CC BY
258
УДК 621.893 DOI: 10.12737/2544
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Муравьев Игорь Борисович, аспирант кафедры сервиса, [email protected],
Корнеев Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и организации туристической деятельности, [email protected]
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
В статье рассматривается современное состояние использования металлоплакирующих смазочных материалов. Раскрыто значение их использования в продлении рабочего ресурса машин и механизмов. Проведен анализ проблем по разработке и использованию принципиально новых металлоплакирующих смазочных материалов в России. Приведена структура системного подхода к мероприятиям, направленным на эффективное внедрение новых методов повышения износостойкости узлов трения. Объяснено значение, указаны тенденции возможного использования новых технологий в металлоплакирующих смазочных материалах.
Ключевые слова: металлоплакирующие смазочные материалы, трение, износ, избирательный перенос, эффект безызносности, сервовитная пленка.
Каждый год в течение многих десятилетий конструкторы, инженеры, проектировщики оборудования, сервисные специалисты работают над основной задачей, как продлить рабочий ресурс средств и объектов материального производства с сохранением заданных рабочих характеристик. Продлевая ресурс машин и механизмов, например, на 35%, возможно снизить потребность в производстве этих средств на те же 35%. Основной причиной снижения ресурса работы машин являются трение и износ.
Проблема трения возникла с того времени, когда появилась техника. Более трети энергии в современных машинах расходуется на преодоление трения между ее механизмами, несмотря на подшипники и системы смазки, что в конечном итоге приводит к износу.
Износ деталей в узлах трения, во-первых, повреждает герметичность рабочей зоны (например, в поршневых машинах), во-вторых, снижает кинематическую точность механизма и нарушает обычный режим смазки. В результате происходит снижение мощности двигателя, повышается расход горюче-смазочных материалов, увеличивается опасность утечки взрывоопасных и ядовитых веществ, уменьшается точность и чистота
обработки изделий на станках. Следует еще отметить, что все это инициирует излишние нагрузки, удары и вибрации в узлах трения и нередко вызывает аварийные ситуации.
В итоге каждому оборудованию требуется ремонт. Расходы на устранение повреждений часто превышают стоимость новых машин и механизмов. Затраты на восстановление изношенных в результате трения деталей машин и механизмов огромны, и они ежегодно увеличиваются. Расходы на техническое обслуживание и ремонт машин в несколько раз превышают их стоимость. Потери от ремонта могут быть сокращены рациональным применением способов, основанных на триботехнике и нанотриботехнике. Также утилизация машиностроительного оборудования по степени вредного влияния на среду обитания может быть сопоставима с производством исходных материалов.
Повышение надежности и долговечности машин при современной насыщенности техники в промышленности становится одной из важнейших проблем научно-технического прогресса.
Учитывая эти обстоятельства, значимость последних достижений ученых-трибологов, позволяющих продлить рабочий ресурс машиностроительного оборудования в два, пять и более раз, приобретает глобальный характер. Достигнуть такого эффекта позволяют открытия безызносного трения и водородного изнашивания, разработка методов финишной антифрикционной безабразивной обработки, восстановление ресурса узлов машин без их разборки, а также разработанные применительно к ним на принципиально новой основе смазочные материалы.
В настоящее время в распоряжении конструкторов и эксплуатационников механического оборудования имеется широкая номенклатура смазочных материалов (более 300 наименований, только отечественных), однако существующие рекомендации по их практическому применению являются недостаточно корректными. С расширением ассортимента смазочных материалов появилось много новых доводов и аргументов относительно тех или иных смазок. Одни вызывают сомнения, у других отсутствует подтверждение их эффективности на практике, а третьи слишком узконаправленные.
В настоящее время единственный класс смазочных материалов, разработанный на основе фундаментальных научных исследований эффекта избирательного переноса при трении («эффект безызносности»), - это металлоплакирующие смазочные материалы [4]. Первая стадия избирательного переноса - процесс металлоплакирования. Авторами данного открытия являются профессор Д.Н. Гаркунов и профессор И.В. Крагельский. Ими было установлено, что в ситуации граничной смазки при трении сплавов меди о сталь, исключающей окисления меди, протекает процесс избирательного переноса меди из
твердого раствора сплава меди на сталь и противоположного её переноса со стали на сплав меди, сопровождающийся снижением коэффициента трения до жидкостного состояния и приводящий к существенному уменьшению износа пары трения.
