CC BY
141
УДК 620.179-112
Н. Я. Яхьяев, Ж. Б. Бегов, Ш. Д. Батырмурзаев
НОВАЯ СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ СУДОВОГО МАЛОРАЗМЕРНОГО ДИЗЕЛЯ
Введение
Известно [1], что одним из важнейших факторов, определяющих надежность трибосопря-жений, является качественная смазка. Одним из способов повышения экономичности машин, и в частности судовых малоразмерных дизелей (СМД), а также ресурсных возможностей их узлов трения является введение в смазочные материалы различных присадок, улучшающих как трибологические свойства смазочной среды, так и свойства смазываемых поверхностей. В последние годы предпринимаются попытки создания так называемых геомодификаторов трения -присадок на основе природных материалов или наночастиц (или их композиций), оказывающих положительное влияние как на трибологические характеристики смазочного материала, так и на структуру и свойства твердых поверхностей, участвующих в трении.
Деление многочисленных присадок на плакирующие (кондиционеры), восстанавливающие (реметаллизаторы) и модифицирующие является условным и не всегда соответствует их поведению в изменяющихся условиях трения. К тому же в механизмах влияния присадок на смазочные композиции (СК) и материалы пар трения еще много неясного. Большинство присадок рекомендуется добавлять в СК, используемые для смазки подвижных соединений, работающих при сравнительно невысокой температуре в зоне контакта и низких значениях коэффициента трения. О работоспособности СК с различными присадками в более жестких условиях трения цилиндропоршневой группы (ЦПГ) дизелей (при температуре до 300 °С и граничном трении) судить не представляется возможным из-за отсутствия в литературе достоверных экспериментальных данных.
Именно поэтому разработка новой рецептуры и доступной технологии получения геомодификаторов трения, оказывающих положительное влияние как на трибологические характеристики смазочного материала, так и на структуру и свойства твердых поверхностей, участвующих в жестких условиях трения, является актуальной как с научной, так и с практической точки зрения.
Известно, что некоторые минералы (например, слоистого строения типа слюды, каолина, графита и т. д.) широко используют в качестве загущающих и противоизносных присадок [2, 3]. Их положительный эффект обусловлен способностью этих минералов образовывать на поверхностях трения тонкие пленки, состоящие из чешуйчатых частиц, ориентированных параллельно поверхности трения. Эти пленки (или слои) разделяют трущиеся поверхности, сглаживают их микрорельеф, а в случае сухого трения переводят его в трение внутреннее, при котором сдвиг происходит внутри слоя частиц. Таким образом, осуществляется чисто механическая защита трущихся поверхностей от износа.
В этой связи большой практический интерес представляет подбор такого смазочного материала, который, наряду с вышеуказанными положительными свойствами, обладал бы способностью химически и механохимически взаимодействовать с материалом деталей трибосопряжений, создавая на их поверхностях пленки с улучшенными трибологическими свойствами [4].
При изучении механохимических реакций с участием минеральных частиц, поверхностноактивных веществ (ПАВ), наноразмерных частиц (например, фуллеренов) была обнаружена важная роль их композиций в механоактивации металлических поверхностей при трении, способных при разрушении вступать совместно во взаимодействие с вновь образованными активными фрагментами и металлом трущихся тел.
Результаты исследований в Центре научно-исследовательских работ Петербургского института ядерной физики Российской академии наук показали [5], что фуллерены и фуллере-новые сажи могут успешно применяться в качестве антифрикционных, противоизносных и антизадирных добавок.
Известно [6], что минералы этой группы силикатов минерализуются в виде тонких пластинок и проявляют совершенную спайность параллельно структурным слоям. Они характеризуются слоистыми кристаллическими решетками, образованными пакетами, состоящими из од-
ного октаэдрического слоя, состав которого определяется формулой Mg3O2(OH)4, и одного тетраэдрического (81203). При этом прочность связи между слоями такова, что механическое разрушение минерала по плоскостям спайности с разрывом связей О-ОН может сопровождаться разрывом внутрипакетных связей. Это может приводить к появлению активных фрагментов кристаллической решетки, способных химическим и механохимическим способом взаимодействовать (совместно с наноразмерными частицами) с атомами поверхности металлов.
