CC BY
12
05.02.04 ТРЕНИЕ И ИЗНОС В МАШИНАХ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ)
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ МЕДИ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К СМАЗОЧНОМУ МАСЛУ
Ким Сен Чхор, аспирант Дальневосточного федерального университета. Владивосток, Россия; Политехнический университет им. Ким Чака. Пхеньян, КНДР. E-mail: [email protected]
Рева Виктор Петрович, канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры Материаловедение и технологии материалов Дальневосточного федерального университета. Владивосток, Россия. E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрена возможность использования наночастиц меди в качестве добавки к смазочному маслу. Добавляя наночастицы меди к смазочному маслу, можно уменьшить коэффициент трения и износ трущихся поверхностей, увеличить мощность и ресурс работы двигателя, уменьшая при этом загрязнение воздуха. Представлены результаты испытаний деталей на трение и износ в среде смазочного масла с добавками наночастиц меди. Установлено, что введение наночастиц меди в масло повышает его эксплуатационные свойства и уменьшает истирание поверхности трущихся деталей.
Ключевые слова: наночастицы меди, добавка к смазочному маслу, трение, износ.
APPLICATION OF COPPER NANOPARTICLES AS AN ADDITIVE TO LUBRICANTING OIL
Kim Song Chol, postgraduate of the Far Eastern Federal University. Vladivostok, Russia; Kim Chuck University of technology, Pyongyang, North Korea
Reva Viktor P., Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor; Associate Professor at the Department of Materials Science and Materials Technologies of the Far Eastern Federal University. Vladivostok, Russia
Abstract. Reviewed opportunity use of copper nanoparticles as an additive to lubricating oil. Add copper nanoparticles lubricating oil can reduce the friction coefficient and the wear of the friction surfaces, increase the power and resources of the engine, thus reducing air pollution. Presents results of tests the parts for friction and wear in the environment of lubricating oil with the addition of copper nanoparticles. Established that the introduction of copper nanoparticles in oil increases its performance properties and reduces abrasion of the surface of friction parts.
Keywords: copper nanoparticles, lubricant oil additive, friction, wear.
1. Введение
Использование смазочного масла уменьшает трение между деталями, что повышает эффективность их работы и уменьшает истирание деталей, что позволяет машине сохранять свою долговечность. Ученые и специалисты проводят исследования с целью улучшения эксплуатационных свойств смазочных масел. Одним из возможных путей решения данной задачи является использование различных добавок к смазочному маслу.
Основой большинства добавок к смазочным маслам, разработанных ранее, являются органические материалы. Они обеспечивают поддержание вязкости смазочного масла и предохранение его от окисления.
Однако, в высокоскоростных двигателях автомобилей, плавающих объектов и самолетов, высокая температура на поверхности пар трения отрицательно влияет на свойства смазочного масла - снижается его вязкость и разрушается
масляная пленка на поверхности трения между деталями, имеющими плоскости соприкосновения. В результате происходит истирание поверхностей деталей (например, кольца поршня и стенки цилиндра) и, соответственно, снижение долговечности двигателей.
Одним из вариантов решения вопроса является использование достижений нанотехнологий - применение наночастиц металлов в качестве добавки к смазочному маслу [1].
Наночастица меди - мягкий металл, у нее низкая прочность на сдвиг, а следовательно, хороший характер скольжения, низкая точка плавления и хорошая теплопроводность, поэтому она считается хорошим смазочным материалом [2-4]. Близкий размерный фактор атомного и ковалентного радиусов меди и железа дает возможность создания сплавов с взаимной растворимостью атомов железа и меди. Взаимная растворимость, в свою очередь, обеспечивает
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ МЕДИ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К СМАЗОЧНОМУ МАСЛУ
Ким Сен Чхор, Рева В.П.
возможность создания трущейся пары, использующей эффект перспективного самовосстанавливающего смазочного материала.
В работе рассмотрена возможность применения наноча-стиц меди в качестве добавки к смазочному маслу с целью повышения эксплуатационных свойств масла и уменьшения истирания поверхности трущихся деталей.
2. Обоснование возможности применения наночастиц меди как смазочной добавки
Наноматериалы - материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Для наноматериалов наблюдается изменение температуры плавления в сторону ее понижения [5].