Избирательный процесс появляется в ходе протекания на поверхности контактирующих тел физических и химических явлений, приводящих к формированию самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и снижению трения. В этом процессе наиболее характерно образование защитной пленки («сервовитной»). Она представляет собой вещество, сформированное потоком энергии и существующее в процессе трения. Как утверждал Д.Н. Гаркунов: «Трение не может разрушить пленку, трение ее создает» [2].
Основную роль в образовании сервовитной пленки играют три эффекта: избирательное растворение металлоплакирующей присадки, адсорбционное понижение прочности (эффект Ребиндера) и различие в скорости диффузии компонентов в деформированном объеме сплава (эффект Киркендала).
На основе металлоплакирующей присадки с размером частиц 100 нм в смазочном материале образуются особые заряженные частицы (мицеллы). Направление движения мицелл в смазочном материале осуществляется за счет разности потенциалов, возникающих в узлах трении. В начальный момент контакта, когда частицы металлов заряжены положительно, разрушение мицелл происходит на одной поверхности. Затем в результате перезарядки аналогичный процесс протекает уже на другой поверхности. Заряженные частицы переносятся на контактирующие микровыступы шероховатостей поверхности, а затем происходит заполнение и впадин микронеровностей. Описываемый процесс продолжается до образования на обеих поверхностях трения сервовитной пленки толщиной 1...3 мкм, после чего процесс переноса прекращается и наступает режим пассивации. Толщина образовавшейся сервовитной пленки соответствует размерам микронеровностей (или перекрывает их) большинства деталей общего машиностроения.
При избирательном переносе трение проходит через пластически деформируемый тонкий и мягкий слой металла. В результате происходит увеличение площади контактирующих поверхностей в 10-100 раз, поэтому материалы деталей испытывают лишь упругие деформации.
Помимо увеличения площади фактического контакта, тонкие пленки мягкого металла сами по себе уменьшают трение между твердыми соприкасающимися поверхностями, коэффициент трения близок к коэффициенту жидкостного трения.
В режиме избирательного переноса трение совершается без окисления поверхностей, и в результате не образуются оксидные пленки.
Наблюдается значительное снижение микрошероховатости с 0,1 до 0,005 мкм, т.е. до уровня зеркальной поверхности.
В случае когда медная пленка разрушается, (попадание крупного абразива, действие коррозионной среды и т.д.) процесс избирательного переноса возобновляется. Происходит «залечивание» разрушенного участка.
Образованная в зоне контакта металлоплакирующая сервовитная пленка является нанообъектом, ведет себя подобно ньютоновской жидкости как при растяжении, так и при сжатии и, как следствие, становится безызносной и сверхантифрикционной.
Образование «сервовитных» пленок может происходить и в веществах, которые не содержат медные или другие пластичные сплавы. Для этого требуемые компоненты необходимо ввести в смазочный материал. Такой принцип лежит в основе разработки металлоплакирующих присадок. В состав металлоплакирующих присадок могут входить Cu - медь, Zn - цинк, Ni - никель, Sn - олово, Ag - серебро, СиБи - бронза, Cu Zn латунь.
Следует отметить, что не все смазочные материалы, содержащие различные металлы, можно отнести к металлоплакирующим присадкам, дающим «эффект безызносности». Для реализации последнего необходимо наличие активной смазочной среды, обеспечивающей протекание физико-химических процессов, «самоорганизующихся» с образованием защитной пленки, содержащей металл, вводимой присадки. Эти металлы и сплавы с дисперсностью 100 нм находятся в специальном жидком составе - органическом комплексообразователе.
