CC BY
54
УДК 665.256.15
В.В. Киселев, М.В. Гомонай, П.В. Пучков, И.А. Лисовская
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ СИЛИКАТОВ В СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОЙ И ПОЖАРНОЙ
ТЕХНИКЕ
Пожарная техника подвержена интенсивному износу под действием различных отрицательных факторов. Разработан порошок искусственного серпентина с частицами наноразмеров, который может являться универсальным наполнителем масел и смазок, используемых в пожарной технике. Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния на основные триботехнические характеристики смазочных композиций с нанопорошками искусственно полученных серпентинов.
Ключевые слова: Смазка, износ, пожарная техника, геомодификатор трения.
V.Kiselev, M.Gomonay, P.Puchkov, I.Lisovskaya
THE ARCTIC REGION: MANAGEMENT AND INTEGRATED SECURITY (FOR A
REVIEW OF TOPICAL ISSUES)
Fire trucks subject to heavy wear due to various negative factors. Designed powder artificial serpentine nanoscale particles, which can be a universal excipient oils and lubricants used in fire fighting equipment. The results of experimental studies on the effect on the basic tribological characteristics of lubricating compositions nanopowders artificially produced serpentine.
Keywords: Grease, wear, fire fighting equipment, geomodifiers friction.
Повышение надежности автотранспортных средств, используемых в системе МЧС и в любой другой сфере, является важной хозяйственной задачей. Результаты анализа эксплуатационных испытаний пожарных автомобилей на пробегах, близких к капитальному ремонту, в качестве основной причины отказов указывают на преждевременный износ трущихся поверхностей [1].
Интенсивно используемая автомобильная техника подвержена негативным воздействиям ряда факторов. Это и неустановившийся режим работы, и реверс, и вибрации, и возможность попадания абразивных частиц в зону контакта трущихся поверхностей, и разнообразие внешних условий эксплуатации, вызванное как переменными нагрузками, так и изменениями в окружающей среде, -все это приводит к существенному повышению интенсивности изнашивания трущихся поверхностей деталей машин.
Одним из способов повышения надежности пожарной техники является улучшение триботехнических показателей смазочных материалов. Авторами проводится активная работа по
разработке различных присадок и добавок к смазочным материалам. В последние годы широко используется в качестве наполнителя масел и смазок порошок измельченного природного серпентина. Природный серпентин - геомодификатор трения (ГМТ) содержит в виде примесей большое количество оксидов и других компонентов (алюминий, железо, никель, кремний, магний, асбест, шамот, базальт и др.), роль которых в зоне трения является неоднозначной. К недостаткам такого наполнителя можно отнести большой разброс по содержанию примесей и гранулометрическому составу измельченного минерала, присутствие в составе крупных твердых частиц, что может привести к абразивному износу антифрикционных сплавов.
Эффективность наполнителей определяется поверхностными явлениями, возникающими на границе раздела фаз. С уменьшением размера частиц наполнителя увеличивается удельная поверхность и соответственно возрастает роль поверхностных явлений и связанная с ними активность добавок.
Известно, что по химическому и фазовому составу порошки природного геомодификатора представляют собой классический магнезиально-железистый силикат (серпентин), являющийся формой целого ряда минеральных руд класса оливинов, конечными фазами которого являются форстерит и фаялит (Бе28Ю4).
Поскольку минералы, входящие в состав геомодификаторов, химически инертны, то на эксплуатационные свойства масел они действия не оказывают. Изначально ГМТ представляют собой абразивные невысокой твердости частицы. Попав в зону трущихся деталей, они под воздействием энергии трения вступают в реакцию с металлом и образуют на нем гладкий металлокерамический слой (согласно рекламным описаниям), благодаря чему смазочные материалы с ГМТ могут применяться практически во всех машинах и механизмах.
Большинство производителей, выпускающих металлокерамические восстановители в качестве наполнителя к маслам и смазкам, применяют природный серпентин и его разновидности. Основным недостатком при этом является сложность измельчения минерала. Размер частиц порошков серпентина находится в пределах 1-40 мкм. А это значит, что часть наполнителя может задерживаться фильтрами, попадая в зазоры трущихся поверхностей, крупные частицы минерала, работают как абразивные. Как следствие применения таких наполнителей - высокие значения интенсивности изнашивания - 3,2-5,2 мкм/км, а также высокие значения коэффициентов
трения - 0,08-0,16.
Важным недостатком, на наш взгляд, является отсутствие систематических исследований работоспособности предлагаемых ГМТ.
Постановка задачи.
Не отрицая положительную роль порошка природного серпентина как наполнителя, мы считаем, что важной задачей, поставленной в данной работе, является разработка порошка искусственного серпентина, который, лишенный недостатков природного, являясь его аналогом с частицами наноразмеров, может быть универсальным наполнителем масел и смазок.
Искусственный серпентин представляет собой слоистую разновидность гидросиликатов магния с общей формулой Mg3Si205(0H)4. Он может быть синтезирован с применением геля кремниевой кислоты и соединений магния (растворимыми и нерастворимыми).