Смазочный материал с добавлением наночастиц меди имеет хорошую износостойкость и уменьшает трение, так как:
• медь является мягким металлом;
• точка плавления меди относительно низкая, особенно, когда размер частицы меди относится к наномасштабу, то точка плавления значительно снижается. Поэтому наночастицы меди, сплавленные в процессе трения, наплавляются в задирах и зазорах и восстанавливают поверхность трения;
• теплопроводность меди хорошая и ее коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту теплового расширения металла поверхности трения, поэтому если она прилипает к поверхности трения, исчезает абляция, которая возникает из-за снижения прочности связи, изменения допуска детали трения и локального перегревания при повышении температуры;
• насыпная плотность наночастиц меди равна 0,1-0,5 г/см3, поэтому наночастицы могут образовать стабильную суспензию с разными смазочными маслами и не изменять текучесть смазочного масла.
Благодаря вышеописанным характеристикам, нанопо-рошок меди имеет широкие перспективы применения в качестве добавки к смазочному маслу для улучшения смазки, уменьшения трения и износа, повышения мощности двигателя, уменьшения загрязнения окружающей среды и увеличения долговечности всего изделия.
На данный момент нет совершенной теории механизма смазочного и восстановительного действия наночастиц меди. Суммируя гипотезы об этом механизме на сегодняшний день, можно предполагать [6-9]:
1) наночастицы меди, используемые в смазочном масле, имеют шарообразную форму и при условии низкой нагрузки могут играть роль микроподшипников;
2) благодаря маленькому диаметру, наночастицы меди могут заполнять мелкие пазы и отверстия поверхности трения, поэтому повышается гладкость поверхности и уменьшается трение;
3) наночастицы меди прокатываются по поверхности трения или адсорбируются и образуют пленку со смазочным маслом.
Даже на гладкой поверхности трения существуют много задиров, трещин и пор. Значит, взаимный контакт поверхностей трения в действительности является контактом между выпуклостями. Хотя нагрузка на поверхности трения небольшая, локальное давление на выпуклости очень большое и при
этом происходит прилипание и наплавка, вследствие чего возникает износ рабочей поверхности. Когда машина работает, сила, преодолевающая силу трения, пропорциональна силе контакта между выпуклостями, т.е. прочности на сдвиг.
Если добавлять наночастицы меди к смазочному маслу, они легко прилипают к поверхности трения, растворяются в материале детали при высокой температуре и высоком давлении и образуют на поверхности границ трения пленку из меди, прочность на сдвиг которой ниже, чем у материала трущихся деталей, что способствует уменьшению износа трущихся поверхностей [10].
Точка плавления наночастиц меди ниже, а ее атомный и ковалентный радиус в сравнении с железом близки друг к другу, поэтому она может легко образовать эвтектический сплав с железом. Следовательно, наночастицы меди могут компенсировать потерю на истирание поверхности детали.
3. Испытание на трение и износ
Проведено сравнение характеристик трения и истирания при работе пар трения в двух смазочных маслах: исходном и с добавлением наночастиц меди. Количество наночастиц в смазочном масле определено из анализа [11-12], а также на основании предварительных экспериментов по оптимизации их содержания. В смазочное масло добавлялись на-ночастицы меди, полученные жидким восстановительным методом с использованием сульфата меди (CuSO4) и гипо-фосфита натрия (NaH2PO2), в количестве 0,1 масс. %.
Испытания на трение и истирание пар трения в исходном смазочном масле марки Total Quartz SAE 5W-30, а также в масле с добавками наночастиц меди проведены на испытательной машине марки MMW-1 (КНР) (рис. 1).
Рис. 1. Испытательная машина марки МММ-1
Использована пара трения, изготовленная из стали марки 45, твердость деталей составляла 210 НВ и 190 НВ. Нагрузка на поверхность пары трения составляла 300 N при скорости вращения пары 800 об./мин и температуре испытания 80 °С. Коэффициент трения определялся в течение 1 ч работы пары трения.
Для сравнения изменения коэффициента трения, первоначально сделано испытание в исходном масле, а затем в масле с добавлением наночастиц меди. При этом изменение коэффициента трения автоматически регистрировалось в виде графика (рис. 2, 3).
Коэффициент трения 0,10
24 30 36 Время, мин
Рис. 2. Изменение коэффициента трения в исходном смазочном масле
Температура, °С 200
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
60
Коэффициент трения 0,10
0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00
Температура, °С 200
0
12 18
24 30 36 Время, мин
42 48 54 60
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Таблица
Результат испытания пары трения на истирание в среде смазочного масла
Смазочное масло Время испытания, ч Вес образца, г Потеря веса, мг
исходный после испытания
Исходное 5 121,567 121,560 7
С добавлением наночастиц меди 5 121,560 121,559 1
Рис. 3. Изменение коэффициента трения в смазочном масле с добавлением наночастиц меди
Как видно (см. рис. 2), в исходном смазочном масле коэффициент трения сначала понижался, а затем, по мере повышения температуры масла более 80 °С, увеличивался до 0,036. Это обусловлено тем, что при повышении температуры масла его вязкость снижается и смазочное вещество удаляется из граничной поверхности пары трения, что ведет к интенсификации процесса ее истирания.
