CC BY
7УДК 621.83; 621.9
Б.Р. Киселев, Н.И. Замятина, Р.Э. Аллахвердиев, А.А. Мельников, Д.В. Смирнов ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: kiss@isuct.ru
Результаты проведенных исследований показали, что наиболее объективным способом определения энергетической активности смазочных материалов является работа адгезии (смачивания) ее на наклонных стальных поверхностях. По данному способу разработана методика, которая определяет коэффициент адгезии. Показатели коэффициентов адгезии дают возможность соответствующео выбора ПАВ для проектирования кинематически сложных и тяжело нагруженных трибосистем.
Ключевые слова: смазка, твердое тело, поверхностная энергия, присадка, ПАВ, адсорбция, адгезия, смачивание
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что формирующиеся на поверхностях трения адсорбированные слои смазочного материала повышают антифрикционность, уменьшая вероятность схватывания.
Эффективность адсорбции смазочного материала (СМ) носит ориентированный характер во многом зависящий от энергетической активности присадок, которые обуславливают свойства адгезии и смачивания на трущихся поверностях. Мощным средством изменения смачивания и адгезии являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). В работе рассматриваются маслораство-римые серо-, фосфор- хлоросодержащие ПАВ, а также металлоплакирующие присадки, в которых используются маслорастворимые металлические соли органических кислот. Химическое строение, полярность маслорастворимых ПАВ и их межмолекулярное взаимодействие определяют функциональные свойства присадок. Характер адсорбции и ориентации полярных (ОН, СООН, NH2) и неполярных (СН2) групп молекул ПАВ определяется взаимодействием их активных групп с адсорбентом (сталью) [1]. В зависимости от ориентации молекулы ПАВ по отношению к поверхности стали СМ способен изменять характер смачивания. Так, если молекулярный «ворс» направлен полярными группами к стальной поверхности, а противоположные концы являются неполярными, то смачивание хорошее, если ориентация молекул противоположная - смачивание плохое. Поскольку система стремится сократить запас поверхностной энергии, то тело пытается уменьшить площадь поверхности. Капля смазочного материала принимает сферическую форму, так как сфера имеет наименьшее отношение площади поверхности к объему. Поэтому поверхность находится в
растянутом состоянии, и если из нее выделить элемент, то действие оставшейся части на элемент можно заменить равнораспределенными по контуру силами натяжения. Мерой избыточной поверхностной энергии является коэффициент поверхностного натяжения, равный избыточной энергии в расчете на единицу площади поверхности [2].
Для определения адгезии и смачивания смазочных материалов на стальной поверхности необходимо знать поверхностные натяжения (о) и краевые углы (0) испытуемых смазок. Эти показатели являются необходимыми, но еще недостаточными показателями, характеризующими адгезию смазки и смачивания, так как 0 зависит от шероховатости поверхностей, наличия загрязнения и примесей. Известно, что шероховатость приводит к увеличению площади фактического контакта смазочного материала на поверхности, который влияет на величину краевого угла [3]
^0 ш = Rд ^0, (1)
где 0 ш ,0 - краевые углы, соответственно на шероховатой и гладкой поверхностях; Rд>1- коэффициент Венцеля-Дерягина, зависящий от величины шероховатости.
Работа адгезии на шероховатой поверхности (Wа) является вторым объективным показателем смачивания, который можно определить методом скольжения капель по наклонной плоскости, предложенный Ю.В. Найдичем и развитый Я.И. Френкелем [3]. Этот способ дает возможность рассмотреть условия смачивания шероховатой поверхности и предопределить характер движения смазочного материала по поверхности. При скольжении капли по наклонной плоскости остается след, который обусловлен адгезионным взаимодействием выступов шероховатости со смазочным материалом. Этот след представляет
собой трапецию, большее основание которой равно D - диаметру капли, нанесенной на поверхность, меньшее равно d . Так как адгезионная сила нижнего слоя капли смазка - твердое тело ^см.т) больше молекулярной силы трения СМ то растекание будет происходить с прилипшего слоя к стальной поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Растекание смазки на наклонной плоскости
Fig. 1. Lubricant wetting on an inclined plane
Последующее растекание капли СМ происходит со следующего образованного нижнего слоя и т. д. Растекание капли СМ на наклонной поверхности определяется адгезионной силой натяжения на границе смазка-газ (QCM-r), действующей по ширине капли. Работа адгезии [4] от этой силы равна
Wa= Qcm-I(1 + COS0 Ш), (2)
тогда условие равновесия капли запишется в виде равенства
Psinß = WaL, (3)
где Р = mg = uyg - вес капли; m - масса капли; g -ускорение свободного падения; и - объем капли; у - удельный вес материала; ß - угол наклона плоскости; L - путь растекания капли.