Авторами [7] были проведены лабораторные трибологические испытания различных модификаций серпентина и было показано, что введение высокодисперсного порошка одной из модификаций серпентина (офита) в смазочные среды существенно повышает их противоизнос-ные свойства и улучшает противоизносные и антифрикционные свойства как моторных, так и трансмиссионных масел.
Образование устойчивых износостойких пленок на поверхностях трения при смазке маслами с добавкой наноразмерных частиц было обнаружено при эксплуатационных испытаниях непосредственно на двигателях внутреннего сгорания. Исследования показали, что противоизносный эффект, наблюдаемый при введении в смазочную среду (моторное масло) высокодисперсного порошка с наноразмерными частицами фуллереновой сажи, обусловлен их воздействием не на смазочную среду, а на поверхность трения. Поскольку процесс образования на трущейся поверхности противоизносной пленки является кинетическим, то естественно, что положительное влияние на износостойкость поверхностей новой смазочной композиции проявляется не сразу, а через некоторый, иногда достаточно продолжительный период приработки. Что касается механического КПД при добавке фуллереновой сажи в моторное масло, то его повышение примерно на 10 % было замечено с первых часов экспериментальной проверки по методике, описанной в [8]. Сравнительные испытания механических потерь выполняли методом вращения коленчатого вала СМД 2Ч 8,5/11 с помощью электродвигателя (частота вращения коленчатого вала при экспериментальных исследованиях составляла 500 об/мин).
Регулирование крутящего момента на валу дизеля осуществляли с помощью генератора постоянного тока. На подвеске помимо генератора располагался двухрежимный электродвигатель переменного тока, спаренный с валом генератора. Наличие электродвигателя в сочетании с балансирной подвеской позволяло определять механические потери в дизеле методом проворачивания коленчатого вала дизеля (от постороннего источника энергии, без подачи топлива) [9].
В процессе испытаний температура окружающего воздуха поддерживалась на уровне 28 ± 1 °С. При этом контролировалось изменение температуры стенки цилиндра, величина которой зависит от работы сил трения. Контроль температуры масла в картере, а также температуры цилиндров осуществляли с помощью хромель-копелевых термопар. Температуру стенок цилиндров измеряли в двух поясах по высоте цилиндра с помощью термопар, вставленных в отверстия диаметром 1,2 мм, просверленные на расстоянии 0,5 мм от «зеркала» цилиндра.
Испытания проводили на полусинтетическом моторном масле М-8-Г2(и) ГОСТ 8581-78 (8ЛБ 20). Схема испытательного стенда показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема стенда испытания механических потерь в СМД типа Ч 8,5/11:
1 - потенциометр; 2 - испытываемый дизель 2Ч 8,5/11; 3 - соединительная муфта; 4 - редуктор; 5 - электродвигатель
Многочисленные эксперименты, выполненные различными исследователями в последние годы, подтверждают факт повышения смазочных характеристик обычных масел в результате добавления небольших количеств фуллеренов.
Например, в университетах Aichi University of Education и Seikei University (Япония) было выполнено детальное количественное исследование, поясняющее механизм влияния добавки фуллеренов на рабочие характеристики смазочных композиций на основе графита. Как заявили авторы исследований, полученные ими результаты могут быть положены в основу разработки «суперсмазки», обеспечивающей коэффициент трения поверхностей ниже 0,001.
В качестве смазочной основы использовали высокоориентированный пиролитический графит (НОРО) вместе с мелкодисперсным графитовым порошком естественного происхождения.
Полученный графит, интеркалированный фуллеренами, использовали для получения антифрикционного покрытия, представляющего собой пленку площадью 2,3 х 2,3 мм2 и толщиной 0,2 мм. Коэффициент трения этой пленки ц измеряли стандартным методом - как отношение силы трения к приложенному боковому усилию. В результате измерений получены величины ц < 0,001, вдвое меньшие, чем у стандартной смазки на основе Мо82 (ц ~ 0,002) и у графитовой смазки (ц ~ 0,001). В качестве физического механизма, определяющего характеристики смазочной пленки на основе графита, интеркалированного фуллеренами, рассматривалась возможность скольжения молекул фуллерена по графитовой поверхности, которое характеризуется значительно меньшим трением по сравнению со скольжением графитовых поверхностей друг относительно друга в силу более высокой площади контакта в последнем случае.
