошками твердых смазок // Физика, химия и механика трибосистем. Иваново, ИвГУ, 2007. № 6. С. 48-50.
Хуссейн Х.А., Зарубин В.П. Исследование триботехнических свойств смазочных композиции, наполненных порошками твердых смазок // Тез. докл. Научно-практич. конф. Иваново, ИвГУ, 2008 г. С. 83-84.
Хуссейн Х.А., Зарубин В.П. Исследование влияния порошков твердых смазочных материалов на триботехнические свойства пластичных смазок // Мат-лы научно-практич. конф. Иваново, 2008. С. 205— 208.
Хуссейн Х.А., Годлевский В.А., Замятина Н.И., Зарубин В.П. Исследование триботехнических свойств смазочных композиций, наполненных порошком металлизированного графита // Трибология и надежность. Сб. научн. трудов VIII Междунар. конф. СПб: С-Пб. гос. ун-т путей сообщения. 2008. С. 66-72.
Хуссейн Х.А., Годлевский В.А., Волков А.В. Механизм смазочного действия присадок мелкодисперсного графита с модифицированной поверхностью частиц // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2009. Т. 52, Вып. 1. С. 115-118.
Годлевский В.А., Богомолов М.В., Моисеев Ю.Н., Манерцев А.А., Хуссейн Х.А. Предпосылки разработки новых спеченных подшипниковых смазочных материалов для узлов трения пожарно-техничес-кого и аварийно-спасательного оборудования // Вестник Ивановского института ГПС МЧС России. 2008. № 2. С. 38-42.
Ю.Волков А.В., Годлевский В.А., Замятина Н.И., Хуссейн Х.А. Композитные присадки твердосмазочного действия // Физико-химическая механика процесса трения. Иваново, изд.-во ИвГУ, 2008. С. 118- 121.
11.Хуссейн Х.А., Волков А.В., Годлевский В.А., Киселев Б.Р. Расчет свободной поверхностной энергии порошка металлизированного графита, применяемого в качестве трибоактивной присадки к пластичным смазочным материалам // Сб. докладов Региональной науч-но-техн. конф. «Материаловедение и надежность триботехнических систем», Иваново, 10 апреля 2009 г., Изд. ИГХТУ. С. 22-25.
12. Решение патентной экспертизы о выдаче патента РФ по заявке № 2008121021/04(024901). Смазочная композиция. Авторы: Хуссейн Х.А., Замятина Н.И., Зарубин В.П. Приоритет от 28.07.2008.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников из 163 наименований. Работа изложена на 156 с, содержит 46 рисунков и 8 таблиц.
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 [27]. 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 материалы 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 [63].
Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде ворса [27]. При взаимном перемещении поверхностей трения (ворсинки) как бы изгибаются в противоположные стороны. Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном 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: её несущая поверхность исчисляется сотнями тысяч Н/см". Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости [27].
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 [27]. 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 граничный слой смазочного материала и водных растворов поверхностно—активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа до 2 раз [1].
Эффективность смазочного материала помимо факторов адсорбции зависит от химического взаимодействия металла. Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом поверхности, образуют мыла, т. е. металлические слой жирных кислот, способные вследствие свойственной им высокой ко-гезии 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.
Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь [16].
Влияние удельной поверхности твердого тела на его триботехнические характеристики
Уже более двух столетии назад было сформулировано правило, согласно которому скорость гетерофазных реакций между твердым телом и газообразным либо жидким пропорциональна не количеству вещества, а величине поверхности твердого тела [163]. Поэтому твердофазные реакции обычно проводят с участием дисперсных материалов. Влияние величины поверхности на реакционную способность твердых тел в наибольшей степени проявляется при измельчении металлов, которые на воздухе проявляют пирофорные свойства при достижении определенной критической степении дисперсности [132, С. 253]. Твердые тела с очень высокой удельной поверхностью можно получить химическими методами, например, разложением или осаждением реагентов. Однако, основным способом приготовления порошков с развитой поверхностью в настоящее время остается механическое деформирование и разрушение.
