Перспективы применения нанопорошков силикатов в смазочных материалах, используемых в пожарной технике Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В. П. ЗАРУБИН, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры механики и инженерной графики, ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33)

В. В. КИСЕЛЕВ, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры механики и инженерной графики, ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33; e-mail: slavakis76@mail.ru)

А. В. ТОПОРОВ, канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры механики и инженерной графики, ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33; e-mail: ironeaxe@mail.ru)

П. В. ПУЧКОВ, канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры механики и инженерной графики, ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33)

А. А. МЕЛЬНИКОВ, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры механики и инженерной графики, ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 153040, г. Иваново, просп. Строителей, 33)

УДК 669.058

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ СИЛИКАТОВ В СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКЕ

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. Показано, что применение в качестве наполнителя такого порошка положительно влияет на триботехнические свойства смазок, что способствует повышению надежности пожарной техники.

Ключевые слова: смазка; износ; пожарная техника; геомодификатор трения.

Введение

Повышение надежности автотранспортных средств, используемых в системе МЧС и в любой другой сфере, является важной хозяйственной задачей. Результаты анализа эксплуатационных испытаний на пробегах пожарных автомобилей, 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 фактор неблагоприятного воздействия внешних условий эксплуатации, обусловленный 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 триботехни-ческих показателей смазочных материалов. Авторами проводится активная работа по разработке различных присадок и добавок к смазочным материалам. В работе [1] описано действие разработанной присадки на основе солей мягких металлов и ее положительное влияние на исследованные смазочные материалы. Однако в дальнейших исследованиях были выявлены некоторые недостатки присадки, а именно невозможность растворения в синтетических маслах и некоторых консистентных смазках.

Широко используемый в последние годы в качестве наполнителя масел и смазок порошок измельченного природного серпентина — геомодифика-

© Зарубин В. П., Киселев В. В., Топоров А. В., Пучков П. В., Мельников А. А., 2013

тора трения (ГМТ) — также не лишен недостатков. Дело в том, что он 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. Кроме того, большой разброс по содержанию примесей и гранулометрическому составу измельченного минерала, присутствие в составе крупных твердых частиц может привести к абразивному износу антифрикционных сплавов.

Эффективность наполнителей определяется поверхностными явлениями, возникающими на границе раздела фаз. С уменьшением размера частиц наполнителя увеличивается удельная площадь поверхности 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-же-лезистый силикат (серпентин), относящийся к минеральным рудам класса оливинов, конечными фазами которого являются форстерит (М§2БЮ4) и фаялит (Ре28Ю4).

Поскольку минералы, входящие в состав геомодификаторов, химически инертны, то на эксплуатационные свойства масел они действия не оказывают. Изначально ГМТ представляют собой абразивные частицы невысокой твердости. 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 ме-таллокерамические восстановители в качестве наполнителя к маслам и смазкам, применяют природный серпентин и его разновидности, основным недостатком которых является сложность измельчения минерала. В большинстве патентов, описывающих подобные процессы, размер частиц порошков серпентина находится в пределах 1-40 мкм. А это значит, что крупные фракции наполнителя могут задерживаться фильтрами тонкой очистки. Попадая затем в зазоры трущихся поверхностей, они работают как абразивные. Следствием применения таких наполнителей является высокая интенсивность изнашивания (3,2-5,2 мкм/км) и большой коэффициент трения (0,08-0,16).

Важным недостатком, на наш взгляд, является отсутствие систематических исследований работоспособности предлагаемых ГМТ. В технической литературе и патентах приводятся только данные по улучшению отдельных свойств или комплекса свойств.

Постановка задачи

В связи с вышеизложенным авторы, не отрицая положительной роли порошка природного серпентина как наполнителя, поставили задачу разработать порошок искусственного серпентина, который, будучи лишен недостатков природного и являясь его аналогом, но с частицами наноразмеров, может стать универсальным наполнителем масел и смазок.

Серпентин представляет собой слоистую разновидность гидросиликатов магния с общей формулой М§381205(0И)4. Он может быть синтезирован с применением геля кремниевой кислоты и соединений магния (растворимых и нерастворимых).

Золь-гель-технология является основным методом синтеза антигорита различной степени дисперсности и большей степени чистоты, чем природный.

Другим способом получения искусственного серпентина является гидротермальный синтез, который включает обработку смеси гидроксида магния М§(0И)2 и кремнийорганического эфира при температуре свыше 300 °С и давлении более 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 и =40 кВ; ток рентгеновской трубки I =20 мА; скорость счетчика 4 град/мин, излучение — СиКа (где Си — материал анода — медь; Ка — часть спектра а-излучения).

Разработанные геомодификаторы выступали в качестве наполнителя к маслу (И-20). На основе масла И-20 были получены смазочные композиции (№ 1, 2 и 3), содержащие 10 % геомодификатора трения. Композиция № 1 содержит природный ГМТ, композиции №2и3 — 10% искусственного аналога геомодификатора трения, полученного соответственно гидротермальным синтезом и по золь-гель-технологии.