Кроме того, разработанная смазочная композиция при ее введении в моторное масло дизеля 2Ч 8,5/11 показала повышение компрессии в цилиндрах, что свидетельствует об улучшении приработки поршневых колец и гильз цилиндров. При этом наблюдалось повышение мощности двигателей на 10.. .15 % и снижение расхода моторного топлива на 7.. .10 %.
Нами разработан состав композитной смазочной смеси с добавкой графита и фуллеренов. Технология получения фуллеренов основана на наиболее эффективном способе их получения путем термического разложения графита. Использовался электролитический нагрев графитового электрода (метод «фуллереновая дуга»).
Описанная в [10] технология получения фуллеренов состоит из следующих основных этапов:
— получение фуллеренсодержащей сажи по методу электродугового испарения графита в атмосфере инертного газа (гелия);
— выделение смеси фуллеренов из электродуговой сажи;
— фракционное обогащение по фуллерену С60;
— очистка фуллерена С60 до чистоты 99,5 % и выше;
— очистка фуллерена С70 до чистоты 98 %;
— получение фуллеренового концентрата, обогащенного высшими фуллеренами (С„ > 76);
— технологический контроль, анализ и сертификация получаемых продуктов.
Промышленное получение фуллерена осуществляется при непрерывной работе (18 ч в сутки) с компьютерным управлением процессом электродугового испарения, при скорости испарения графита 100. 120 г/ч. Некоторые предприятия (например, ПИЯФ) получают в месяц:
— до 10 кг фуллеренсодержащей сажи;
— до 10 кг катодного депозита, содержащего многослойные углеродные нанотрубы;
— до 500 г фуллерена С60 чистоты 99,5 % или 400 г чистоты 99,9 % и до 50 г С70 чистоты 98 %.
Технология позволяет накапливать значительное количество высших фуллеренов.
Принципиальная схема лабораторной установки, использованной нами для получения фуллереновой сажи методом, разработанным В. Кретчмером, показана на рис. 2.
Распыление графита осуществлялось при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц , величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10...20 В. Регулировка зазора между электродами осуществлялась натяжением пружины. Камера заполнялась гелием, циркуляция которого обеспечивалась вентилятором под избыточным давлением в магистрали 1 бар. Скорость испарения графита в этой установке достигала 10 г/В. Продукт испарения графита в среде гелия пропускался через борбатер, заполненный моторным маслом. Часть не унесенного газом продукта осаждалась в виде сажи на поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой. Осевший на медную поверхность порошок соскабливали и собирали в стеклянную колбу, затем смешивали его с толуолом и выдерживали в течение 3 часов при температуре кипения толуола до получения темно-бурой жидкости. После ее выпаривания во вращающемся испарителе получался мелкодисперсный порошок, вес которого составлял не более 10 % от веса исходной графитовой сажи. По литературным данным, в таком порошке содержится до 10 % фуллеренов С60 (90 %) и С70 (10 %). В описанном способе получения фуллеренов гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно, по сравнению с другими атомами, «тушат» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабиль-
ные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия находится в диапазоне 1 бар. При более высоких значениях давления агрегация фрагментов углерода затруднена.
Рис. 2. Схема лабораторной установки для получения фуллеренсодержащего порошка:
1 - борбатер; 2 - манометр; 3 - медный кожух; 4 - графитовый электрод (один электрод - плоский диск, второй - заточенный стержень диаметром 6 мм, слегка прижимаемый к первому электроду с помощью пружины); 5 - вентилятор; 6 - охлаждаемая медная шина; 7 - вентиль;
8 - баллон со сжатым гелием; 9 - пружина
Экспериментально установлена необходимая норма предлагаемой смазочной композиции, которая включает в себя наноразмерные частицы фуллеренов в сумме 0,82 %, графитовой сажи -
0,68 %, моторного масла - 98,5 %.