Величина работы адгезии СМ на наклонных шероховатых плоскостях, соответствующих заданному классу точности изготовления пары трения, определяет уровень энергетической активности ПАВ смазочного материала, которая является мерой адсорбции. Как оказалось, измерить свободную энергию СМ значительно легче, чем экспериментально определить значения адгезии для сравнения различных ПАВ. Дело в том, что поверхностное натяжение капли СМ в зависимости от вида ПАВ имеет разные величины, а значит и разные массы при отрыве из сталагмометра, поэтому капля, наносимая на наклонную твердую поверхность, имеет разные пятна контакта. В этом случае по результатам проведения опыта трудно сделать сравнительный анализ эффективности адгезии СМ с разными ПАВ.
При использовании смазочных материалов большое значение имеет адгезионное взаимодействие с твердыми поверхностями и смачивание этих поверхностей. Представляет интерес рассмотреть способ определения относительных адгезионных взаимодействий смазочных материалов с шероховатой поверхностью стали. Ранее установлено, что в реальных условиях проведения опытов взвешивания капель сталагмометриче-ским методом СМ с разными ПАВ средняя масса капель имеет разброс до 12%. В связи с этим нарушается корректность сравнительного анализа энергетической активности растворенных ПАВ в СМ, поэтому в работе рассматривается задача определения наиболее объективного способа и разработки методики расчета коэффициента адгезии с целью возможного проведения сравнительных смазочных характеристик масел на стальных поверхностях.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования поверхностной энергии смазочных материалов были приняты товарные масла, наиболее используемые в механических передачах: И-40; ИГП-114; ТАД-17; 2ГС G5; МС-20, а также композиционные смазки, представляющие смесь маслорастворимых производных высших жирных предельных и непредельных кислот (стеариновой, рицинолевой и др.) и солей меди, олова, никеля, кобальта и железа [5]. Так как свободная энергия смазочного материала, отнесенная к единице площади поверхности (Дж/м2 = = Нм/м2 = Н/м), эквивалентна поверхностному натяжению (Н/м,), поэтому для критерия оценки энергетической активности СМ на шероховатой поверхности принята работа адгезии, определяемая методом смачивания в процессе растекания капель по наклонной плоскости. Для определения объективного показателя адгезионных взаимодействий смазочных материалов с шероховатой поверхностью стали параллельно проводились опыты на стеклянных пластинках, которые являются адсорбционно инертным материалом. Стальные и стеклянные пластины шлифовались и полировались: сталь 45 - исходная шероховатость 8 класса, что Rа = (0,63-0,32) мкм, силикатное стекло - шероховатость Иа = (0,3-0,15) мкм. Перед испытанием пластины очищались мыльным раствором, промывались водой и обрабатывались ацетоном. Исследования проводились в эквивалентных условиях проведения испытаний как на стальных, так и на стеклянных пластинах, устанавливаемых под одним и тем же углом Р=25°. Для оценки определения коэффициента адгезии смазочных материалов (Кад) производился расчет по результа-
там исследований на стальных пластинах относительно стеклянных:
__стекло / сталь /Л \
Кад чсм-г ' чсм-г • V4/
Массы капель (т) испытуемого СМ, наносимые на сталь и стекло в первом приближении приняты равными, поэтому из формул (1-4) коэффициент относительной эффективности адгезии равен
кад=а+^е1ш)/о+^е2ш)^1 (Б^у^^+ао), (5) где S = 1/2L(D+d) - средняя площадь растекания смазок (трапеция), соответственно S1 на стекле и 82 на стали; D1, Б2; а1, а2 - среднии начальные и конечные диаметры капель на поверхностях, соответственно на стекле и стали.