При испытании пары трения в смазочном масле с добавками наночастиц меди в количестве 0,1 масс. % (см. рис. 3), коэффициент трения за все время испытания снизился до 0,012. При температуре масла 80 °С коэффициент трения в смазочном масле с добавлением наночастиц меди, ниже на 60-70 %, чем в исходном смазочном масле.
Проведено сравнение износа поверхности пар трения при работе в течение 5 ч в исходном смазочном масле и в масле с добавлением наночастиц меди. Осуществлялось измерение веса образцов пары трения до и после проведения испытания. После окончания испытания образцов на истирание производилась их ультразвуковая очистка в ацетоне, сушка при температуре 50 °С в течение 60 мин., а затем измерение веса. Результаты испытания пары трения на истирание в исходном смазочном масле и в масле с добавками наночастиц меди представлены в таблице.
Как видно, при добавлении наночастиц меди к смазочному маслу потери веса образцов пары трения значительно уменьшаются.
Выводы
Экспериментально подтверждена возможность использования наночастиц меди в качестве добавки к смазочному маслу. Введение наночастиц меди в смазочное масло способствует уменьшению коэффициента трения и износа трущихся поверхностей. Таким образом, добавление нано-частиц меди в смазочное масло является одним из эффективных способов снижения потерь при трении и повышения износостойкости трибосистем.
Литература
1. Zhenyu J. Zhang, Simionesie D., Schaschke C. Graphite and hybrid nanomaterials as lubricant additives // Lubricants. 2014. № 2. P. 44-65.
2. Vadiraj A., Manivasagam G., Kamani K., Sreenivasan V!S. Effect of nano oil additive proportions on friction and wear performance of automotive materials // Tribology in Industry. 2012. Vol. 34. № 1. P. 3-10.
3. Tamilvanan A., Balamurugan K., Ponappa K., Madhan Kumar B. Copper nanoparticles: Synthetic strategies, properties and multifunctional application // International Journal of Nanoscience. 2014. Vol. 13. № 2. P. 1-22.
4. Padgurskas J., Rukuiza R., Prosycevas I., Kreivaitis R. Tribological properties of lubricant additives of Fe, Cu, and Co nanoparticles // Tribology International. 2013. Vol. 60. P. 224-232.
5. Дуань Ж.Ж., Ерофеева Г.В. Исследование свойств меди и нано-меди // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 1. С. 32.
6. He Qiang, Liu Hong-zhao, Ye Jun. Tribological behavior of nano-Cu particles as additive in N32 lubricating oil // Tribology. 2010. Vol. 30. № 2. P. 145-149.
7. Xie Feng, Li Lei, Yang Shi-zhao. Research trends on nanometals and nanometal compounds lubricating additives // Synthetic Lubricants. 2013. Vol. 40. № 1. P. 5-10.
8. Gao Jun, Liu Yan-li, Qiao Wen-feng. Preparation and tribological properties of copper nanoparticles as lubricant additive // Journal of Nanjing University of Information Science and Technology: Natural Science Edition. 2013. Vol. 5. № 4. P. 312-316.
9. Бурлакова В.Э., Косогова Ю.П., Дроган Е.Г. Влияние нанораз-мерных кластеров меди на триботехнические свойства пары трения сталь-сталь в водных растворах спиртов // Вестник Донского государственного технического университета. 2015. Т. 15. № 2 (81). С. 41-47.
10. MandlikS.N., Mande A.C., NimbalkarS.R. Exprimental analysis of tribological properties of lubricating oil using nanoparticle additives // IJARIIE-ISSN(O)-2395-4396. 2016. Vol. 2. № 1. P. 637-645.
11. Yu He-long, Xu Yi, Wang Xiao-li, Shi Pei-jing, Xu Bin-shi. Research on the preparation and properties of Cu nanoparticles lubricant additive // Journal of Academy of Armored Force Engineering. 2006. Vol. 20. № 5. P. 86-89.
12. Wang Xiao-li, Xu Bin-shi, Xu Yi, Shi Pei-jing, Yu He-long. Study on friction and wear behavior and mechanism of nano-Cu additive in lubrication oils // Tribology. 2007. Vol. 27. № 3. P. 235-240.