Величина поверхности идеального монокристалла определяется геометрическими размерами его внешних граней. Неидеальные твердые кристаллические тела, например, разупорядоченные механообработкой, состоят из множества первичных микрокристаллов, к тому же часто имеющих поры. Для неидеальных кристаллов различают три вида поверхностей, которые схематично представлены на рис. 1—7 [157]: 1) внешняя поверхность 5л, ограничивающая вторичные частицы твердого тела; 2) внутренняя поверхность 5V, образованная открытыми порами; 3) поверхность вторичных кристаллитов Схематическое изображение различных типов поверхности, присущих твердой частице: а — зерно без пор: 1 — внутренние границы; 2 — внешняя граница; поверхность внутренних и внешних границ равна полной поверхности первичных кристаллитов Sp; б — зерно с порами: 1 — внутренняя поверхность S\, 2 — внешняя поверхность 5д
Поверхность по Брунауэру—Эммету-Теллеру ( ют) представляет собой сумму внешней и внутренней поверхностей поэтому обычно справедливо неравенство
Как правило, при механических воздействиях на частицу, происходящих в процессе трения, наряду с упругой деформацией, процессы разрушения и пластического течения, сопровождающиеся дальнейшим изменением поверхности обрабатываемого материала. Это изменение зависит от природы твердого тела, его начального состояния, вида, интенсивности и продолжительности воздействия, а также окружающей среды. При этом три отмеченных вида поверхности изменяются по своим собственным законам [132, С. 254].
Поверхность твердого тела (SA +S,), доступная для жидкой фазы СМ, обычно более важна для кинетики гетерогенных реакций по сравнению с поверхностью первичных кристаллитов. Особенности изменения удельной поверхности порошков при механообработке трением зависит от типа материала и внешних условий.
После длительного измельчения порошок приобретает некоторое конечное равновесное состояние. Типичные изменения размеров первичных кристаллитов представлены на рис. 1—9 [156] где г — размер первичного кристаллита; rg — возможный конечный размер кристаллита; ко — константа скорости уменьшения размеров первичных кристаллитов; кг — константа скорости рекристаллизации; С/в — средняя удельная энергия разрушения; /м — средняя по времени подводимая удельная механическая мощность; тс — средняя удельная поверхностная энергия; S — удельная поверхность первичных кристаллитов; Е — модуль Юнга; (Аа/а) — искажения кристаллической решетки; /Л — средняя энергия активации процесса рекристаллизации.
Оценка поверхностной энергии для присадки графита с металлическим покрытием
В предыдущем разделе были получены расчетные формулы, позволяющие оценить разность и отношение поверхностной энергии дисперсных систем для четырех случаев: 1) Медь и графит введены раздельно, состояние до трения. 2) Медь и графит введены раздельно, состояние после трения. 3) Медь и графит введены в виде композита, состояние до трения. 4) Медь и графит введены в виде композита, состояние после трения. Расчет соотношений поверхностных энергий при одинаковых массовых концентрациях графита и меди в условиях до трения и после для раздельных смазок: графит-масло, медь-масло и смазки-композита (омедненный графит) выполняли с использованием формул, полученных в разд. 3.2.2. настоящей работы. Для простоты предположили, что массовые концентрации графита и меди одинаковы, т.е. Кх = К2 = 1,5% мае. Для вычисления поверхностной энергии твердых тел классическая теория не дает четкой физической зависимости в силу термодинамической необратимости возможного увеличения твердой межфазной поверхности. Приближенно оценить возможные значения поверхностной энергии твердых тел позволяет правило Стефана: где А — теплота сублимации или испарения; Vm — молярный объем вещества; NA — число Авогадро; Zs — координационное число молекул, находящихся в поверхностном монослое; Z— координационное число (число соседей молекулы) в объеме конденсированной фазы. Однако при сравнении значений поверхностной энергии твердых тел, вычисленных по формуле Стефана, и экспериментально определенных значений а непременно оказывается, что последние значительно больше.