Уникальным является то, что пленка образуется в весьма «стесненных» условиях: сдвиговые и пластические деформации, высокие удельные нагрузки и температуры. В результате, образовавшаяся в таких условиях пленка обладает особыми свойствами - она пориста и имеет малое число дислокаций и большое число вакансий, параметр ее кристаллической решетки отличен от параметра решетки металла, полученного металлургическим путем. Также сервовитная пленка защищает стальные поверхности от образовавшегося водорода, который появляется при разложении водяных паров в процессе трения, деструкции полимеров, смазочно-охлаждающих жидкостей, топлив, смазок в зонах контакта и других; кроме того, пленка уменьшает удельную нагрузку на поверхности трения, что существенно уменьшает выделение водорода.
Мы живем в мире, в котором научные исследования требуют материальных затрат. Поэтому представляется необходимым показывать, что достижения целей трибологии приводят к значительным экономическим результатам.
Это подтверждается в ряде стран, где проводились исследования по данной проблеме, в частности, последние два года они велись в Китайской Инженерной Академии (Chinese Academy of Engineering). Было обосновано, что общая экономия за счет использования принципов трибологии с учетом современного состояния знаний составляет более 42 миллиардов американских долларов, что эквивалентно 1,5% ВВП.
В настоящее время металлоплакирующие смазки используются для различных узлов трения: крестовин, подшипников, шестеренок, шаровых опор, наконечников рулевых тяг, шарниров одинаковых угловых скоростей, кулачковых механизмов, направляющих скольжения и др.
Существуют металлоплакирующие смазочные материалы, которые могут работать при повышенных температурах. Они имеют своей основой бентонитовую глину в сочетании с коллоидальными мелкодисперсными частицами меди и свинца. Преимущества данного смазочного материала по сравнению с традиционными заключаются в его повышенной адгезионной способности, устойчивости против старения при воздействии кислот, воды, пара и щелочей, а также против воздействия высоких температур. Диапазон использования по температуре составляет от -40 до + 1350°С (долговременно - до 1100°С). Эти смазочные материалы достаточно экономичны, поскольку могут наноситься на поверхности трения тонким слоем. При этом нет необходимости в какой-либо предварительной обработке поверхности трения [6].
Металлоплакирующие смазочные материалы также были апробированы и использованы в следующих машинах и механизмах: самолеты типа Су (подшипники скольжения и качения тяжелонагруженных узлов трения шасси планера, управления); тяжелое оборудование завода «Уралмаш» (основные узлы трения, подшипники, зубчатые передачи экскаваторов, редукторов, станков для бурения, металлургического оборудования); оборудование и машины морского флота (подшипники скольжения, подшипники качения палубного оборудования, дизели морских судов); тяжелые автокраны (ролики и направляющие поворотного устройства); строительные и дорожные машины (основные узлы трения экскаваторов, бульдозеров); шахтные комбайны типа 1К-1У, К-103 и др. (зубчатые зацепления редукторов); пневмопрядильные машины типа ЛПМ-120МС (подшипники скольжения и качения); прядильные машины типа БД-200М69 (подшипники качения и скольжения); швейное и обувное оборудование (механизмы
челнока, игловодителя, узлы трения кривошипа, кулисы и др.); автомобили ЗИЛ, ГАЗ, КамАЗ, МАЭ и др. (подшипники качения, скольжения, цилиндры двигателей); тракторы Д-50, СМД-60 и др. (подшипники качения, скольжения, цилиндры двигателей); дизели тепловозов (картерная смазка кривошипно-шатунного механизма); технологическое оборудование (подшипники качения, скольжения, направляющие и др.) [3].
Как показывает практика, применяя металлоплакирующие смазки, можно добиться следующих преимуществ: повысить ресурс машин и механизмов; существенно увеличить срок эксплуатации металлических деталей; увеличить промежуток времени между заменами смазки; предотвратить появление задиров и сваривания трущихся деталей; уменьшить шум, появляющийся вследствие износа подшипников; повысить безопасность работы в высоконагруженных узлах трения; исключить износ трущихся поверхностей; восстановить изношенную поверхность; защитить рабочую поверхность от коррозии; улучшить теплоотвод из зоны трения; предотвратить насыщение смазочного материала; улучшить экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания; уменьшить загрязнение окружающей среды; успешно заменить солидолы всех типов, смазки общего назначения, некоторые другие пластичные смазки [1].