Размер частиц синтезированного минерала определяли с помощью лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц "Апа^ейег 22".

Триботехнические свойства разработанных сер-пентиноподобных соединений определялись на частичном вкладыше и контртеле (рис. 1), изготовленных из стали 45 (по ГОСТ 1050-88*) с поверхностной твердостью 45-48 ИЯС. Все образцы имели рабочие поверхности с шероховатостью Яа = 0,16 [2].

Исследование триботехнических характеристик разработанных присадок проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ модели СМТ-1 (рис. 2).

При исследовании износостойкости образца в присутствии разработанной смазочной композиции

5!.

4-►

щ ¿1

Л о

V

ш V

0,16

Рис. 1. Частичный вкладыш (а) и контртело (б) для проведения испытаний на трение и изнашивание

Рис. 2. Упрощенная схема узла трения машины СМТ-1:1 — нижний (вращающийся) вал; 2 — верхний (неподвижный) вал; 3—нагружающее устройство; 4—образец; 5—контртело

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 организует на поверхностях контакта слой с повышенной микротвердостью, было исследовано изменение микротвердости поверхностного слоя образцов при изнашивании.

Результаты и их обсуждение

Из исследованных смазочных композиций следует выделить смазочную композицию № 3. При введении в масло порошка этого наполнителя коэффициент трения снижался более чем в 5 раз при давлении до 3 МПа, интенсивность изнашивания уменьшалась 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 разрушались с выделением большого количества тепла и внедрялись в верхние слои металла, размягчая их. Повышенная микротвердость оказывает непосред-

До трения

Рис. 3. Зависимость микротвердости поверхности трения от давления для смазочных композиций № 1-3

/ 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0

/

1

У/"

-С J— - ?

5 Р, МПа

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от давления на образец: ■ — масло И-20 без наполнителей; А — композиция № 1; ♦ — композиция № 2; О — композиция № 3

/, кг-103/км

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

-- >-

—/ N---

--- -1 \

2 3 4 5 Р, МПа

Рис. 5. Зависимость интенсивности изнашивания от давления на образец: ■ — масло И-20 без наполнителей; А — композиция № 1; ♦ — композиция № 2; О — композиция № 3

ственное влияние на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, обеспечивает продление срока службы узла трения. Изменение микротвердости поверхности трения стальных образцов показано на рис. 3.

Результаты триботехнических испытаний масла И-20 с 10 % масс. разработанных наполнителей представлены на рис. 4 и 5.

Анализируя результаты исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Смазочная композиция № 1 проявила себя как противоизносная. В ее присутствии интенсивность изнашивания снизилась в 2-4 раза. Коэффициент

трения при этом мало отличался от значений коэффициента трения в масле без наполнителей. Микротвердость 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, микротвердость 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 в 1,5 раза.

Исследования показали, что использование в качестве наполнителя к смазочным материалам порошков серпентинов приводит к улучшению триботех-нических свойств. Снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания связано с образованием на поверхности трения слоя с повышенной твердостью.

Положительный эффект от использования в качестве наполнителей к маслам силикатных наполнителей напрямую зависит от дисперсности порошков минералов, вводимых в смазку.

На рис. 6 представлены снимки исследованных порошков наполнителей.

Для контроля размеров частиц наполнителей и количества тех или иных частиц в составе порошков использовался лазерный дисперсионный анализатор микрочастиц "Апа^ейег 22", работа которого основана на принципе возможных перемещений электромагнитных волн. Через жидкость с порошком проходит лазерный луч и отражается от частиц под разными углами, которые зависят от размера и оптических свойств частиц. Прибор имеет набор линз, концентрирующих отраженный свет в пучок. При попадании пучка света на измеряющий датчик последний посылает сигнал в компьютер,

который с помощью комплекса математических программ рассчитывает размер частиц исследуемого порошка.

Из данных лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц следует, что наполнитель № 1 имеет 85 % частиц размером 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. Такие 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, при которой происходит работа трения. На формирование эксплуатационной шероховатости оказывает влияние сложный комплекс разного рода механических, физико-механических, электрохимических и других процессов, протекающих в зоне контакта. Наличие в смазочном материале наполнителей оказывает непосредственное влияние на поверхности трения деталей (рис. 7) и, как следствие, на триботехнические свойства (коэффициент трения и интенсивность изнашивания).

Снимки поверхностей трения (см. рис. 7) 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 [4]. На снижение интенсивности изнашивания значительное влияние оказывает отсутствие микрорезания в зоне трения.

I •' ^1

Рис. 6. Фотографии порошков наполнителей (увеличение 150х): а — наполнитель № 1; б — наполнитель № 2; в — наполнитель № 3

Рис. 7. Поверхности образцов после трения в масле И-20 без наполнителей (а), с наполнителем № 1 (б), № 2 (в) и № 3 (г)

Это подтверждается снимками поверхностей трения (см. рис. 7,в-г), на которых отсутствуют риски и царапины от попадания крупных и твердых частиц.

Заключение

Внедряясь в поверхность трения, наночастицы порошка искусственного серпентина образуют слой с повышенной микротвердостью, которая оказывает непосредственное влияние на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, продление срока службы узла трения.