Золь-гель технология является основным методом синтеза антигорита различной степени дисперсности и большей степени чистоты, чем природный.
Вторым способом получения искусственного серпентина является гидротермальный синтез. Такой способ получения смазочной композиции включает обработку смеси гидроокиси магния Mg(0H)2 и кремнийорганического эфира при температуре свыше 300 °С и давлении свыше 3,5 МПа.
Методика проведения эксперимента.
Исследование полученных разными методами порошков серпентина проводили на рентгеновском дифрактометре ДР0Н-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 -1, излучение - CuKa.
Разработанные геомодификаторы выступали в качестве наполнителя к базовому маслу (И-20). На базе масла И-20 были получены смазочные композиции (№1, №2, №3), содержащие 10% геомодификатора трения. Композиция №1 содержит природный геомодификатор, №2 и №3 содержат 10 % искусственного аналога геомодификатора трения, полученного гидротермальным синтезом и по золь-гель технологии.
Размер частиц синтезированного минерала, определялся с помощью лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц «АnаПzetter 22».
Триботехнические свойства разработанных серпентиноподобных соединений проводились по следующим методикам: частичный вкладыш и контртело (рис. 1) были изготовлены из стали 45 (ГОСТ 1050) с поверхностной твердостью (45 - 48) HRC. Шероховатость рабочих поверхностей образцов Иа = 0,16 [2].
я)
б)
Рис.1. Частичный вкладыш (а) и контртело (б) для проведения испытаний на трение и изнашивание.
Исследование триботехнических характеристик разработанных присадок проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ модели СМТ-1 (рис.2).
5
Рис. 2. Упрощенная схема узла трения машины СМТ - 1: 1 - нижний (вращающийся) вал; 2 - верхний (неподвижный) вал; 3 - нагружающее устройство;
4 - образец; 5 - контртело
При исследовании износостойкости образца в присутствии разработанной смазочной композиции были выбраны усредненные режимы трения, применительно к режимам работы большинства узлов трения машин и аппаратов: скорость скольжения составляла 1 м/с; нагрузка повышалась ступенчато до резкого увеличения момента трения; смазочная композиция вводилась в зону трения капельным способом - 8 - 10 капель в минуту.
Поскольку, как известно из ранних работ, геомодификатор трения (ГТМ) организует на поверхностях контакта слой с повышенной микротвердостью, было исследовано изменение микротвердости поверхностного слоя образцов при изнашивании.
Из исследованных смазочных композиций следует выделить смазочную композицию №2. При введении в масло порошка этого наполнителя коэффициент трения снижается более чем в 5 раз при давлении до 3 МПа, интенсивность изнашивания уменьшается в 2 - 4 раза во всем диапазоне исследованных давлений. Улучшение триботехнических свойств масла можно объяснить образованием на поверхности стальных образцов слоя с повышенной микротвердостью (микротвердость поверхности трения увеличилась в 1,5 - 2 раза). Попадая в зону трения, частицы наполнителя, под действием нагрузки, разрушаются с выделением большого количества тепла и внедряются, размягчая верхние слои металла. Повышенная микротвердость оказывает непосредственное влияния на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, продления
срока службы узла трения. Изменение микротвердости поверхности трения стальных образцов показано на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость микротвердости поверхности трения от давления: №1 - для базового масла И-20 с 10% природного геомодификатора; №2 - для масла И-20 с 10% наполнителя изготовленного гидротермальным способом; №3 - для масла И-20 с 10% наполнителя
изготовленного по золь-гель технологии.
Результаты триботехнических испытаний масла И-20 с 10 масс. % разработанных наполнителей представлены на рис. 4 и 5.
Р, МПа
Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от давления на образец: ■ - масло И-20 без наполнителей; ▲ - масло И-20 со смазочной композицией №1; ♦ - масло И-20 со смазочной композицией №2; • - масло И-20 со смазочной композицией №3.
Р, МПа
Рис. 5. Зависимость интенсивности изнашивания от давления на образец: ■ - масло И-20 без наполнителей; ▲ - масло И-20 со смазочной композицией №1; ♦ - масло И-20 со смазочной композицией №2; • - масло И-20 со смазочной композицией №3.
Анализируя результаты исследований, можно сделать выводы:
1. Смазочная композиция №1 проявила себя как противоизносная. В ее присутствии интенсивность изнашивания снижается в 2 - 4 раза. Коэффициент трения при этом мало отличался от значений коэффициента трения в масле без наполнителей. Микротвёрдость поверхности трения частичного вкладыша увеличилась в 1,5 - 2 раза. Таким образом, смазочная композиция №1 снизила интенсивность изнашивания за счет образования на поверхности трения прочного слоя.
2. Смазочная композиция №2 мало отличается от смазочной композиции №1. В ее присутствии коэффициент трения снизился в 1,5 - 2 раза, интенсивность изнашивания уменьшилась в 1,5 - 2,5 раза, микро твёрдость поверхности трения увеличилась в 1,5 - 3 раза.
3. Лучшие триботехнические характеристики показала смазочная композиция №3: коэффициент трения снизился в 5 - 12 раз, интенсивность изнашивания уменьшилась в 3 - 4 раза, микротвердость поверхности трения увеличилась 1,5 раза.