капли смазочного материала наносились на твердые поверхности дозиметрическими пипетками, а взвешивание капель производилось путем стекания с конца капилляра и собирания их в емкость до тех пор, пока можно было достаточно точно определить вес. Для достоверности результатов измерений при вероятности 0,99 и коэффициента Стьюдента t = 3,4 определялись доверительные границы величины геометрии капель от среднего а0,99 , а также количество повторяемых опытов (п = 7). Краевой угол смачивания определялся на микроскопе как угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз, отсчитываемой в сторону жидкой фазы. Краевой угол замерялся через 2 мин с момента нанесения капли смазки на твердую поверхность.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
Отметим, что испытуемые нефтяные смазочные материалы имеют плотность у = 0,8810,9 г/см3, в среднем составляет уср=0,885 г/см3. Поверхностные натяжения (о) изменяются в зависимости от вязкости смазочного материала и варьируются в пределах от 26,4 (ТАД-17) до 29,7 (МС-20+FeSt) мН/м. Состав присадок стеаратов металлов, вводимых в СМ, влияет на поверхностное натяжение химическим строением, полярностью и поляризуемостью молекул маслораство-римых ПАВ и их межмолекулярным взаимодействием, которые определяют в целом удельную избыточную свободную поверхностную энергию, а следовательно, функциональные свойства адгезии и смачивания. Чем больше поверхностное натяжение, тем соответственно больше свободная поверхностная энергия смазочного материала.
Для определения характеристик смачивания проведены замеры краевых углов СМ. Все смазочные материалы: И-40, ИГП-114, ТАД-17, 2ГС G5, МС-20, МС-20+стеараты металлов (Си, Sn, №, Со, Fe) имеют краевые углы на поверхно-
сти стали больше, чем на стекле (табл. 1), что определяет более высокую адгезионную составляющую Qсм_т стали в сравнении со стеклом. Например, в масле И-40 нет присадок, поэтому Ксмтах = =естальш / естеклош = 1,05, а масло ИГП-114 имеет пакет серо-, фосфор- хлоросодержащих присадок -Ксмтах = 1,66. Что касается маслорастворимых стеаратов в масле МС-20, то адгезионное действие CuSt на стальную поверхность максимально.
Таблица 1 Краевые углы смазочных материалов Table 1. Contact angles of the lubricants_
№ Вид Стекло Сталь
смазки 0срш, град. 0срш, град.
1 И-40 16,0 16,8
2 ИГП-114 13,6 22,6
3 ZIC G-5 17,0 22,4
4 ТАД-17 12,3 20,0
5 МС-20 18,0 19,6
6 CuSt* 22,3 27,2
7 SnSt* 24,6 28,6
8 NiSt* 17,7 21,1
9 CoSt* 26,1 27,7
10 FeSt* 23,6 26,3
Примечание: * данные стеараты 5% масс в растворе с маслом МС-20
Note: * given stearates of 5% wt in a solution with MS-20 oil
Результаты испытаний растекания смазочных материалов приведены в табл. 2.
Время растекания смазочных материалов на стальной пластине одинаково и равно 12 мин. Исключением (7 мин) являются масло ТАД-17 и МС-20+NiSt, так как они имеют максимальные скорости течения У=6,57-6,7 мм/мин на стальной поверхности, хотя вязкость у них совершенно разная. Это говорит о том, что в масле ТАД-17 величина поверхностного натяжения мала, а в смазке МС-20+NiSt резко уменьшаются силы натяжения Qсм_г и Qсм_т. Расчетные величины относительных коэффициентов адгезии СМ сведены в табл. 3.
Наибольший коэффициент относительной адгезии товарных масел имеет смазка ИГП-114 (Кадтах = 1,42); наименьший - масло И-40 без присадок (Кадтт =1,2). Это подчеркивает роль энергетической способности присадок. По результатам исследования можно утверждать, что СМ с мас-лорастворимыми присадками, например стеара-тов SnSt и CuSt, имеют более высокую энергетическую способность (Кадтах =1,45-1,65) в сравнении с маслами, имеющими химически-активные присадки. Присадка FeSt характеризуется наименьшим Кад , так как адгезионная связь одноименных элементов мала.