Применение прогрессивных смазочных материалов в пожарной технике позволит добиться зна-

чительных положительных результатов, а именно продлить ресурс работы узлов автотранспортной техники примерно в 2 раза, резко снизить аварийные разрушения оборудования, сократить затраты на внеплановые ремонты оборудования, сэкономить горючесмазочные материалы [5].

Разработанная присадка может найти широкое применение. Выявленные в ходе экспериментов некоторые качественные показатели значительно превосходят характеристики других аналогичных присадок. Не последним достоинством присадки является простота в применении и относительная дешевизна изготовления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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 металлосодержа-щих присадок к маслам, используемых в электрических машинах // Вестник ИГЭУ. — 2011. — Вып. 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. — Вып. 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.

Материал поступил в редакцию 15 марта 2013 г.

= English

PERSPECTIVES OF THE SILICATES NANOPOWDERS APPLYING IN OILS USED IN FIREFIGHTING EQUIPMENT

ZARUBIN V. P., Candidate of Technical Sciences, Docent, Assistant Professor of Mechanics and Engineering Graphics Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation)

KISELEV V. V., Candidate of Technical Sciences, Docent, Assistant Professor of Mechanics and Engineering Graphics Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation; e-mail address: slavakis76@mail.ru)

TOPOROV A. V., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Mechanics and Engineering Graphics Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation; e-mail address: ironeaxe@mail.ru)

PUCHKOV P. V., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Mechanics and Engineering Graphics Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation)

MELNIKOV A. A., Candidate of Technical Sciences, Docent, Assistant Professor of Mechanics and Engineering Graphics Department, Ivanovo State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Stroiteley Avenue, 33, Ivanovo, 153040, Russian Federation)

ABSTRACT

The results of operating tests analysis of firefighting engineering at the mileages close to major repair show the premature wear of friction surfaces as the main cause of failures points.

In recent years, the powder of natural crushed serpentine is widely used as oils and lubricants additive. The main disadvantage here is the problem of the mineral grinding. Typically, the particle size of serpentine powders is within 1-40 microns. It means that some of the additive can be captured by filters. The large particles of the mineral penetrating into the rubbing surfaces gap works as abrasive materials. Therefore, an artificial serpentine powder development is an important task. Artificial serpentine does not have flaws of natural mineral. It has a nano-sized particles and can be used as universal additive for oils and lubricants.

The investigations of serpentine powders prepared by different methods were carried out on DRON-2,0 X-ray general purpose diffractometer. Study of the tribological characteristics of the developed additives was carried out on friction and wear testing machine SMT-1. The laser micro-analyzer "Analizetter 22" were used to control the size of the additives particles and the number of various sizes particles calculations the dispersion.

Investigations have shown that the use of serpentine powders as a lubricants additives leads to the tribological properties increasing. Friction coefficient and wear decreasing are connected with high hardness layer forming on friction surface. But studies show that microhardness should not increase by more than 1.5 times for the tribological properties maximum improvement in the "steel - babbitt" friction pair.

Artificial serpentine nanopowder additive acts positively on the tribological properties of the lubricant composition reducing the friction coefficient and wear. The use of new lubricants additives will allow achieve the positive results, such as extended operating life up to 2 times of the vehicles motor, reducing accidental damages of equipment, reducing repair equipment costs, saving fuel and oil.

Keywords: oil; wearing; firefighting equipment; friction geomodifiers.

REFERENCES

1. Kiselev V. V., Toporov A. V., Puchkov P. V. Povysheniye nadezhnosti pozharnoy tekhniki primene-niyem modernizirovannykh smazochnykh materialov [Increasing of the reliability and functionality of fire equipment by using of the new lubricating compositions]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 2, pp. 50-53.

2. Kiselev V. V., Poletaev V. A. Issledovaniye tribotekhnicheskikh kharakteristik metallosoderzha-shchikh prisadok k maslam, ispolzuyemykh v elektricheskikh mashinakh [Study of the tribological characteristics of oils metallic additives used in electrical machines]. Vestnik IGEU—Bulletin of Ivanovo State Power Engineering University, 2011, issue 2, pp. 65-67.

3. Garkunov D. N. Tribotekhnika [Triboengineering]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1999. 336 p.

4. Puchkov P. V., Kiselev V. V., Toporov A. V. Razrabotka konstruktsii tribologicheski bezopasnogo rezbo-vogo soyedineniya [Development of the tribological safe screw structure]. Vestnik IGEU— Bulletin of Ivanovo State Power Engineering University, 2012, issue 1, pp. 28-31.

5. Kiselev V. V., Toporov A. V., Puchkov P. V. Perspektivy ispolzovaniya modernizirovannykh smazochnykh materialov v pozharnoy i avariyno-spasatelnoy tekhnike [Perspective modified lubricants using in the firefighting and rescue equipment]. Nauchnyye i obrazovatelnyye problemy grazhdanskoy za-shchity — Scientific and Educational Problems of Civil Protection, 2011, no. 3, pp. 23-29.