Исследования показали, что использование в качестве наполнителя, к смазочным материалам, порошков серпентинов приводит к улучшению триботехнических свойств. Снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания связано с образованием на поверхности трения слоя с повышенной твердостью. Но как показывают исследования, для максимального улучшения триботехнических свойств пары трения сталь - баббит, микротвердость не должна возрастать более чем в 1,5 раза.
Положительный эффект от использования в качестве наполнителей к маслам силикатных наполнителей напрямую зависит от дисперсности порошков минералов вводимых в смазку.
На рис. 6 представлены фотографии порошков наполнителей.
а) б) в)
Рис. 6. Фотографии порошков наполнителей (увеличение х 150): а) наполнитель №1; б) наполнитель №2; в) наполнитель №3.
Для контроля размеров частиц наполнителей и количества тех или иных частиц в составе порошков использовался лазерный дисперсионный анализатор микрочастиц «Апа^ейег 22». В приборе используется физический принцип возможных перемещений электромагнитных волн. Через жидкость с порошком проходит лазерный луч и отражается от частиц под разными углами, которые зависят от величины и оптических свойств частиц. Прибор имеет набор линз, которые концентрируют отраженный свет в пучок. Пучок света попадает на измеряющий датчик. Датчик посылает сигнал в компьютер, который с помощью комплекса математических программ рассчитывает размер частиц исследуемого порошка.
По данным лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц следует, что наполнитель №1 имеет 85% частиц с размерами менее 40 мкм, наполнитель №2 - 93%, наполнитель №3 96%, что
говорит о тонкой дисперсности порошков наполнителей и о возможности применения смазок, наполненных порошками силикатов в машинах с фильтрами тонкой очистки масла. Порошки наполнителей не будут отфильтровываться и в достаточном количестве попадут в зону трения.
Как отмечалось в работе [3], при трении скольжения независимо от изменения в относительно широких пределах исходной шероховатости поверхностей трения к концу периода приработки устанавливается для каждой из поверхностей определенная, свойственная именно данному сочетанию материалов и условиям трения шероховатость, которая сохраняется при дальнейшем постоянном режиме трения. Исходная шероховатость поверхностей, независимо от вида трения, переходит в эксплуатационную, т.е. в ту, при которой происходит работа трения. На формирование эксплуатационной шероховатости оказывает влияние сложный комплекс разного рода механических, физико - механических, электрохимических и других процессов, протекающих в контакте. Наличие в смазочном материале наполнителей оказывает непосредственное влияние на поверхности трения трущихся деталей, и как следствие на триботехнические свойства (коэффициент трения и интенсивность изнашивания).
Влияние наполнителей на поверхности трения представлено на фотографиях поверхностей (рис. 7).
в) г)
Рис. 7 Поверхности образцов после трения в масле И-20: а) без наполнителей; б) с наполнителем № 1; в) с наполнителем №2;
г) с наполнителем №3.
Фотографии поверхностей трения подтверждают предположение о том, что в процессе синтезирования искусственного серпентина получился порошок с частицами наноразмеров.
Применение в качестве наполнителя такого порошка положительно влияет на триботехнические свойства смазочной композиции, снижая коэффициент трения и интенсивность изнашивания. На снижение интенсивности изнашивания значительное влияние оказывает отсутствие микрорезания в зоне трения. Это подтверждают фотографии поверхностей трения. На поверхностях трения отсутствуют риски и царапины от попадания крупных и твердых частиц.
Заключение.
Внедряясь в поверхность трения, наночастицы порошка искусственного серпентина образуют слой с повышенной микротвердостью. Повышенная микротвердость оказывает непосредственное влияния на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, продления срока службы узла трения.
Применение прогрессивных смазочных материалов в пожарной технике позволит добиться значительных положительных результатов, а именно продлить ресурс работы узлов автотранспортной техники до 2 раз, резко снизить аварийные разрушения оборудования, сократить затраты на внеплановые ремонты оборудования, экономить горюче-смазочные материалы.
Разработанная присадка может найти широкий круг применения. Выявленные в ходе экспериментов некоторые качественные показатели значительно превосходят показатели других аналогичных присадок. Не последним достоинством присадки является простота в применении и относительная дешевизна в изготовлении.
Литература
1. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Повышение надежности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов. // Пожаровзрывобезопасность. - 2010. - Т. 19. - №2. - С. 50 - 53.
2. Киселев В.В., Полетаев В.А. Исследование триботехнических характеристик металлосодержащих присадок к маслам, используемым в электрических машинах. // Вестник ИГЭУ. - 2011. - Выпуск 2. - С. 65 - 67.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1999. - 336 с.
4. Пучков П.В., Киселев В.В., Топоров А.В. Разработка конструкции трибологически безопасного резьбового соединения. // Вестник ИГЭУ. - 2012. - Выпуск 1. - С. 28 - 31.
5. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике. // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2011. - №3. - С. 23 - 29.
Рецензент: доктор технических наук Валуев Н.П.