К тому же, экспериментально для твердых тел величину а оценить очень трудно. Поэтому для проведения оценочных расчетов будем считать, согласно правилу Стефана (3-32), что удельная поверхностная энергия пропорциональна мольной теплоте сублимации и обратно пропорционально молярному объему вещества в степени 2/3. Так как теплота сублимации меди примерно в 2 раза выше, чем у графита [127], а мольные объемы меди и графита приблизительно одинаковы — 7 см /моль и 6 см /моль, соответственно, следовательно, удельная поверхностная энергия меди приблизительно в 2 раза превышает аналогичную величину у графита. Согласно формулам (3-16) и (3-30) для оценки соотношения поверхностных энергий систем после и до процесса трения, необходимы также соотношения удельных поверхностных энергий и соотношение плотностей. Отношение плотностей меди и графита рг1 рх равно приблизительно 3,9 (с округлением примем равным 4). Для определения межфазной поверхностной энергии графит-медь
Тз используем также правило Антонова (правило аддитивности поверхностных энергий), согласно которому, межфазная удельная поверхностная энергия конденсированных сред определяется разностью удельных поверхностных энергий тел: У3 =сг2 -o-j. Принимая для расчета это правило, и учитывая, что удельная энергия меди г2 = а{ , делаем вывод, что удельная межфазная поверхностная энергия раздела графит—медь примерно совпадает с удельной поверхностной энергией графита. Во всех последующих расчетах принимаем соотношение размера час тицы субстрата и покрытия — = 10, которое мы оценили выше из условия равенства масс субстрата и покрытия. 1. Расчет для компонентов смазки, введенных раздельно. Поверхностная энергия до трения: Таким образом, расчетная процедура, проведенная для конкретного варианта композиционной порошковой присадки, показала, что действительно, как мы и предполагали, при переходе от раздельного введения порошков меди и графита к композитной системе «порошок графита с медным покрытием» происходит увеличение свободной поверхностной энергии дисперсной системы в состоянии «до трения» и примерно в полтора раза — после трения.
Мы убедились, что оценка внутренней поверхностной энергии многокомпонентной дисперсной системы может служить информативным показателем ожидаемой трибологической эффективности СМ с порошковыми твердосмазочными компонентами. Таким образом, в результате построения расчетной модели и проведения оценочного расчета было показано, что «композитное» введение двух-компонентных присадок (когда одна из них является покрытием), позволя Расчет выполнен из условия равенства масс субстрата и покрытия с учетом допущений модели о форме частиц и характере их измельчения при тренииет дисперсной системе получать избыточную поверхностную энергию за счет образования новых поверхностей раздела «субстрат — покрытие». Тогда новая «высокоэнергетичная» дисперсная система оказывается способной более эффективно взаимодействовать с поверхностью трения, и достигать антифрикционного эффекта. Если предложенная гипотеза, оказывается верной, то тогда открывается перспектива дальнейшего использования наблюдаемого эффекта: 1) За счет оптимизации выбора пары материалов «субстрат-покрытие» с точки зрения энергии межфазных границ дисперсной системы. 2) За счет образования двух- и многослойного металлического покрытия на базовой порошковой основе твердой присадки: добавление новых межфазных границ в свете полученных результатов должно способствовать усилению смазочного действия. Нужно помнить, что приведенный выше оценочный расчет был выполнен при достаточно сильном упрощающем предположении о сферичности частиц присадки, тогда как на самом деле частицы коллоидного графита имеют форму хлопьев, и их фактическая поверхность существенно больше, чем для условно-сферических частиц. В таком случае будет существенно меньше реальная толщина слоя, получаемого из условия равенства масс субстрата и покрытия. Более того, очень вероятна несплошность слоя, которую мы обнаружили на снимках покрытых частиц (см. рис. 4-1). Можно предложить следующую схему реальной композитной частицы покрытого медью графита, более соответствующую снимку 4—1. Мы изобразили ее на рис. 3-2. Это частица типичной для коллоидного графита пластинчатой формы состровковыми фрагментами покрытия на ее поверхности.
Измерения микротвердости поверхностей трения
Из литературных источников следует, что металлоплакирующая пленка во время работы узла трения образует на поверхности деталей слой с измененной микротвердостью. Таким образом, результат действия разрабатываемого наполнителя можно заметить не только по изменению интенсивности изнашивания и коэффициента трения, но и по микротвердости поверхности трения.