Однако долгое время в нашей стране было негативное отношение к разработке и производству металлоплакирующих смазочных материалов со стороны руководящих работников институтов по производству и применению смазочных материалов. Основными аргументами в то время являлись утверждения об ограниченности ресурсов цветных металлов и их высокая стоимость, вредное воздействие вводимых присадок на физико-химические и эксплуатационные свойства смазочных материалов, а именно влияние меди и других металлов на усиление окисления смазочного материала, особенно для теплонапряженных двигателей внутреннего сгорания.
В отношении дефицитности и дороговизны цветных металлов проблема была преувеличена, т. к. во многих присадках содержание меди или олова составляет сотые доли процента. А эффективность присадок, как показала практика, весьма велика. Кроме того, металлоплакирующие смазочные материалы рекомендуется применять только в узлах трения, от работы которых зависит надежность и ресурс машин и механизмов.
Давно известно традиционное применение солей меди в качестве активных катализаторов, поэтому наличие меди действительно может привести к ускорению окисления масла. Однако позднее была установлена способность органических соединений меди к антиокислительному действию. Было доказано, что соединения меди, вводимые в масла, могут проявлять как каталитическую активность, так и ингибировать
процесс окисления, а также улучшать триботехнические свойства масел. Необходимо отметить, что введенные в масла металлоплакирующие присадки снижают температуру трущихся деталей, что само собой должно сказаться на уменьшении степени окисления масла в механизмах [7].
До последнего времени главным направлением в борьбе с изнашиванием было увеличение твердости трущихся поверхностей механизмов. Ученые разработали большое количество методов увеличения твердости деталей (цементирование, азотирование, хромирование и т.д.). Значительный опыт по внедрению новых материалов показал, что это направление позволяет в большей степени увеличить надежность трущихся деталей машин. Но непрерывное стремление к снижению массы машин и росту интенсификации рабочих процессов привело к ухудшению условий смазывания деталей, увеличению давлений в узлах трения машин и скоростей скольжения. Постоянные требования к повышению КПД механизмов машин, а также использование специальных жидкостей и смазочных материалов привело к тому, что традиционные методы повышения износостойкости деталей увеличением их твердости, практически перестали себя оправдывать.
Применение избирательного переноса на практике показывает, что дальнейший успех будет зависеть от перехода на употребление принципиально новых технологий смазочных материалов для узлов трения машин, конструкций и новых материалов подвижных сочленений, технологических процессов. Это может быть достигнуто только при проведении комплексных научно-исследовательских работ в области триботехники. Стремление простой передачей технических конструкций и опытных смазочных материалов промышленным предприятиям с целью расширения внедрения новых методов увеличения износостойкости узлов трения машин не может привести к серьезным результатам. Владение общими вопросами теории трения и изнашивания в машинах оказывается недостаточным, и требуется освоение специальных разделов трибофизики, трибохимии, физикохимии. На объектах каждой отрасли техники, где планируются работы по избирательному переносу, также требуется подготовка соответствующих специалистов в учебных заведениях, имеющих современную базу, по необходимым специальностям. Опыт тех производств, где уже был реализован избирательный перенос в узлах трения механизмов, должен быть подробно изучен. В связи с этим в крупных научно-исследовательских институтах каждой отрасли потребуется создание лабораторий, которые бы разрабатывали техническую документацию и накапливали опыт применения избирательного переноса [5].
Дальнейшая работа по созданию новых металлоплакирующих смазочных материалов будет базироваться на фундаментальных исследованиях по механизму смазочного действия, и в этом случае концептуальной основой работ будет избирательный перенос - единственный в настоящее время подход, допускающий безызносное трение. В рамках явления избирательного переноса с использованием принципов самоорганизации, особенно при обсуждении химических аспектов смазочного действия, следует ожидать наибольших успехов в развитии производства металлоплакирующих смазок.