Таблица 2
Результаты опытов средних величин показателей растекания смазочных материалов
Вид Время Путь, Скорость течения, Начальная Конечная Общая длина Площадь рас- 2 текания, мм
смазки течения, мин мм мм/мин ширина, мм ширина, мм следа, мм
Стеклянная поверхность S1
ZIC G-5 12 24 2,0 5,4 3,9 56 260,4
ИГП-114 12 26 2,17 6 4,7 69 369,15
ТАД-17 12 59,6 4,96 7,0 4,4 70 399
И-40 12 25,5 2,12 5,4 3,9 56 260,4
МС-20 12 61,3 4,16 9,1 6,3 64 492,8
CoSt* 15 25,3 2,5 6,7 4,1 69 372,6
NiSt* 12 53,2 4,43 8,2 5,3 67,5 455,6
CuSt* 15 41,3 2,75 8,8 5,3 68 479,4
SnSt* 15 15,5 1,03 8,8 4,2 48 312
FeSt* 12 39 3,25 7,6 3,5 64 355,2
Стальная поверхность S2
ZIC G-5 12 31 2,58 5,6 4,7 40 206
ИГП-114 12 26,5 2,21 5,4 3,6 50 225
ТАД-17 7 47 6,7 7,8 6 53,5 369,15
И-40 12 26 2,17 5,2 3,9 47 213,85
МС-20 12 50 5,1 8,2 7,3 51,5 399,12
CoSt* 12 39,5 3,3 7,6 5 53,4 336,42
NiSt* 7 46 6,57 8,0 6,6 51 372,3
CuSt* 12 44 3,66 7,8 5,8 47,8 325
SnSt* 12 21,7 1,81 7,1 5,1 29,6 180,56
FeSt* 12 30,2 2,52 5,7 3,6 53 246,45
Примечание: * данные стеараты 5% масс в растворе с маслом МС-20 Note: * given stearates of 5% wt in a solution with MS-20 oil
Таблица 3
Коэффициент относительной адгезии смазочных материалов
Table 3. The coefficient of relative adhesion of lubricants
СМ ZICG-5 ИГП-114 ТАД-17 И-40 МС-20
Кад 1,41 1,42 1,23 1,2 1,24
СМ МС-20+ +CoSt МС-20+ +NiSt МС-20+ +CuSt МС-20+ +SnSt МС-20+ +FeSt
Кад 1,3 1,34 1,45 1,65 1,22
ВЫВОДЫ
Для установления объективных данных адгезии ПАВ смазочных материалов рекомендуется проводить испытания СМ параллельно на стальных и стеклянных наклонных плоскостях по предложенной методике, которая сводится к расчету коэффициента адгезии (Кад). Данный способ позволяет с вероятностью 0,99 определить адгезию присадок, которая является мерой энергетической активности СМ на стальных пластинах, что важно при проектировании кинематически сложных и тяжело нагруженных трибосистем. Установлено, что металлоплакирующие смазочные материалы с присадками медно-оловянного комп-
лекса имеют наиболее высокую энергетическую активность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кужаров А.С., Онищук Н.Ю. Долговечность трущихся деталей машин. М.: Машиностроение. 1985. Вып. 3. 58 с.;
Kuzharov A.S., Onishchuk N.Yu. // Dolgovechnost' trushchikhsya detaleiy mashin. M.: Mashinostroenie. 1985. N 3. 58 p. (in Russian).
2. Адамсон А.А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир. 1979. С. 340-365;
Adamson A.A. Physical chemistry of surfaces. M.: Mir. 1979. P. 340-365 (in Russian).
3. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия. 1976. С. 139-145; Summ B.D., Goryunov Yu.V. Physical-chemical basics of wetting and spreading. M.: Khimiya. 1976. P. 139-145 (in Russian).
4. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивания. М.: Химия. 1974. С. 212-224;
Zimon A.D. Liquid adhesion and wetting. M.: Khimiya. 1974. P. 212-224 (in Russian).
5. Киселев Б.Р., Замятина Н.И., Березин К.Г., Егоров С.А., Комарова Т.Г. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 9. С. 116-119;
Kiselev B.R., Zamyatina N.I., Berezin K.G., Egorov S.A., Komarova T.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 9. P. 116-119 (in Russian).