Поэтому в данной работе применялась методика определения микротвердости поверхностных слоев металлов. Испытания на микротвердость применяются при определении твердости таких образцов деталей, которые не могут быть испытаны обычно применяемыми методами (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу), а именно: мелких деталей приборов, тонких полуфабрикатов (лент, фольги, проволоки), тонких слоев, получающихся в результате химико-термической обработки (азотирование, цианирование) и гальванических покрытий (никелирование), поверхностных слоев металла. Исследования микротвердости поверхностей образцов в нашем случае проводились на приборе ПМТ-3. Число твердости (Н, кг/мм ) определяли по формуле: где Р — нагрузка на пирамидку, кг; d — среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм. В начальной серии экспериментов были получены зависимости коэффициента трения от нагрузки и от концентрации присадки графита С-2, введенного в медицинском вазелине (рис. 6-6, 6-7). Анализ графиков показывает следующее. Зависимость /(C) для всех уровней нагрузки носит экстремальный характер: в области концентраций 2...3% при всем ряде нагрузок наблюдается минимум, после которого идет близкий к линейному рост коэффициента трения. Важным для цели настоящей работы было выбрать порошок, представляющий собой базовую основу для нанесения на него металлического или неметаллического покрытия.
На рис. 6-8 показаны зависимости коэффициента трения чистого (без присадки) медицинского вазелина и того же смазка со следующими твердыми порошковыми присадками: 1) порошок аккумуляторный ГАК-2; 2) порошок электроугольный ЭУТ-П; 3) порошок графитовый смазочный ГС-1; 4) порошок коллоидного графита С-2. Принимая во внимание данные, приведенные на рис. 6-6 и 6-7, из которых видно, что концентрация порошковой присадки в 3 масс. % является оптимальной по коэффициенту трения, все перечисленные выше порошки использовались в виде 3%-й суспензии. Из рис. 6-8 можно видеть, что из испытанных антифрикционных присадок порошок коллоидного графита марки С-2 показал наилучшие результаты, снизив коэффициент трения примерно в 1,5 раза по сравнению с медицинским вазелином без присадки. На следующем этапе измеряли коэффициент трения медицинского вазелина с металлической присадкой порошка чистой меди, полученного электролитическим методом. Рис. 6-9 показывает зависимость коэффициента трения от концентрации этого порошка при различных величинах нормальной нагрузки.
Можно заметить, что по аналогии с данными по присадке графита (см. рис. 6-6) концентрационные кривые на рис. 6-9 демонстрируют оптимум на уровне в 3% масс. Далее было бы интересно сравнить то, какой эффект дает введение присадки меди в виде покрытия графитовых частиц в сопоставлении с раздельным вводом этих двух твердых присадок (рис. 6-Ю).. Рис. 6-10 демонстрирует тот интересный факт, что введение омедненного графита приводит к значимому (примерно 30%-ному) повышению антифрикционного эффекта композитной присадки по сравнению с тем случаем, когда те же самые компоненты введены в том же количестве, но раздельно. Далее было бы интересно установить, имеет ли место обнаруженный эффект в другой базовой среде: не в медицинском вазелине, а в стандартной пластичной смазке Литол-24. Результаты такого эксперимента, выполненного с применением ПСМ, представлены на рис. 6—11. Здесь мы наблюдаем ту же картину, что и в случае вазелинового смазка (см. рис. 6-10): композитная присадка (омедненный графит) дает лучший эффект, чем присадки меди и графита введенные индивидуально, либо раздельно в равной пропорции. Далее нами выполнялись эксперименты по исследованию процесса изнашивания. Мы выявили, как влияет омедненный графит на интенсивность изнашивания по сравнению с индивидуальным или раздельным введением присадок (рис. 6-12). На рисунке можно также наблюдать аномально низкое изнашивание поверхности трения в случае применения присадки омедненого графита. Следующий рисунок (рис. 6-13) дает представление о том, как меняется коэффициент трения в зависимости от пути трения. Графики не только дают возможность сравнить антифрикционную эффективность разных порошковых присадок, но и показывают кинетику приработочного процесса для ПСМ — с различными присадками. Близкое ранжирование присадок по эффективности было обнаружено и для зависимости интенсивности изнашивания от пути трения. Здесь так же, как и на рис. 6-13, обнаруживается наилучшее действие композитной присадки омедненого графита.