Литература
1. Гаркунов, Д.Н. Триботехника, конструирование, изготовление и эксплуатация машин. - М.: МСХА, 2001. - 629 с.
2. Гаркунов, Д.Н. Триботехника (Износ и безызносность). - М.: МСХА, 2001. -
538 с.
3. Исследование свойств пластичных смазок с омедненным порошком графита / В.Г. Мельников, В.В. Терентьев, В.П. Зарубин, Т.Ф. Юдина // Эффект безызносности и триботехнологии. - 2004. - №1. С. 33.
4. Повышение срока службы деталей машин и инструмента металлоплакированием: монография / А.К. Прокопенко, А.П. Голубев, Г.П. Зикеев, А.А. Корнеев. - М.: ИИЦ МГУДТ, 2010. - С. 87
5. Сорокин, В.М., Курников, А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин. - Н. Новгород: ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2006. - С.172-174
6. Фролов, К.В. Современная трибология: итоги и перспективы. - М.: УРСС/ЛКИ, 2007. - 480 с.
7. Щедрин, А.В., Зинин, М.А., Гаврилов, С.А. Влияние металлоплакирующей присадки Валена на показатели комбинированной обработки // Вестник машиностроения. - 2011. - №9. - С. 77-80.
METAL-PLAQUE LUBRICANT APPLICATION PROBLEMS AND PROSPECTS
Myrav'ev Igor' Borisovich, post-graduate student at the Department of Service, Russian State University of Tourism and Service, Moscow Russia, [email protected],
Korneev Aleksey Alekseevich, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Technology and Organization of Tourist Activities, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, [email protected]
CTp. 20 H3 210
The article covers the current implementation of metal-plaque lubricants. The authors reveal the contribution of the lubricants to stretching the endurance of machines and mechanisms, and analyse the conceptually new metal-plaque lubricant development and application problems in Russia. The article provides a structure of a systematic approach to activities aimed at introducing new methods of friction units longevity improvement, and evaluates the potential of new technologies in metal-plaque lubricant development.
Key words: Metal-plaque lubricants, friction, wearing process, selective transfer / wear-free transfer, wear-free effect, servovite film.
References
1. Garkunov, D.N. (2001). Tribotekhnika, konstruirovanie, ezgotovlenie i ekspluatatsiia mashin [Triboengineering, designing, manufacturing and operating machines]. Moscow: MCKhA, 2001. - p.538.
2. Mel'nikov, V.G., Terent'ev, V.V., Zarubin, V.P., & Iudina, T.F. Issledovanie svoistv plastichnykh smazok s omednennym poroshkom grafita [Research into the grease coppered-graphitic-powder-added lubricant characteristics]. Effekt bezysnosnosti i tribotekhnologii [Wear-free effect and tribotechnologies]. - 2004. - №1. p. 33.
3. Prokopenko, A.K., Golubev, A.P., Zikeev, G.P., & Korneev, A.A. Povyshenie sroka sluzhby detalei mashin i instrumenta metalloplakirovaniem [Extending unit and tool cycle-life through metal-plaque technologies]. - Moscow: IITs MGUDT Publ., 2010. - p. 87.
4. Sorokin, V.M., & Kurnikov, A.S. Osnovy tribotekhniki i uprochneniia poverkhnostei detalei mashin [Fundamentals of Triboengineering and Machine Units Hardfacing]. - Nizhny Novgorov: FGOU VPO VGAVT Publ., 2006. - pp.172-174
5. Frolov, K.V. Sovremennaia tribologiia: itogi i perspektivy [Modern Tribology: achievements and prospects]. Moscow: URSS/LKI Publ., 2007. - p.480.
6. Shchedrin, A.V., Zinin, M.A., & Gavrilov, S.A. Vliianie metalloplakiruiushchei prisadki Valena na pokazateli kombinirovannoi obrabotki [Valena-metal-plaque-admixture-related changes in the combined method application results]. Vestnik mashinostroeniia [Bulletin of Engineering]. - 2011. - №9. - pp. 77-80.