Образующиеся поверхностные пленки с высокодисперсными наноразмерными фуллере-новыми частицами на модифицированных поверхностях трибосопряжений ЦПГ и кривошипношатунного механизма имеют толщину (до 0,1 мм), достаточную для уменьшения коэффициента трения, расхода топлива и улучшения виброшумовых характеристики СМД.
Результаты экспериментальных исследований влияния новой смазочной композиции на основе моторного масла показали улучшение трибологических характеристик узлов трения ЦПГ и кривошипно-шатунного механизма СМД типа Ч 8,5/11.
Разработана экспериментальная установка для сравнительных испытаний потерь на трение в трибосопряжениях СМД (по нагреву втулок цилиндров и моторного масла). Получена новая смазочная композиция на основе моторного масла М-8-Г2(и) ГОСТ 8581-78 (8ЛБ 20) с добавками пиролитического графита (фуллереновой сажи) и наноразмерных частиц фуллерена.
Образующиеся поверхностные пленки на модифицированных поверхностях трибосопря-жений ЦПГ и кривошипно-шатунного механизма позволяют уменьшить коэффициент трения, улучшить виброшумовые характеристики судовых малоразмерных дизелей.
1. Погодаев Л. И., Кузьмин В. Н., Дудко П. П. Повышение надежности трибосопряжений. - СПб.: Академия транспорта РФ, 2001. - 304 с.
2. Брейтуэит Е. Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. - М., 1967. - 317 с.
3. Использование высокодисперсных природных гидросиликатов и наноразмерных частиц для модифицирования трущихся поверхностей / В. П. Волков, К. А. Павлов, Н. Н. Лознецова, Ю. П. Топоров // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006. - № 12. - С. 3-5.
4. Аввакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск, 1986. - 306 с.
5. Нечаева С. И., Топоров Ю. П., Матвеев В. В. Механохимические превращения в композициях на основе полиамида и активного минерального наполнителя при трении // Трение и износ. - 1994. -Т. 15, № 2. - С. 210-215.
Осаждённый порошок
Выводы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Оценка наводороживающей способности смазочных материалов / Н. Н. Лознецова, Б. Ф. Ляхов, К. А. Павлов, Ю. П. Топоров // Эффект безызносности и триботехнологии. - 2003. - № 2. - С. 13-15.
7. Силикаты группы серпентина как материал для присадок к смазочным маслам / В. Г. Волков, Н. Н. Лознецова, К. А. Павлов, Ю. П. Топоров // Материаловедение. - 2006. - № 4. - С. 41-45.
8. Цветков Ю. Н., Татулян А. А., Кузьмин В. Н. О механизме действия металлоплакирующих препаратов в двигателях внутреннего сгорания // Трение и смазка. - 2006. - № 2. - С. 24-32.
9. Стефановский Б. С. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б. С. Стефановский, Е. А. Скобцев, Е. К. Корси и др. - М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.
10. Сысун В. И. Фуллерены. Синтез, методы получения. - Петрозаводск: НОЦ «Плазма», 2002. - 23 с.
Статья поступила в редакцию 5.02.2009
NEW LUBRICANT COMPOSITION FOR UPDATING SURFACES OF FRICTION UNITS OF MARINE SMALL-SIZED DIESEL ENGINE
N. Ya. Yakhyaev, Zh. B. Begov, Sh. D. Batyrmurzaev
Modem achievements are shown in the field of modifying surfaces of friction units, improving their operational properties. Results of research and development of a new lubricant composition for improvement of antifrictional properties of friction units of a marine diesel are given. The developed new lubricant composition contains finely dispersed powder of pyrolitic graphite with nanosized fullerene particles in the environment of motor oil. The frictional tests have shown significant improvement of antifriction and antideterioration properties of the modified surfaces of friction units, and also some operational parameters of marine small-sized diesel engines.
Key words: diesel engine, lubricant composition, friction factor, fullerene, nano-sized particles.
